仿生鱼尾鳍推进并联机构设计.pdf

机 械 工 程 学 报 第 39 卷第 2 期 仿生鱼尾鳍推进并联机构设计* 1 1 1 2 苏柏泉 王田苗 梁建宏 李 平 (1 ．北京航空航天大学机械工程及自动化学院 北京 100083 ； 2 ．哈尔滨工程大学理学院 哈尔滨 150001) 摘要：仿生尾鳍推进水下机器人的核心问题之一是推进机构的设计及其运动控制问题，而如何减小推进机构的体 积，实现对鱼类尾鳍典型运动的精确模拟是其中的关键因素。提出一种新结构形式的两关节并联仿生尾鳍推进机 构。基于该推进机构的简化模型，分析组成机构各杆件的运动规律，以及拍动中位角和各连杆长度之间的关系， 对推进机构所占空间进行对比分析。提出转弯性能，机构奇异点对推进机构各杆件的约束条件。结果表明该并联 结构方式可以实现转向，也减小了推进机构占用空间。针对典型参数，对尾鳍机构进行运动仿真，结果肯定了设 计的合理性，为水下仿生机器人的尾鳍推进机构提供了一种设计方案。 关键词：水下仿生机器人 尾鳍推进 运动分析 运动控制 机构设计 中图分类号：TP242 WEIHS[8]从水动力学角度对鱼类进行了转弯性能的 0 前言* 分析，并取得了同试验相符合的结果。HIRATA等[9] 研究了仿生鱼模型的转弯性能，得到了摆动频率， 仿生推进是目前水下机器人领域一个重要研究 摆动幅度，以及偏转角对转弯性能的影响关系曲线。 方向和研究热点，主要集中在模仿鱼类的高效、高 TOMIE等[10]通过外界电磁场两种波形模式驱动仿 速、高机动，高静谧性。国内外研究组织自从 20 生鱼尾部实现转弯，取得了良好的效果。其他研究 世纪 90 年代初以来一直进行推仿鱼尾及海豚尾推 人员[11-13]通过把转弯性能归结到机动性能研究的统 进方式[1-4] 开展研究。北京航空航天大学研制的 一框架下的方式对鱼类或仿生鱼的转弯性能进行了 SPC-II机器鱼[5]采用平行四连杆机构，主臂和小臂 研究。然而到目前为止还没有对仿生鱼的转弯性能 驱动电动机采用共轴对称布置方式，驱动系统长度 提出比较全面的研究方案，也并未取得令人满意的 大，增加了迎流面积，为使外形呈流线型导致鱼体 结果。 内部剩余空间变大。东京理工大学的双节点海豚机 目前，水下机器人的仿尾鳍推进方式的研究工 器人[6]采用曲柄和摆杆机构实现尾鳍的摆动，机构 作相对于其他仿生推进而言开展比较深入，尾鳍推 简洁，不足之处在于第二关节由弹簧带动，其在不 进器的实用化程度也较高，但仍存在很多问题，其 同摆动速度时尾鳍摆角不可控，造成尾鳍摆动规律 中之一是如何减小尾鳍推进机构所占空间体积，尽 与鱼类尾鳍摆动规律存在差异，而合适的攻角是提 量减小对水下机器人整体外形设计所施加的约束， 高尾鳍推进效率的关键因素之一[1] 。日本国立海洋 而外形的整体流线形式对于提高水下机器人的航程 技术研究所研究的UPF2001[7]尾鳍推进装置首先由 和效率，以及运动控制往往起着关键性的作用。针 减速电动机动曲柄滑块机构产生符合正弦摆动的前 对这个问题，本文提出了一种尾鳍并联推进机构的 后往复运动，往复运动的连杆再带动连杆机构驱动 设计，可以实现相位差可调节，同时减少了推进机 尾鳍,使尾鳍攻角摆动, 同时通过一块“V”型铁带动 构的体积。提出了并联