仿生机械学..docxVIP

引言21世纪是海洋的世纪，随着海洋开发事业的发展，加上其它类科学（如材料科学和自动控制理论等学科）的全面发展的时也带动了综合学科－机器人技术科学的发展，因而在海洋开发和相关领域中运用机器人技术已引起了各方面的重视。为了充分利用海洋资源，各种船只，潜水艇及水下机器人等被广泛的使用和设计，这些水上及水下作业的机器已经拓展了我们的生存空间，但是残酷的竞争激励人们不断探索高效、高机动性的水下推进控制技术。目前传统的水下推进系统多采用螺旋桨和叶轮式等原理的常规推进器，并多以电磁马达或液压马达驱动。这些常规推进器的存在能源利用低、结构尺寸及重量大、受扰能力差，噪音大，隐蔽性差，可靠性差等缺点。而且常规的推进方式驱动水下运动装置存在启动、加速性能弱，运动灵活性差等缺点，受承载空间和能力的影响会限制其作业时间和范围，从而限制了它的应用。 采用波状摆动推进的鱼类，有着卓越的游动能力，就像飞机与雷达的研制，人们发现鱼类在水中游动时，可以本能的利用流体力学的原理，减小阻力提高推力。十几亿年的进化使鱼类能够以最科学的方式驾驭水流，以达到高速，高效的游动。大多数鱼类的游动推进效率在 80%以上，鲹科鱼类的推进效率可以超过 90%，而传统的推进方式的推进效率平均仅为 40%-50%左右。鱼类可以在不减速情况下迅速改变方向，转弯半径仅有体长的 10%-30%，而船的转弯半径要比本身长度大一个量级，且通常在转弯前先要减速一半；梭子鱼可以以 25 倍的重力加速度迅速起动来猎取食物，海豚的加速度可以达到 20-50 倍的重力加速度。鱼类优良的游动运动方式给人类提高水下机器人系统的推进操控性能及与水环境的交互性能带来了希望。 鱼类的高速，高效游动，吸引着学者们研究鱼类的推进机理，并利用所研究的推进机理研制一些水下仿生学机器人，已验证其高效，高速的性能，并希望在实际的船只、潜艇等水上水下作业的器械上加以利用，以提高其机动性和效率。2. 机械与结构设计 2.1鱼的各种推进方式按鱼类的体形及由体型引发的功能的不同，有下面几种常见的基本推进运动模式：喷射方式、身体波动方式、尾鳍推动方式和胸鳍推动方式。1. 喷射方式：此类方式的生物体内部的特殊部位可向后挤压产生水流后向推力，通过反作用力使其向前游动的。此类方式产生动力的生物体有乌贼、鱿鱼、水母。2. 身体波动式：此类生物体的游动关节遍布全身，它们的游动犹如正弦波形的前进，全身关节参与游动，这样前进的单位距离所需推力最小。此类方式游动的生物体有鳗鱼、水蛇等。3. 尾鳍推进方式：此类游动方式还可分为：蹲行式和椭行式15，蹲行式如蝉鱼、鲜鱼等是最常见的方式，在速度、加速度方面和可操纵性上具有优势。椭行式鱼类有精鱼、马林鱼等，常有高展弦比的尾鳍，在快速运动中最为高效。它们的显著特点是主要利用鱼的身体后半段和尾鳍协调摆动前进。4. 胸鳍推进方式：单独利用胸鳍推进方式的鱼非常罕见，它的推进作用表现在机动性上，胸鳍的推进方式的效率并没有尾鳍的推进效率高，但是其机动性较尾鳍要高，所以在鱼类的游动过程中，胸鳍只是起到提高鱼类的机动性以逃避天敌的作用。 2.2机械鱼的机械结构设计 由于鱼类的生活习性和生活环境的不同，鱼的种类是也多种多样的，水作为鱼类的游动介质，其压缩性和高密度性在鱼类的进化中具有重要的作用，导致了大多数鱼的进化过程中产生了推动协调其各种运动的不同的鳍及各种为适应其特点而产生的运动机理。 机器鱼由鱼头、鱼体、鱼尾鳍三部分组成，鱼体部分共有3个关节，每一个关节相对于临近的部分独立。每一个关节由一个伺服舵机控制，可以实现本段和前段的相对转角位移。通过Pro/ENGINEER 画图软件，基本设计出了鱼的外体模型。如下图 图 1 模型的基本构成如图2，机器鱼总体结构主要分为鱼头、鱼身、鱼尾三个部分。鱼头部分由控制电路板、电池、通讯模块、电源开关和胸鳍构成，鱼头上预留了吹气孔、充电头和天线；鱼身部分由三个摆动关节串联构成，每个关节均由一个直流伺服电机驱动，模拟鱼体波曲线的运动；鱼尾为新月型尾鳍。 图 2 模型简图、 2.2.1舵机之间的连接机构设计材料：白铁皮、薄钢板等 厚度0.9cm 连接机构要求质地较轻，满足强度要求，根据设计要求我们设计了两种连接方案： 图 3 方案一 图 4 方案二 由于购买的材料是0.9CM厚的白铁皮，强度要求欠缺点，为了有效减小各个舵机转轴所受的弯矩，提高运动效率，减少能量损失。所以采用方案一轴承连接方式，完全能达到要求。 图 5 舵机 2.2.2尾鳍设计（新月牙形） 尾鳍材料：塑料 厚度：4mm 实验结果证明：新月形尾鳍推进（鳍3）是一种新颖的、适合微小型水下机器的推进方式。 图 6 新月牙型鱼尾 2.2.3鱼头设计 材料：直径为120*250的塑料圆柱 图 7 鱼头 鱼头是用直径为1