0023-仿生機器魚機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 【CAD圖+說明書】

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This paper introduced the development history, current situation, development trend of bio-mimetic robot fish. We also have a description for the newest research results at home and abroad. The two-joint bionic robot fish has advantages of simple structure, high reliability, thus this paper descripts progress of its designs and researches. On the base of fish’s physical and physiological characteristics of the structure analysis, bionic robot fish is divided into five separate modules, namely: the lifting module, steering module, tail module. This article will have a detail description on the three modules in the design part and give the relevant design calculations of the conduct. Key words: two-joint bionic robot fish development structural design propulsive mechanism  第一章 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.1.1 仿生機器魚的現(xiàn)實意義及發(fā)展趨勢 1 1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀及研究的主要成果 2 1.2．1 國外現(xiàn)狀及研究綜述： 2 1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀及研究綜述： 3 1.2 本文的論述內(nèi)容 4 1.3 本章小結(jié) 5 第二章 仿生機器魚的運動學描述 6 2.1魚類運動模式分類 6 2.1．1魚類的BCF波動推進模式 7 2.2 鲹科結(jié)合月牙形尾鰭推進方式機理及運動學模型 9 2.2.1 鲹科結(jié)合月牙尾鰭魚類的運動學特征 9 2.2.2 鲹科結(jié)合月牙尾鰭魚類的運動學模型 12 2.3 仿生機器魚游動過程中的力學分析 13 2.4 本章小結(jié) 14 第三章 仿生機器魚的機構(gòu)設(shè)計說明 15 3.1 仿生機器魚的整體設(shè)計思路 15 3.2 尾鰭的外形設(shè)計 16 3.3 尾柄驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計說明 17 3.3．1 尾柄驅(qū)動機構(gòu)的運動學分析 18 3.3.2 尾柄機構(gòu)驅(qū)動力矩的計算及電動機的選擇 22 3.4 胸鰭結(jié)構(gòu)的設(shè)計說明 24 3.4.1 仿生機器魚實現(xiàn)升潛運動的方案選擇 24 3.4.2 魚體重力浮力的計算 26 3.4.3 胸鰭電機的選用及其運動實現(xiàn) 27 3.5 仿生機器魚整體裝配圖 29 3.6 本章小結(jié) 30 第四章 相關(guān)零件的參數(shù)確定以及關(guān)鍵部件的校核 31 4.1相關(guān)零件的設(shè)計 31 4.1.1 齒輪機構(gòu)的設(shè)計 31 4.1.2 聯(lián)軸器的選擇 32 4.1.3 鍵的選擇 33 4.1.4 軸承的選擇 33 4.1.5 連桿的結(jié)構(gòu)及聯(lián)接 33 4.2 關(guān)鍵零部件的校核 33 4.3 本章小結(jié) 37 結(jié)論 38 致謝 39 參考文獻 40 41 第一章 緒論 1.1 課題背景 隨著社會的發(fā)展，陸上資源已有面臨枯竭的趨勢，于是海洋逐漸成為了人們關(guān)注的焦點，而對于海洋資源開發(fā)具有重要作用的水下機器人也得到了相應(yīng)的發(fā)展。從傳統(tǒng)的采用螺旋槳式推進的水下機器人到最新的采用擺動式推進的仿生機器魚的演進就是人們探索海洋的腳步的縮影。 人類從工業(yè)時代以來就從大自然得到過無數(shù)的靈感，仿生機器人即為其中之一，它是仿生學與機器人學相結(jié)合的產(chǎn)物，所謂的仿生機器人是參照不同生物的高級生命形態(tài)特征，利用現(xiàn)代的電子技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感技術(shù)及制造技術(shù)等實現(xiàn)從運動機理、感知模式、材料結(jié)構(gòu)、信息處理、行為方式到控制協(xié)調(diào)等方面仿生的機器人系統(tǒng)。魚類在水中經(jīng)過了漫長的進化已形成了天然的運動優(yōu)勢而仿生機器魚就是通過模擬真實魚類的身體構(gòu)造及其在水下的運動模式從而實現(xiàn)了在水下世界的高效率移動。當前世界各國都對仿生機器魚的研究貢獻了自己的力量，尤以美國和日本的研究成果最為豐碩，我國近幾年在這方面的發(fā)展也頗為迅速。 1.1.1 仿生機器魚的現(xiàn)實意義及發(fā)展趨勢 仿生機器魚能通過模擬魚類的身體構(gòu)造及其在水中的運動機制來實現(xiàn)機械人在水下的高效率工作。由于其具有的在軍事、民用、科研等領(lǐng)域體現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在價值，因而成為近幾年的研究熱點。 魚類在水中進化了上億年，其在水中擁有近乎完美的運動表現(xiàn)，既可以在持久游速下保持低能耗、高效率, 也可以在拉力游速或爆發(fā)游速下實現(xiàn)高機動性；仿生機器魚參照魚類的游動的推進機制，利用機械、電子元器件或智能材料來實現(xiàn)水下運動的機器裝置。通過深入研究魚類的游動機制原理，一方面可以揭示魚類高效游動的奧秘，了解魚類游動的力學效應(yīng)對魚類的生理學、生態(tài)學、動物行為、微觀進化和宏觀進化的影響；另一方面，也為研制高效率、低噪聲、高機動性、高穩(wěn)定性和易隱蔽的仿生潛水器提供新的思路。 預見，仿生機器魚(以下簡稱機器魚)以其效率高、機動性好、噪音低、對環(huán)境擾動小的優(yōu)勢將在以下領(lǐng)域得到廣泛心用： 1)要求作業(yè)時間長、范圍大，但本身承載能力或承載空間有限、不能加載太多能源的場合； 2)要求機動性能高的場臺，如管道檢測，管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，采用微小型機器魚可較好地完成作業(yè)任務(wù)； 3)海洋生物觀察 常規(guī)螺旋槳推進器噪聲大，對環(huán)境的擾動大，使水下運動裝置很難接近所要觀察的海洋生物，采用微小型機器魚有望解決這問題； 4)海底勘探及海洋救撈等 采用仿生推進方式可以容易地進入環(huán)境復雜的海洋空間，如沉船內(nèi)部，珊瑚礁群，完成常規(guī)潛水器所不能完成的作業(yè)任務(wù)； 5)軍用方面． 由于機器魚噪聲低、對環(huán)境擾動小、不易被聲納發(fā)現(xiàn)、易于隱蔽，它不僅為人們研制新型高效、低噪聲、機動靈活的柔性潛艇提供了新的思路，而且可直接進行水下偵察，發(fā)現(xiàn)敵打雷區(qū)，跟蹤及摧毀敵方潛艇等。 因此我們不難想象，在未來的時間內(nèi)，仿生水下推進器的理論定會更加深入，外形及仿真實驗也將增加，仿生機械魚也將應(yīng)用到現(xiàn)實生活的各個領(lǐng)域。 1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀及研究的主要成果 人們對于仿生機械魚的研究最早是從研究魚類的運動機理開始的，早在1926年布里德就提出了基于魚類推進模式的分類即周期游動和瞬態(tài)游動。而對于魚類的游動機理的研究則始于1950年Geoffrey Taylor,他通過對 微生物和蠕蟲進行細長體流動分析率先提出了抗力原理。隨后Lighthill將細長魚身的運動放在橫流截面中來研究提出了“細長體理論”和“大擺幅細長體理論”。1960年，吳耀祖應(yīng)用勢流理論和線性邊界層條件對柔性二維波動板的推進性能進行了研究，提出了“二維波動板理論”。1961年加州理工大學的T.Y.W提出的加入了前緣吸力及尾緣尾跡的作用二維波動模型及后來的作動盤理論等都為仿生機械魚的產(chǎn)生奠定了理論方面的基礎(chǔ)。 1.2．1 國外現(xiàn)狀及研究綜述： 1994年麻省理工學院(MIT)的M.Triantafyllou研究組(以下簡稱MT)成功研制世界上第一條真正意義上的仿生金槍魚(Robotuna)（見圖1.1），開啟了機器魚研制的先河。此后，結(jié)合仿生學、材料學、機械學和自動控制的新發(fā)展，機器魚研制漸成熱點。見下圖 1995年，MIT推出了Robotuna的改進版機器魚“Pike”，旨在研究魚的機動性和靜止狀態(tài)下的加速性。1995年，樂海大學的Kato實驗室開發(fā)了研究人工胸鰭機動性和推進的測試平臺——仿黑色鱸魚機器魚(Blackbass)。 1998午．Draper實驗室推出了robotuna的最高版本VCUUV（ vorticity control unmanned undersea vehicle）。 1996年，美國新墨西哥大學Methran Mojarrad研究小組將高分子電解質(zhì)離子交換膜(IEM)鍍在仿生魚鰭的金屬簿片上，通過外加電場實現(xiàn)人造合成肌肉運動，產(chǎn)生了類似鰻魚的游動方式。 1999年，德州農(nóng)工大學(Texas A＆M university)宇航工程系應(yīng)用SMA驅(qū)動技術(shù)開發(fā)了一種帶脊柱的水下仿生潛器。 2008年一家美國公司研發(fā)出一款名叫“海洋跳躍者”的海豚潛艇，該海豚潛艇在外型上酷似海豚，且可以像海豚一樣潛水、跳躍等動作，其內(nèi)部由性能強勁的轉(zhuǎn)式發(fā)動機帶動潛水速度可達32公里/小時，最大潛水深度及水上跳躍高度分別可達1.52米和3.04米（發(fā)明與創(chuàng)新2008年第十期） 日本在機器魚的研制方面?zhèn)戎赜谖⑿蜋C器魚和振動翼推進船的研究上。 名古屋大學研制出采用形狀記憶合金驅(qū)動的微型身體波動式水下推進器和壓電陶瓷驅(qū)動的雙鰭魚型微機器人。 日本運輸省船舶技術(shù)研究所（NMRI）研制的一系列機器魚中的UPF-2001,旨在研究機器魚的高性能和多用途。 日本東海大學Kato實驗室為了研究人工胸鰭機動性和推進性能而研制的測試平臺—人工胸鰭黑鱸魚。 日本的三菱重工（MHI）開始生產(chǎn)面向市場的機器強棘魚和金色鯉魚外形機器魚。Takra 公司先后研制的機器魚和機器水母。 英國的Essex 大學研制的G系列和MT系列機器魚，比利時的Vrije大學的機器魚智能體研究和Herriot Watt 大學的FLAPS項目等均取得了一定的成績。 1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀及研究綜述： 在魚類推進機理研究和仿生機器魚研制方面國內(nèi)起步較晚。80年代中后期，中國科技大學的童秉綱和程健宇博士采用半解析、半數(shù)值的方法，提出了三維波動板理論得到了國際上魚類生物力學研究群體的廣泛認同和運用。 1994年華中理工大學開展了柔性尾鰭推進裝置的實驗與理論研究，初步探討了尾鰭參數(shù)與推進效率之間的關(guān)系。哈爾濱工程大學在國防基金的支持下開展了仿生機器章魚的研究。其主要目的是用于輔助打撈沉船，近期他們又研制一 條仿生金槍魚。 哈爾濱工業(yè)大學在國家自然科學基金的支持下開展了水下機器人仿魚鰭推進機理的研究，建立了利用彈性元件提高驅(qū)動效率的實驗平臺； 中科院沈陽自動化研究所制作了兩關(guān)節(jié)的仿生機器魚模型； 北京航空航天大學機器人研究所深入開展了仿生機器魚(潛水器)技術(shù)的研究，提出了“波動推進理論”及其分析方法。 2001年3月又研制了仿生“機器海豚”，并在北京航空航天人學水洞實驗室內(nèi)進行了速度功率測試實驗、魚體流動顯示實驗和魚體運動阻力測定實驗。 2001年中科院自動化所復雜系統(tǒng)與智能科學實驗室和北航機器人所聯(lián)合開展“多微小型仿生機器魚群體協(xié)作與控制的研究”。同年研制的金魚一號ROV和CR－02 AUV在云南撫仙湖水下古建筑群的考古調(diào)查中進行協(xié)助工作。 圖1.1 中科院研制的機器魚 北京航空航天大學機器人研究所于2001年3月研制成功了第一臺仿生機器魚，在此基礎(chǔ)上我國第一條可用于實際應(yīng)用的仿生機器魚——SPC-II仿生機器魚誕生了。 2004年8月在福建東山冬古灣古沉船遺志處進行了一次特別的考古實驗通常情況下確認遺址、采集圖像等考古人員親自完成的任務(wù)換做了由北航機器人研究所研制的SPC-Ⅱ機器魚來完成。(見下圖 圖1.2 北京航空航天大學的機器魚 2004年北京大學系統(tǒng)與控制研究中心開發(fā)出一系列特殊功能的機器魚，并通過實驗和理論分析得出了一系列的游動模態(tài)，實現(xiàn)了魚類的多模態(tài)運動，并在水下機器人任務(wù)分配、協(xié)作等方面取得了一系列成果。在此基礎(chǔ)之上北京大學以海豚為仿生對象，研制開發(fā)了三代機器海豚的樣機。如Robodollphin-Ⅱ。 圖1.3 北京大學研制的機器海豚 1.2 本文的論述內(nèi)容 本文首先介紹了有關(guān)魚類的游動模式的一些基本分類，并對魚類游動機理進行了簡單的概述，通過一些特征參數(shù)和描述性方程來定義魚類的運動學特征。其次，本文將有關(guān)的仿生機器魚的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀也一一羅列出來以供讀者參考。仿生機器魚具有如此大的現(xiàn)實意義及未來前景，應(yīng)該得到我們的注視。 我們通過魚類的身體結(jié)構(gòu)以及生理特征對仿生機器魚的整體功能做了簡單規(guī)劃，將其歸納為三個功能模塊即升潛模塊、轉(zhuǎn)向模塊及尾部模塊。對于重要的尾部模塊，本文對其進行了機構(gòu)的仿真分析，從理論上論證了它的可行性。整個的設(shè)計過程包括運動參數(shù)的初步確定，相關(guān)零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，重要零件的校核，以及最后的完成圖紙的繪制工作。 1.3 本章小結(jié) 本章主要介紹了有關(guān)仿生機器魚的一些發(fā)展歷史，國內(nèi)外對于魚類游動機理的一些概述，以及具體的仿生機器魚的研制作品；同時還對仿生機器魚的現(xiàn)實意義以及發(fā)展前景做了簡明扼要的論述和它的相關(guān)優(yōu)點。  第二章 仿生機器魚的運動學描述 魚類屬于脊椎動物種群，其身體的構(gòu)造是由多根脊椎骨相互連接而成，采用尾鰭推進的魚類在游動時通過其脊椎曲線的波動產(chǎn)生推進力，因此魚類的身體可以看作為由一系列的鉸鏈連接而成的擺動鏈組成，可以用鉸鏈來簡化其擺動部位。 魚類游動的仿生主要是在研究魚類的波動推進理論的基礎(chǔ)上，對魚類游動方式進行仿生，主要仿生魚類的擺動部位的波動方式。因此，我們在對魚類身體擺動部位的結(jié)構(gòu)進行簡化的基礎(chǔ)上，從魚的靜態(tài)身體特征和動態(tài)游動特征來提取特征參數(shù)，建立其數(shù)學模型魚類與游動特征相關(guān)的主要身體特征參數(shù)有： 1）擺動部分長度占身體總長度的比例（r）。 根據(jù)r由大到小可以把魚類分為鰻鱺科（如鰻鱺、黃鱔、泥鰍等）、鲹科（如鮭魚、草魚、鰱魚等）、鮪形科（如大白鯊、金槍魚等）等隨著r的減小，其游動效率增高，產(chǎn)生的游動速度增加，機動性能降低。 2）擺動部分簡化關(guān)節(jié)數(shù)（n）。 擺動關(guān)節(jié)數(shù)n越大，其身體的游動靈活性越高。 3）擺動關(guān)節(jié)各個關(guān)節(jié)之間的長度比例（L1:L2:......:Ln）。 關(guān)節(jié)長度相對短的部位，其關(guān)節(jié)密集度較高，此處柔性比較大。 4）尾鰭的形狀（圓形尾鰭、梯形尾鰭、新月形尾鰭以及不對稱尾鰭）。如海豚為新月形尾鰭，鯊魚多為不對稱尾鰭，草魚為梯形尾鰭等。 2.1 魚類運動模式分類 海洋生物中, 鯊魚、金槍魚等采用的鲹科魚類加新月形尾鰭推進模式被認為是效率最高、速度最快的推進模式, 這種推進模式還被認為是水下運動裝置的最終設(shè)計目標。采用鲹科魚類加新月形尾鰭模式游動的魚類, 在向前游動過程中尾鰭作擺動與平動的復合運動,其擺動軌跡近似正弦曲線。在游動過程中, 身體前三分之二部分幾乎保持剛性, 特別明顯的側(cè)向位移僅僅發(fā)生在尾鰭以及尾鰭與身體相連的狹窄區(qū)域(后頸部), 其良好的流線型身體可以極大地減小形體阻力, 尾鰭產(chǎn)生超過百分之九十的推進力。根據(jù)魚類游動使用的身體部位不同可以將魚類游動分為身體和／或尾鰭推進(Body and／or caudal fin propulsion，BCF)模式及中鰭和／或?qū)捦七M(Media and／or paired fin propulsion，MPF)模式大多數(shù)的魚類通過將它們的身軀彎曲成一個延伸至尾鰭的向后移動的推進波來產(chǎn)生推力，這種游動形式屬于BCF運動型。其他魚類的游動采取另外一種游動機制，它們利用奇鰭和偶鰭，屬于MPF運動型。雖然偶鰭包括胸鰭和腹鰭，后者（盡管是具有穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向的作用）對于前進的推力毫無益處，并且在現(xiàn)有文獻的分類中也沒有涉及到他們的特殊運動模式。據(jù)估計15%的魚群使用非BCF運動類型作為它們?nèi)粘；顒拥耐七M形式，然而更多數(shù)的大部分則通常將BCF模式作為推進形態(tài)，而將MPF模式用來保持穩(wěn)定和靈活。所以下文主要將對魚類的BCF運動類型進行介紹。 2.1．1 魚類的BCF波動推進模式 BCF模式通過波動身體的某部分和尾鰭，形成向后的推進波，包括鰻鱺模式、亞鲹科模式、鲹科模式、鮪魚模式和箱鲀魚科模式。大多數(shù)魚類，都采用這種推進方式。BCF模式可實現(xiàn)連續(xù)、快速、高效率的游動，在波動BCF模式下推進波以相反于整體運動的方向并高于整體游動的速度通過魚身。 1）鰻鱺模式（見下圖） 圖2.1 鰻魚 鰻鱺模式的游動方式是純波動的方式,它的大部分身體或全部的身體都參與了波動的推進,在推進的過程中波動振幅很大而且至少有一個的波長在身體上出現(xiàn),這樣波動產(chǎn)生側(cè)向力可以互相抵消。這類魚的身體細長,尾鰭也很小。 2）亞鲹科模式 圖2.2 鮭魚 亞鲹科模式的游動推進方式跟鰻鱺模式很像,它們之間最大的不同就在于后者波動振幅比前者小,而且其身體的波動部分是由身體的前1/3或1/2部分開始的。這類魚的典型代表是鮭魚，見圖2.2. 3)鲹科模式 圖2.3 鯡魚 鲹科模式的游動推進方式,其身體的波動由后l/3處開始,其推力主要由比較硬的尾鰭產(chǎn)生,這樣其側(cè)面的流體和漩渦較易形成,從而會有較少的能量損失,效率也得到了提高,游動速度比鰻鱺模式和亞鲹科模式都要快?？墒瞧洳粍拥纳眢w降低了其加速能力,同時由于側(cè)向力主要集中在尾部,身體的反作用力也將增加。 4）金槍魚模式 圖2.4 飛魚 金槍魚模式的推進方式是效率最高，速度最快的游動推進方式。由于相比之下具有高速、高效的特點,金槍魚模式的推進方式很適合用于水下航行器。目前,有多個航行器較成功的采用了這種推進方式。 2.2 鲹科結(jié)合月牙形尾鰭推進方式機理及運動學模型 在對魚類推進機理的研究過程中發(fā)現(xiàn):魚類有很多種適合自身生存條件的游動方式,圖1.2中鲹科結(jié)合月牙形尾鰭推進方式是效率最高、速度最快的推進方式,海洋中游速最快的魚類(金槍魚、海豚、鯊魚)都采用這種游動方式。該方式中推進運動限制在身體后三分之一,僅通過尾部(堅硬的月牙形尾鰭和尾柄)的運動產(chǎn)生超過90%的推力;同時魚體的形狀和重量分布保證了身體前三分之二橫向移動和轉(zhuǎn)動的極小。在游動過程中,月牙形尾鰭做橫移和左右擺動(或升沉和上下擺動)的一種復合運動,并隨著魚體前進劃出波浪形的軌跡。研究表明,月牙形尾鰭的展弦比、形狀、硬度、擺動幅度都對推進的效率產(chǎn)生影響。 由于相比之下具有高速、高效的特點,鲹科結(jié)合月牙形尾鰭推進方式很適合用于水下航行器。目前,已有多個航行器較成功的采用了這種方式。本文所進行的工作也是以這種推進方式為計算對象的。 2.2.1 鲹科結(jié)合月牙尾鰭魚類的運動學特征 鲹科結(jié)合新月形尾鰭魚類的魚體波為一波幅漸增的正弦曲線，魚體波波幅包絡(luò)線具有二次曲線特征，魚體波可通過波幅包絡(luò)線與正弦曲線的合成得到。如圖2.5所示，坐標系原點取在魚體波幅為零處，魚的游動方向為 x 軸正方向，魚體位于x軸負方向。則魚體波波幅包絡(luò)線的數(shù)學描述為： Yb（x）=（c1x+c2x2） 式中yb（x）為波幅包絡(luò)線函數(shù)； C1為線性波幅包絡(luò)線系數(shù)； C2為二次波幅包絡(luò)線系數(shù)； 魚體波波幅包絡(luò)線系數(shù) c1、c2 的數(shù)值與魚游動速度、魚體尺寸、魚游動姿態(tài)等因素有關(guān)。通過控制 c1、c2 的取值，可達到控制尾鰭擺動軸的擺幅，調(diào)整身體波波幅分布的目的。 圖2.5 魚體波及波幅包絡(luò)線 尾鰭的平動運動是由于魚體和后頸部的波動而引起的，尾鰭的平動運動產(chǎn)生主要的擊水動作。尾柄與尾鰭相連的區(qū)域可以簡化為一平面旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，尾鰭繞該關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生擺動運動，尾鰭的擺動運動主要為尾鰭的擊水動作提供合適的擊水角度。對于鲹科結(jié)合新月形尾鰭推進模式魚類，尾鰭的擺動運動和平動運動之間存在一定的相位差，該相位差對于推進力的產(chǎn)生具有重要意義。 圖2.6給出鲹科結(jié)合新月形尾鰭魚類在一維穩(wěn)態(tài)游動情況下，尾鰭在一個推進運動周期內(nèi)的軌跡。當尾鰭由平衡位置向上運動時，尾鰭與游動方向的夾角為最大值；當尾鰭平動運動幅值增大時，尾鰭與游動方向的夾角逐漸減??；當尾鰭平動運動幅值最大時（t=T/4）,尾鰭與游動方向平行；當尾鰭反向運動時，尾鰭繞自身擺動軸擺動，尾鰭與游動方向的夾角逐漸增大；當尾鰭反向運動到平衡位置時（t=T/2），尾鰭與游動方向之間的夾角達到最大值；當尾鰭反向運動到幅值最大時（t=3T/4）,尾鰭與游動方向平行。 圖2.6 尾鰭的擺動——平動復合運動 尾鰭最大擊水角度 尾鰭的擊水角度α 為尾鰭中心線與尾鰭擺動軸軌跡切線間的夾角，其中，尾鰭最大擊水角度αmax 的定義如圖2.7所示，即尾鰭擺動軸擺幅為零時，尾鰭中心線與尾鰭擺動軸軌跡切線間的夾角。 圖2.7 最大擊水角度αmax定義 實驗分析表明，當最大擊水角度maxα = 0時，尾鰭的運動不產(chǎn)生擊水動作，所受到的介質(zhì)反作用力為零，不產(chǎn)生推進力。 當最大擊水角度maxα由0逐漸增加到250時，尾鰭的中心線與尾鰭擺動軸切線間夾角逐漸增大，由于尾鰭運動產(chǎn)生的介質(zhì)反作用力在游動方向上的分量逐漸增大，產(chǎn)生的推進力逐漸增大。 當最大擊水角度αmax由25 0增加到300時，尾鰭幾乎水平的橫向擺動，在這種情況下由于尾鰭運動產(chǎn)生的介質(zhì)反作用力與游動方向幾乎垂直，在游動方向的力分量幾乎為零，不產(chǎn)生推進力。 當最大擊水角度αmax大于400時，由于尾鰭運動產(chǎn)生的介質(zhì)反作用力在魚游動方向上力分量的方向與魚的游動方向相反，尾鰭產(chǎn)生的是阻力。因此，在機器魚的設(shè)計中尾鰭最大擊水角度應(yīng)該選擇在150至250之間。 尾鰭擺動－平動運動相位差 尾鰭擺動－平動運動相位差主要通過影響尾鰭的擊水角度，進而影響尾鰭在一個推進運動周期內(nèi)的做功的性質(zhì)，決定尾鰭的運動對推進運動而言是做正功還是負功。 實驗分析表明：當尾鰭擺動－平動運動相位差ψ＝00時，尾鰭的運動在第一個1/4 周期和第三個1/4 周期內(nèi)產(chǎn)生推進力，而在第二個和第四個1/4周期內(nèi)產(chǎn)生負的推進力（推進力的方向與魚游動方向相反）。當相位差逐漸增大時，尾鰭的運動產(chǎn)生推進力的運動周期逐漸增加，在相位差ψ＝900時最大。如果繼續(xù)增加ψ值，對推進力的產(chǎn)生并無益處。因為在這種情況下會出現(xiàn)尾鰭幾乎水平地橫向擺動，以及不產(chǎn)生擊水動作等情況。 通過以上分析我們可以得到尾鰭擺動運動與平動運動的相位差為900左右，這與鲹科結(jié)合新月形尾鰭推進模式魚類游動的觀察結(jié)果一致。 尾鰭后緣擺幅 尾鰭后緣最大擺幅ATmax是描述尾鰭運動的臨界參數(shù)，如圖2.8所示，ATmax取決于以下三個參數(shù)： (1) 尾鰭擺動軸平動運動幅值 H； (2) 尾鰭擺動軸平動運動幅值最大時尾鰭繞自身擺動軸的擺角θp ； (3) 尾鰭擺動軸距尾鰭后緣的距離d f。 研究表明：尾鰭后緣最大擺幅在一維穩(wěn)態(tài)游動情況下約為 0.1 倍體長。 圖2.8 ATmax的定義 斯德魯哈爾數(shù) St 斯德魯哈爾數(shù)St是表達尾流結(jié)構(gòu)特點的參數(shù)，對于 通過尾鰭擺動游動的魚而言，其斯德魯哈爾數(shù)為 St=fATmax/U 式中 f——尾鰭擺動頻率,單位 Hz； ATmax——尾流寬度（通常取尾鰭后緣最大擺幅）； U——平均游動速度。 實驗表明，對于推進效率而言St存在一個最佳值范圍：0.250,ε-β>0，結(jié)合實際要求則有： λ-ε>100 （6) ε-β>100 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （7） 轉(zhuǎn)彎性能的影響 對仿生機器魚，轉(zhuǎn)彎通常是通過尾鰭偏中位拍動，實現(xiàn)的不對稱擺尾運動來達到的，如下圖3.4所示，尾鰭繞與體軸OH成交角ψ0的ｏｏ'對稱擺動φ 角。 圖3.4 尾鰭轉(zhuǎn)彎時的不對稱擺動 根據(jù)式(５)，尾鰭擺動規(guī)律： α(t)=Avsin（2πft）＋ψ0 此時，為了保證左右轉(zhuǎn)彎性能相同，則要求 α≤ψ0＋φ 所以，轉(zhuǎn)彎性能對機構(gòu)的約束條件是： Avsin（2πft）＋ψ0≤|α|≤|ψ0|＋φ　　　　　　　　　　　　?。ǎ福? 拍動中位角度與各連桿長度關(guān)系 奇異性是并聯(lián)機構(gòu)的固有性質(zhì)。在奇異位形附近，機構(gòu)的精度、剛性等各項性能都會變差，因此必須讓機構(gòu)在遠離奇異位形工作。機構(gòu)工作中位接近可實現(xiàn)擺動行程的中位，使得擺桿工作范圍遠離機構(gòu)奇異點，工作較穩(wěn)定。表1 列出了各桿長度對機構(gòu)可實現(xiàn)擺動中位的影響，機構(gòu)工作范圍在可實現(xiàn)范圍內(nèi)，因而，表一也表達了各桿長度對機構(gòu)工作中位的影響。表一顯示機構(gòu)擺動可達范圍中位偏離機構(gòu)的擺動中位余量滿足模擬魚類體軸中線動作的要求，同時也滿足魚類轉(zhuǎn)彎對擺動角度的要求。在機構(gòu)設(shè)計擺動角度上滿足要求，施加式(1)、(5)規(guī)定 的轉(zhuǎn)角規(guī)律進行相應(yīng)的機電控制，可以實現(xiàn)機構(gòu)的模擬魚類擺尾運動。在式(8) 的約束條件下，在表一中選擇合適的機構(gòu)參數(shù)即可以實現(xiàn)魚類轉(zhuǎn)彎的動作。 基于adams軟件的機構(gòu)仿真 為了驗證機構(gòu)的合理性以及可行性有必要對此五桿機構(gòu)進行仿真分析。擺動機構(gòu)仿真參數(shù)值見表二，可知結(jié)構(gòu)擺動變化規(guī)律為： θ（t）=πsin（4πt-π/2）/9 θ(t)ε[-200,200]　　　　　　　　?。ǎ梗? α(t)= πsin(4πt)/9 α(t)ε[-200,200]　　　　　　　　（１０） 表二 參數(shù) 數(shù)值 拍動頻率 ２ 桿CF長m/ｍ ０．３ 桿BF長ｂ／ｍ ０．１ 桿AD長ａ／ｍ ０．３５ 大小臂電動機軸間距ｄ／ｍ ０．１ 桿CD長ｐ／ｍ ０．０５ 尾鰭固定角σ０ ９００ 尾鰭面攻角角位移幅度 ２００ 尾鰭大臂與尾鰭面擺動相位之差 ９００ 開始擺動時，α（ｔ）＝０，θ（ｔ）＝０ 首先在adams中建立五桿機構(gòu)的三維模型并添加約束信息，完成之后如下圖： 圖3.5 在adams中建立五桿鉸鏈機構(gòu)的約束模型 然后對α、β、θ、ε角進行測量可得如下圖所示曲線： 圖3.6 機構(gòu)各關(guān)鍵點的角位移曲線 其中Ａ為α角的角位移曲線，Ｄ為θ角的角位移曲線，F(xiàn)為ε角的角位移曲線，B為β角的角位移曲線。 由仿真結(jié)果可知β（ｔ）的擺動中位為４２．３５０，周期為０．５ｓ?？梢钥闯?，上圖中的各個曲線均符合式（１）～（９）的描述。 本次仿真還對α及β的角速度進行了測量，測量結(jié)果如下圖所示： 圖3.7 驅(qū)動軸的角速度曲線 其中A就為α的角速度曲線，B就為β的角速度曲線。 由上圖可知，β擺動初始位置并非是擺動對稱位置，但從整個運動周期上看，擺動呈現(xiàn)周期運動狀態(tài)，運動速度平滑，無速度變化震蕩狀態(tài)，對于電動機控制來講是易于實現(xiàn)。因而機構(gòu)整體上是比較合理的。 最后，分析機構(gòu)運動各約束要求，下圖 表示兩種相位差的關(guān)系曲線： 圖3.8 約束條件中擺動相位的差值曲線 其中Ｆ－B為ε(ｔ)－β(ｔ)的曲線，Ｃ－Ｆ為λ(ｔ)－ε(ｔ)的曲線。 min(λ(ｔ)－ε(ｔ))＝２２．５０ ≥ １００　　　　　　　　　　　　(１１) min(ε(ｔ)－β(ｔ))＝２９．２０≥ １００　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(１２) 上述兩式的結(jié)果表明實際擺動位置為遠離機構(gòu)奇異點。 根據(jù)式(19) ，并結(jié)合機構(gòu)參數(shù)，則 |２０sin（４πt）＋２０|≤|２０ |＋２０ 另外，機構(gòu)擺角最大值為35.28o ，最小值為?42.51o，可達擺角的中位為?3.62o ，實際擺角中位0o ，擺動范圍為38.89o ，實際雙側(cè)擺動余量最大值為18.89o 。所以，上述設(shè)計滿足奇異性條件，橫向擺動范圍，轉(zhuǎn)彎性能對機構(gòu)的約束條件，可以滿足機構(gòu)設(shè)計的工作要求。 3.3.2 尾柄機構(gòu)驅(qū)動力矩的計算及電動機的選擇 最大負載力矩的計算 仿生機器魚的游動是由電機驅(qū)動尾柄機構(gòu)帶動尾鰭產(chǎn)生擊水拍動動作，在此過程中可以把機器魚的尾部看作是一個剛性的平板（見圖3.9），水對尾鰭產(chǎn)生的阻力矩即為需要計算的數(shù)據(jù)。 圖3.9 機器魚力矩計算模型簡圖 機器魚的尾部由最大截面積SA來替代，G點為尾部的重心，r為尾部重心到尾部轉(zhuǎn)動軸線的距離，A為尾部的擺角幅值，F(xiàn)為作用在G點的等效水動力，其最大值為Fmax。機器魚尾部按正弦規(guī)律擺動： θ=Asin2πft 式中 f——尾鰭擺動頻率； t ——時間； θ ——尾部擺角(rad)。 則尾部重心速度VG 的大小為： VG= rθ=2πfrAcos2πft 尾部所受等效水動力F 的方向與VG 方向相反，其大小為： F=CDρVG2SA/2=2CDρSA(πfrAcos2πft)2 式中CD——阻力系數(shù)； ρ ——流體密度。 則驅(qū)動尾部擺動所需關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩Tq為： Tq=F×r=2CDρSA(πfrAcos2πft) 2r 尾鰭運動到中心線位置時，cos2πft=1，Tq達到最大值Tqmax為 Tqmax=2CDρSAr3(πfA)2 驅(qū)動尾部擺動所需的最大功率Wmax為: Wmax=Tqmaxθmax =4CDρSA(πrfA)3 式中θmax——尾部擺動角速度幅值,θmax=2πfA。 根據(jù)樣機實際情況，取CD=1.1，ρ=1000kg/m3,r=0.265m,f=2.0Hz,A=π/9,SA=0.018m2,在不考慮其他阻力的情況下（魚體阻力，機械傳動的耗損）：Tqmax=6.99Nm， Wm=35.8w。 上述計算結(jié)果是在沒有考慮機械損耗的條件下給出的，考慮機械損耗，大臂電機選取鷗源公司生產(chǎn)的直流減速電機ZYT63SR作為尾柄機構(gòu)的驅(qū)動，外形尺寸如圖3.10. 圖3.10 直流減速電機外型尺寸簡圖 直流減速電機ZYT63SR部分參數(shù)： 額定電壓 24V 空載轉(zhuǎn)速 2000r/min 額定電流 2.1A 電樞電阻 2.63Ω 最大輸出轉(zhuǎn)矩 92.4kg·cm 額定功率 40W 重量 2.5kg 減速比 100 小臂電機的選擇同上。 3.4 胸鰭結(jié)構(gòu)的設(shè)計說明 魚類升潛行為方式： 1）利用魚鰾實現(xiàn) 絕大多數(shù)的魚類都具有魚漂，魚漂在魚類的沉浮運動過程中起到很重要的作用。當魚需要下沉時，由于深度的增加，魚體排開水的體積變大，浮力會阻礙魚體下沉，因此，需要將魚漂內(nèi)的氣體排出一部分，從而使浮力減小，加速下沉。當魚需要上浮時，通過向魚鰾內(nèi)充氣而使浮力變大，實現(xiàn)上浮運動。 2)快速改變身體重心實現(xiàn) 有些鯖類海洋魚類的魚鰾已經(jīng)退化，他們主要用快速游泳控制游動的深度。通過調(diào)節(jié)重心，使得魚體前傾或上仰，然后尾鰭快速擺動產(chǎn)生推力使魚體下潛或上浮。 3)利用胸鰭實現(xiàn) 鲹科中的多數(shù)魚類，由于需要快速游動，魚鰾的作用便不明顯，因此通過改變胸鰭的擺動頻率和俯仰角度來實現(xiàn)沉浮運動。 3.4.1 仿生機器魚實現(xiàn)升潛運動的方案選擇 1)儲水艙法 其工作的基本原理與魚鰾的作用相同。在機器魚體內(nèi)裝了儲水槽和水泵，通過調(diào)節(jié)儲水槽的進出水量來調(diào)節(jié)重力與浮力之間的關(guān)系，以此實現(xiàn)其上浮和下潛運動。雖然可以實現(xiàn)沉浮運動，并可以利用不同比例的進出水量實現(xiàn)精確控制沉浮深度。但該方法還存在一些問題：充水和排水比較慢、空氣壓縮量的控制方法有待研究，如何確定儲水槽尺寸及泵的型號等。 2)胸鰭法 在機器魚的胸部位置安裝一對仿生胸鰭，通過胸鰭的升力實現(xiàn)上浮下潛動作。其工作原理與飛機機翼原理類似。機器魚在游動時，由其體內(nèi)的胸鰭驅(qū)動電機改變胸鰭的運動方向，從而利用魚體與水流之間的相對運動，分解出胸鰭在垂直運動方向上的升力，然后通過調(diào)節(jié)胸鰭的傾斜角度來改變升力的大小和方向，進而實現(xiàn)機器魚的沉浮運動。但在直行游動時這種方法不能很快實現(xiàn)沉浮運動，因此胸鰭法可以作為機器魚實現(xiàn)沉浮運動的輔助方法。 3）尾鰭擺動法 機器魚通過改變尾鰭擺動的方向來產(chǎn)生推進力。同時在機器魚尾部有一個機器裝置來改變尾鰭的擊水攻角來產(chǎn)生升力，但是這種方案適用于身體薄而寬的機器魚中，同時，也適合模仿尾鰭在垂直面內(nèi)擺動的鯨豚類的運動。 4）改變重心法 在機器魚的頭部和身體上安裝機器裝置用以改變上浮下潛的運動方向和角度。其作用原理為：通過改變該機器裝置（例如配重塊）在魚體內(nèi)的位置來改變機器魚的重心位置，魚體重心的改變使得整個魚體的傾斜方向改變，推動力方向也隨之改變，得到垂直于水面的升力，以此實現(xiàn)上浮下潛運動。與胸鰭法一樣，調(diào)節(jié)重心法需要魚體有較大的水平運動速度來產(chǎn)生垂直于水平面的力。 通過以上的對比分析，發(fā)現(xiàn)儲水艙法需要安裝水箱等裝置，占用空間大，作用時間長，需要考慮防水，不適合仿生機器魚的實際情況。擺動尾鰭法適用于身體較輕并且很薄的場合。胸鰭法雖然在改變沉浮狀態(tài)上的作用不是特別明顯，但是由于實現(xiàn)方案簡單，占用空間小，因此可以作為沉浮運動的輔助方案。魚體高速游動情況下，胸鰭作為升降舵控制魚體升潛的方式能夠?qū)崿F(xiàn)靈敏的反應(yīng)速度和高效的動力學性能。胸鰭一般安排在魚體頭部附近，成對狀，攻角可調(diào)；設(shè)計中參照鲀魚的胸鰭占整個身體的比例大小和形狀，設(shè)計了具有單自由度的胸鰭。胸鰭的長度與鲀魚的體長相關(guān)， 本文設(shè)計中胸鰭的外型尺寸取值如下:胸鰭的跨長L= 112mm，它的弦長B=90mm。胸鰭的尺寸分布簡圖如圖3.11. 圖3.11 胸鰭簡圖 3.4.2 魚體重力浮力的計算 當機器魚在游動中胸鰭轉(zhuǎn)動一定角度時，由于魚的向前游動，水對胸鰭會有一定的沖力，由于這個力較小，所以要求機器魚在水中的狀態(tài)為懸浮狀態(tài)或接近懸浮狀態(tài)。既然要求機器魚在水中處于懸浮狀態(tài)，就要求密封完的機器魚重量等于或略小于魚體排水量，這里設(shè)計成略小于