论文部分内容阅读
作为仿生智能机器人领域的一个重要研究方向,仿生水下机器人因其在水质监测、水环境测量、水下生态系统观测、军事侦察等领域具有潜在的应用前景而受到科学界和工程界的广泛关注,在身体/尾鳍(Body and/or Caudal Fin,BCF)推进机器鱼,以及中央鳍/对鳍(Median and/or Paired Fin,MPF)推进机器鱼研究方面已取得很多成果。由于MPF机器鱼在推进效率、机动性等方面优势明显,逐渐成为研究的热点。本文针对胸尾鳍协同推进仿生机器鱼的游动机理进行研究,主要内容如下:(1)设计了一种二自由度胸鳍和三关节柔性身体协同推进的仿生机器鱼。所设计仿生机器鱼以鳕鱼为仿生对象,其胸鳍机构以MPF模式推进,可实现前后拍翼运动、沿鳍轴的摇翼运动以及二者的复合运动;三关节柔性身体机构和尾鳍以BCF模式推进,可实现水平面内的往复摆动。机器鱼头部设计为密封塑质外壳,柔性身体用防水塑胶蒙皮包裹,控制系统以Atmel128单片机为主控芯片。(2)分别针对仿生机器鱼直线游动、转弯游动等基本行为进行分析,建立了在胸尾鳍协同推进情形下的水动力学模型。首先,以生物力学研究成果为依据,分别给出了二自由度胸鳍的运动学模型和柔性身体/尾鳍拟合Lighthill曲线的运动学模型。其次,以微元分析法为依据,建立了胸鳍运动的水动力学模型;以童秉纲三维波动板理论为依据,建立了柔性身体/尾鳍的水动力学模型。最后基于上述结果,分别给出了仿生机器鱼在胸尾鳍协同推进情形下实现直线游动和转弯行为的水动力学模型。(3)以所建立的水动力学模型为基础,通过数值分析与实验验证相结合的方式,确定了仿生机器鱼直游和转弯模态。首先,通过数值仿真计算,对摆幅、周期、初始角、相位差等基本运动学参数与直游速度、转弯角速度之间的关系进行分析,初步确定了5种直游模态,以及3种转弯游动模态。其次,通过实验验证仿真结果,并优化参数,最终确定了仿生机器鱼的直游和转弯模态。仿真及实验结果表明,所设计机器鱼实现基本游动行为的方式丰富,且理论分析结果与实验结果相符合,从而为在现实领域中的应用提供了理论与技术支撑。