划水式仿生推进装置设计和运动分析 开题报告.docVIP

中国海洋大学 本科毕业设计 开题报告 题 目划水式仿生推进装置的设 计和运动分析 院、 系 工程学院机电系 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 贾春龙 学 号 080242011012 指导教师 常宗瑜 教务处制表 2015 年 4月 2日 一、选题依据 课题来源、选题依据和背景情况；课题研究目的、学术价值或实际应用价值 课题来源、选题依据和背景情况 随着各国经济的飞速发展和世界人口的不断增加，人类消耗的自然资源越来越多，陆地资源越来越少，为了生存和发展，人们开始向海洋进军，21世纪是海洋的世纪,海洋开发已经成为各国重要的战略目标，海底的探测和太空的探测一样，具有吸引力和挑战性。 在水下推进与控制技术方面，螺旋桨推进方式和基于升力理论的操纵舵控制技术取得了很好的研究成果并得到了较广泛的应用，为适应不同海洋环境和不同任务要求，探索新型的水下推进技术，近年来仿生推进技术的研究受到人们的关注，不同形式的水下推进技术的研究，对丰富和完善水下推进技术、拓展水下机器人的应用范围具有重要的研究意义和实用价值。 水下生物的运动方式具有高效率、低噪声、高机动性等优点，他们的运动方式具备传统螺旋桨推进方式所没有的超高能力，例如对水下复杂环境的高适应性和对运动姿态的高控制性。因此它们成为科学家们研制新型高速、低噪音、机动灵活的防水水下机器人模仿的对象。 水中生物经过上亿年进化形成的游动方式千差万别，受水生物启发而形成的仿生推进方法也纷繁多样，各有千秋。本课题对海龟的运动方式进行了分析，企鹅、海龟等水生生物在水中运动的主要方式便是水翼法游动，该游动方式具有高机动性、低噪音等特点。将海龟作为仿生原型，研究仿生原型的水翼法推进机理，在仿生学原理的基础上研究新型水下机器人仿生推进方式，对于探索小型中低速水下机器人新型推进方式，降低其噪声，提高其灵活性、稳定性和机动性能，具有重要的研究意义和实用价值。 课题研究目的、学术价值或实际应用价值 仿生学的目的就是分析生物过程和结构以及它们的分析用于未来的设计。仿生学的思想是建立在自然进化和共同进化的基础上的。人类所从事的技术就是使其达到最优化和互相间的协调。 在水下仿生推进研究领域，对于尾鳍/鱼体摆动法推进技术的研究开始较早，在摆动法游动机理的基础分析及其推进性能和操纵性能实用性研究等方面取得了大量的研究成果。对于乌贼、水母等通过改变身体腔体容积吸水喷水产生推力的喷射法推进的仿生研究相继展开，也取得了可喜进展。目前，对于水翼法推进技术的研究还远不如螺旋桨推进方式的研究深入透彻，在水翼法仿生推进装置运动模式选取及运动参数规划方面，也没有通用的标准和可循的规律。因此，本课题着眼于海龟的水翼法推进方式，探索新的水下推进形式，为丰富水下推进理论和方法具有重要的实用价值和研究意义。 二、文献综述 国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献 国内外研究现状、发展动态 随着仿生学、机器人学、流体力学、电磁学、新型材料科学、自动控制理等学科的不断进步, 以及海洋经济的发展和军事需求的增加, 科研工作者把目光投向了长期生活在水下的各种生物运动机理的研究上。水下生物的高效率、低噪声、高速度、高机动性等优点, 使其成为科学家们研制新型高速、低噪音、机动灵活的仿生水下机器人模仿的对象。目前已研制出的仿生水下机器人中, 根据其 所模仿水下生物的运动方式, 可分为仿鱼水下机器人、仿多足爬行动物水下机器人和仿蠕虫水下机器人。 1994年麻省理工学院模仿蓝鳍金枪鱼制造的RoboTuna如图1所示。其长约1.2m, 由2843个零件组成, 关节式铝合金脊柱, 中空聚苯乙烯肋骨, 网状泡沫组织, 聚氨基甲酸酯弹性纤维纱表皮, 内部装有6台2马力的无刷直流伺服电动机、轴承及电路等。该机器鱼在多处理器和高级推进系统的控制下, 通过摆动躯体和尾巴, 能像真鱼一样游动, 速度可达7.2km/h。 机器梭子鱼RoboPike, 如图2所示。由玻璃纤维制成, 上面覆一层钢丝网, 最外面是一层合成弹力纤维,尾部由弹簧状的锥形玻璃纤维线圈制成, 使机器梭子鱼既坚固又灵活。它的硬件系统主要包括: 头部、胸鳍、尾鳍、背鳍、主体伺服系统、胸鳍伺服系统、尾部和尾鳍伺服系统以及电池等。采用一台伺服电动机为其提供动力, 来驱动各关节以实现躯体摆动。 图1 麻省理工学院研制的机器金枪鱼 图2 麻省理工学院研制的机器梭子鱼 图3是英格兰东南部的埃塞克斯大学华裔教授胡霍胜和他的机器人小组, 从2002年开始研究的先进新