上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源_水下_仿生机器水母推进理论与实验研究.pdf_大学文库

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要无人水下运载系统伴随着人类探索海洋、开发海洋逐渐加快的步伐得到了较快的发展，其中以鱼类等水生生物为推进系统仿生原型的机器正受到越来越多的关注。相比于传统的波状游动鱼类，水母具备较高的运动灵活性、环境适应性和目标隐蔽性，同时还具有高效的流场能量利用机制，适合作为海洋深潜、洋流观测、目标侦查以及武器运载等水下机器的仿生原型。关于水母推进机理的研究在近几年较为活跃，相继开发出了多种不同驱动形式的水母机器人，但目前的研究主要集中在厘米级尺度，关于直径为1米左右的中型水母研究较少。由于中型水母在工程应用中具有较为良好的前景，因此本文将通过理论分析和水下实验研究其推进机理。本文以霞水母为研究对象，对霞水母的运动机理进行了分析，描述其基本运动。考虑水母的推进运动，建立了水母钟状体收缩和舒张的动力学模型，对其进行了动力学分析，分析水母在水中推进时的受力情况，以及减少推进阻力的方法。在仿生学研究、动力学分析的基础上，设计了仿生机器水母样机，该样机采用一个伺服电机来驱动六个辅助触角，六个辅助触角的往复摆动带动覆盖在上面的硅胶外皮，从而带动类似于水母的钟状体结构的柔性硅胶实现收缩和舒张运动。应用仿真软件ADAMS,对水母六只触角组成的钟状体结构进行简化，并进行动力学分析和动力学仿真，分析机器水母触角在水中受力情况，为实验做好理论基础。对控制系统进行设计，根据动力学分析明确水母需要实现的基本运动，加工、装配得到仿生水母实验样机，对仿生机器水母样机进行调试和推进性能实验，实验分析得到了机器水母的水下的运动情况，对实验结果进行分析，获得实验数据。关键词：仿生学：机器水母：运动机理；动力学分析 -I- 万方数据

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要无人水下运载系统伴随着人类探索海洋、开发海洋逐渐加快的步伐得到了较快的发展，其中以鱼类等水生生物为推进系统仿生原型的机器正受到越来越多的关注。相比于传统的波状游动鱼类，水母具备较高的运动灵活性、环境适应性和目标隐蔽性，同时还具有高效的流场能量利用机制，适合作为海洋深潜、洋流观测、目标侦查以及武器运载等水下机器的仿生原型。关于水母推进机理的研究在近几年较为活跃，相继开发出了多种不同驱动形式的水母机器人，但目前的研究主要集中在厘米级尺度，关于直径为 1 米左右的中型水母研究较少。由于中型水母在工程应用中具有较为良好的前景，因此本文将通过理论分析和水下实验研究其推进机理。本文以霞水母为研究对象，对霞水母的运动机理进行了分析，描述其基本运动。考虑水母的推进运动，建立了水母钟状体收缩和舒张的动力学模型，对其进行了动力学分析，分析水母在水中推进时的受力情况，以及减少推进阻力的方法。在仿生学研究、动力学分析的基础上，设计了仿生机器水母样机，该样机采用一个伺服电机来驱动六个辅助触角，六个辅助触角的往复摆动带动覆盖在上面的硅胶外皮，从而带动类似于水母的钟状体结构的柔性硅胶实现收缩和舒张运动。应用仿真软件 ADAMS，对水母六只触角组成的钟状体结构进行简化，并进行动力学分析和动力学仿真，分析机器水母触角在水中受力情况，为实验做好理论基础。对控制系统进行设计，根据动力学分析明确水母需要实现的基本运动，加工、装配得到仿生水母实验样机，对仿生机器水母样机进行调试和推进性能实验，实验分析得到了机器水母的水下的运动情况，对实验结果进行分析，获得实验数据。关键词：仿生学；机器水母；运动机理；动力学分析 - I - 万方数据

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 Abstract As human's exploration and development of ocean speeds up gradually,the unmanned underwater transfer system obtains fast development.Thereinto, machines based on fish and other aquatic organisms which motion with bionic propulsion system are receiving more and more attention.Compared to the traditional wave swimming fish,jellyfish has better flexibility,environmental adaptability and concealment of the target motion,and also has the mechanism with efficient utilization of the flow field energy,is suitable for underwater prototype machine of ocean dives,observation,target detection and weapon transportation.Propulsion mechanism about jellyfish actives in recent years,the researches have developed a variety of jellyfish robots with different driving forms.But current studies mainly centralize within centimeter scale,medium sized jellyfish in Im diameter is fewer researched.Due to the good prospect in engineering application of medium sized jellyfish,this paper will research on the propulsion mechanism through the theoretical analysis and underwater experiment. With chardonnay jellyfish as the research object,this paper analysed the movement mechanism of chardonnay jellyfish,described the basic movement. Considering jellyfish propulsive movement,established the dynamic model of systolic and diastolic of bell-shaped structure,completed the dynamics analysis, analyzed the force under the underwater propulsion of jellyfish,and the method of decreasing the drag of propulsion. In bionics research,based on the analysis of the dynamics,jellyfish,designed the virtual prototype machine.The virtual prototype uses a servo motor to drive the six auxiliary tentacles,the six auxiliary antenna drive silicone skin cover with reciprocating swing,thus promote the bell-shaped structure similar to the jellyfish achieving the flexible silicone systolic and diastolic motion.Simulation software ADAMS was applied to simplified bell-shaped structure,and to complete the kinematics analysis,dynamics simulation,force situation analysis of machine jellyfish tentacles in the water,and to provide theoretical basis for the experiment. Designed the control system,based on the analysis of dynamics cleared the basic movement to implement.Machined and assemblied the bionic jellyfish experimental prototype,debugged and promoted the performance of the bionic machine jellyfish prototype experiments,Got the machine jellyfish underwater movement situation based on the experimental analysis.Results of the experiment were analyzed,and the experimental datas were obtained. 万方数据

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 Abstract As human’s exploration and development of ocean speeds up gradually, the unmanned underwater transfer system obtains fast development. Thereinto, machines based on fish and other aquatic organisms which motion with bionic propulsion system are receiving more and more attention. Compared to the traditional wave swimming fish, jellyfish has better flexibility, environmental adaptability and concealment of the target motion, and also has the mechanism with efficient utilization of the flow field energy, is suitable for underwater prototype machine of ocean dives, observation, target detection and weapon transportation. Propulsion mechanism about jellyfish actives in recent years, the researches have developed a variety of jellyfish robots with different driving forms. But current studies mainly centralize within centimeter scale, medium sized jellyfish in 1m diameter is fewer researched. Due to the good prospect in engineering application of medium sized jellyfish, this paper will research on the propulsion mechanism through the theoretical analysis and underwater experiment. With chardonnay jellyfish as the research object, this paper analysed the movement mechanism of chardonnay jellyfish, described the basic movement. Considering jellyfish propulsive movement, established the dynamic model of systolic and diastolic of bell-shaped structure, completed the dynamics analysis, analyzed the force under the underwater propulsion of jellyfish, and the method of decreasing the drag of propulsion. In bionics research, based on the analysis of the dynamics, jellyfish, designed the virtual prototype machine. The virtual prototype uses a servo motor to drive the six auxiliary tentacles, the six auxiliary antenna drive silicone skin cover with reciprocating swing, thus promote the bell-shaped structure similar to the jellyfish achieving the flexible silicone systolic and diastolic motion. Simulation software ADAMS was applied to simplified bell-shaped structure, and to complete the kinematics analysis, dynamics simulation, force situation analysis of machine jellyfish tentacles in the water, and to provide theoretical basis for the experiment. Designed the control system, based on the analysis of dynamics cleared the basic movement to implement. Machined and assemblied the bionic jellyfish experimental prototype, debugged and promoted the performance of the bionic machine jellyfish prototype experiments, Got the machine jellyfish underwater movement situation based on the experimental analysis. Results of the experiment were analyzed, and the experimental datas were obtained. - II - 万方数据

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文目录摘要 ....................................................................................................................I Abstract ................................................................................................................. II 第 1 章绪论 .........................................................................................................1 1.1 课题研究背景目的和意义 ......................................................................1 1.2 国内外研究现状 .....................................................................................2 1.2.1 国外研究现状 .............................................................................2 1.2.2 国内研究现状 .............................................................................6 1.2.3 现有研究存在的不足 ...................................................................9 1.3 本课题主要研究内容 ..............................................................................9 第 2 章机器水母仿生学基础及动力学模型 .................................................... 11 2.1 仿生水母运动机理及参数描述 ............................................................ 11 2.1.1 水下推进模式及分类 ................................................................. 11 2.1.2 仿生水母推进模式分析及参数描述 ........................................ 13 2.2 运动学分析及仿真 ............................................................................... 15 2.3 仿生机器水母动力学模型建立 ........................................................... 18 2.4 机器水母受力分析及减阻设计 ........................................................... 21 2.5 本章小结 .............................................................................................. 21 第 3 章机器水母的本体结构设计与分析 ........................................................ 22 3.1 仿生水母本体结构设计思想 ................................................................ 22 3.2 推进及动力传动机构设计 .................................................................... 24 3.2.1 推进触角机构设计 ..................................................................... 24 3.2.2 触角运动学分析与仿真 ............................................................. 26 3.2.3 触角动力学仿真 ......................................................................... 30 3.2.4 动力传动机构设计 .................................................................... 34 3.3 转向机构设计 ...................................................................................... 37 3.4 其他部件设计 ....................................................................................... 38 3.4.1 壳体和密封设计 ......................................................................... 38 3.4.2 硅胶外皮连接设计 ..................................................................... 39 3.5 伺服电机电机功率计算及电机选型 .................................................... 39 3.5.1 电机功率计算 ........................................................................... 39 - IV - 万方数据

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 3.5.2 选择伺服电机及其减速器 ........................................................ 40 3.6 水母重力及浮力计算 ............................................................................ 41 3.7 本章小结 ............................................................................................... 43 第 4 章机器水母推进性能实验研究 ................................................................ 44 4.1 引言 ....................................................................................................... 44 4.2 仿生水母实验系统 ............................................................................... 44 4.3 仿生水母控制系统设计 ........................................................................ 45 4.3.1 伺服电机控制电路 .................................................................... 45 4.3.2 步进电机控制电路 .................................................................... 46 4.3.3 水母机器人的控制过程 ............................................................ 46 4.4 仿生水母实验内容及结果分析 ............................................................ 47 4.4.1 仿生水母调试实验 ..................................................................... 48 4.4.2 仿生水母水下推进性能测试实验 ............................................. 49 4.4.3 实验结果分析 ............................................................................ 52 4.5 本章小结 ............................................................................................... 52 结论 ..................................................................................................................... 53 参考文献 ............................................................................................................. 54 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 ............................................. 57 致谢 ................................................................................................................. 58 - V - 万方数据

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第1章绪论 1.1课题研究背景目的和意义本课题来源于国家自然科学基金（鲹科鱼类游动中的被动动力效应研究， No.50905040). 水中的生物经过不断的进化，具备了可以适应各种水下环境的运动能力。由于传统的水下机器人具有效率低、噪音大等问题山，近年来仿生学的研究越来越受到重视，而水下生物的仿生研究是仿生学的一个重要的分支，受到的关注也越来越多。通过对仿生学的研究，很多生物原理应用到工程实践，使仿生机器人技术得到很快的发展)。人们通过研究水下生物的运动机理及特点，将其运用到水下机器人中，用以解决水下机器人运动速度慢、效率低等难题，从而达到使水下机器人变得更灵活、推进效率更高4鬥。国内外学者对水下生物的运动机理的研究，不仅使水下机器人的研究有了飞速的发展，同时对工程上的一些实际问题的研究有实际的工程意义，如实现快速高效的推进、具有高灵活性、减少噪声。对于水下机器人，人们期望的目标是其具有效率高、速度快等优点，因此很多人开始对鱼类加以仿生研究，并制作机器鱼样机，研究鱼的运动规律和水动力学理论。通过研究鱼类的动力学理论，己经研制出很多机器鱼，可以在水中实现游动，但游动速度和灵活性还远不能和鱼相比，仿生水下机器人还有待进一步的研究。相对于鱼类的摆动，水母的喷射推进运动逐渐引起了人们的注意。水母作为一种无脊椎动物，其游动的平稳性和灵活性给人们带来了灵感，人们开始对以水母为仿生原型的水下仿生机器人加以研究。相比于鱼类，水母具有体积小、重量轻、柔性大、低代谢率，能够有效地利用水流被动游动等特点，利用这些特点人们开始对仿生水母的研究产生了兴趣，对不同类型的水母进行仿生研究，设计研究出仿生水母机器人[。对仿生机器水母的研究成果在实际项目和军事等方面有很重要的应用。仿生机器水母的特点是对于条件复杂的水下，其可以长时间的游动作业，同时由于仿生机器水母具有内部空间大的特点，可以携带很多传感装置和侦查设备，运用到海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等许多场合。在军事方面，机器水母相对于其他水下机器人具有更强的隐蔽性，仿生机器水母具有自身 -1- 万方数据

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第 1 章绪论 1.1 课题研究背景目的和意义本课题来源于国家自然科学基金(鲹科鱼类游动中的被动动力效应研究， No.50905040)。水中的生物经过不断的进化，具备了可以适应各种水下环境的运动能力。由于传统的水下机器人具有效率低、噪音大等问题 [1] ，近年来仿生学的研究越来越受到重视，而水下生物的仿生研究是仿生学的一个重要的分支，受到的关注也越来越多[2] 。通过对仿生学的研究，很多生物原理应用到工程实践，使仿生机器人技术得到很快的发展[3] 。人们通过研究水下生物的运动机理及特点，将其运用到水下机器人中，用以解决水下机器人运动速度慢、效率低等难题，从而达到使水下机器人变得更灵活、推进效率更高[4] 。国内外学者对水下生物的运动机理的研究，不仅使水下机器人的研究有了飞速的发展，同时对工程上的一些实际问题的研究有实际的工程意义，如实现快速高效的推进、具有高灵活性、减少噪声[5] 。对于水下机器人，人们期望的目标是其具有效率高、速度快等优点，因此很多人开始对鱼类加以仿生研究，并制作机器鱼样机，研究鱼的运动规律和水动力学理论。通过研究鱼类的动力学理论，已经研制出很多机器鱼，可以在水中实现游动，但游动速度和灵活性还远不能和鱼相比，仿生水下机器人还有待进一步的研究。相对于鱼类的摆动，水母的喷射推进运动逐渐引起了人们的注意。水母作为一种无脊椎动物，其游动的平稳性和灵活性给人们带来了灵感，人们开始对以水母为仿生原型的水下仿生机器人加以研究[2] 。相比于鱼类，水母具有体积小、重量轻、柔性大、低代谢率，能够有效地利用水流被动游动等特点，利用这些特点人们开始对仿生水母的研究产生了兴趣，对不同类型的水母进行仿生研究，设计研究出仿生水母机器人[6] 。对仿生机器水母的研究成果在实际项目和军事等方面有很重要的应用。仿生机器水母的特点是对于条件复杂的水下，其可以长时间的游动作业，同时由于仿生机器水母具有内部空间大的特点，可以携带很多传感装置和侦查设备，运用到海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等许多场合。在军事方面，机器水母相对于其他水下机器人具有更强的隐蔽性，仿生机器水母具有自身 - 1 - 万方数据

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文噪声低，游动速度较慢，在实际侦测中不易被发现等特点，这极有利于隐蔽，可以应用在隐蔽性较强的场合可。由于仿生机器水母有这些优点人们开始重视加强仿生机器水母的研制，已经研制出了一些仿生水母机器人样机。但国内外对水母推进机理和实验研究还处于发展阶段，水母推进的基础理论还有待完善，制作出的水母样机的推进效率和很多性能指标还远没有达到要求，因此，对仿生机器水母进行进一步的理论和实验研究具有重要的意义。 1.2国内外研究现状 1.2.1国外研究现状国外对仿生机器鱼的研究起步比较早，在1994年，麻省理工大学成功研制出了第一条仿生金枪鱼，而随着仿生学的发展，人们开始关注并研制仿生机器鱼样机，尤其是美国和日本研究的比较早，同时研究成果也很好。他们研制的这些机器鱼采用的尾鳍推进和胸鳍推进两种模式，用于水下勘测和侦查，很好的促进了仿生水下机器人的研究)。美国作为仿生机器鱼研制较早的国家之一，对鱼类在水下的游动模式和水动力学理论展开了研究。麻省理工大学、佛罗里达大学、加州大学等大学分别根据鱼类游动的仿生研制出了不同的机器鱼样机，其中比较有代表性的是麻省理工大学的三代仿生鱼。麻省理工大学在1994年研制出了第一代仿生金枪鱼RoboTuna,如图 1-l()所示，它是由六台直流伺服电机驱动，通过摆动身体后部和尾鳍来实现向前推进，速度可达2m/s,推进效率很高。 a)第一代仿生金枪鱼RoboTuna b)改进版RoboPike 图1-1麻省理工大学的前两代仿生鱼8) 在1995年，他们继续仿生鱼的研究，研制了改进版的RoboPike,如图 1-1(b)所示，采用玻璃纤维弹簧来做身体，其柔性可以避免撞击带来的破坏， -2- 万方数据

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文噪声低，游动速度较慢，在实际侦测中不易被发现等特点，这极有利于隐蔽，可以应用在隐蔽性较强的场合[7] 。由于仿生机器水母有这些优点人们开始重视加强仿生机器水母的研制，已经研制出了一些仿生水母机器人样机。但国内外对水母推进机理和实验研究还处于发展阶段，水母推进的基础理论还有待完善，制作出的水母样机的推进效率和很多性能指标还远没有达到要求，因此，对仿生机器水母进行进一步的理论和实验研究具有重要的意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状国外对仿生机器鱼的研究起步比较早，在 1994 年，麻省理工大学成功研制出了第一条仿生金枪鱼，而随着仿生学的发展，人们开始关注并研制仿生机器鱼样机，尤其是美国和日本研究的比较早，同时研究成果也很好。他们研制的这些机器鱼采用的尾鳍推进和胸鳍推进两种模式，用于水下勘测和侦查，很好的促进了仿生水下机器人的研究[5] 。美国作为仿生机器鱼研制较早的国家之一，对鱼类在水下的游动模式和水动力学理论展开了研究。麻省理工大学、佛罗里达大学、加州大学等大学分别根据鱼类游动的仿生研制出了不同的机器鱼样机，其中比较有代表性的是麻省理工大学的三代仿生鱼。麻省理工大学在 1994 年研制出了第一代仿生金枪鱼 RoboTuna，如图 1-1(a)所示，它是由六台直流伺服电机驱动，通过摆动身体后部和尾鳍来实现向前推进，速度可达 2m/s，推进效率很高。 a)第一代仿生金枪鱼 RoboTuna b)改进版 RoboPike 图 1-1 麻省理工大学的前两代仿生鱼[8] 在 1995 年，他们继续仿生鱼的研究，研制了改进版的 RoboPike，如图 1-1(b)所示，采用玻璃纤维弹簧来做身体，其柔性可以避免撞击带来的破坏， - 2 - 万方数据