上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（论文资料）水下仿生_2007-两关节机器鱼本体及动力学研究.pdf_大学文库

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要目前，仿生机器鱼己成为仿生科研领域的一个研究热点，其中仿鲹科加新月形尾鳍推进模式的机器鱼由于具备能源利用率高，推进速度快，适于长时间、大范围的水下作业等特点，成为研究的重点。仿鱼水下推进技术对海洋考察、救生以及军事领域具有很高的应用价值。本课题依托国家自然科学基金项目“仿鱼鳍水下推进器的理论与实验研究”，开展了对两关节机器鱼本体和动力学的研究。以鲹科加新月形尾鳍推进模式鱼类为研究对象，分析了鱼体和尾鳍运动特征，归纳出了机器鱼可以采用的三种转弯方式和五种升潜方式，建立了鲹科加新月形尾鳍推动模式鱼类一维稳态游动的运动学模型，并对鱼类游动过程中的阻力和减阻机制进行了分析。选取两关节机器鱼为研究对象，建立了鱼体水动力和尾鳍水动力的计算模型。应用Lagrange方程，建立了两关节机器鱼无升潜游动动力学数学模型和推进效率的数学模型。采用仿真软件ADAMS,建立了两关节机器鱼的虚拟样机，进行了动力学仿真，研究了鱼体摆动特性和机器鱼质量分布以及尾部摆动频率之间的关系，分析了鱼体摆动对尾鳍运动参数的影响，提出了三种抑制鱼体摆动的方法。以鲹科加新月形尾鳍推进模式的鱼类仿生学研究成果和两关节机器鱼动力学仿真结果为基础，采用模块化设计思想，设计了具有尾部模块和升潜模块的仿生机器鱼“HRF-IⅡ”。对“HRF-Ⅱ”直线推进、转弯、升潜和逆向游动的三维动作进行了水下试验。通过实验论证了尾鳍摆动频率对机器鱼推进速度的影响，进行了机器鱼的惯性前进转弯、静止转弯实验，进行了机器鱼无推进速度和有推进速度两种情况下的上升、下潜实验，并进行了机器鱼逆向游动实验。关键词仿生机器鱼；动力学分析：动力学仿真 -I-

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要目前，仿生机器鱼已成为仿生科研领域的一个研究热点，其中仿鲹科加新月形尾鳍推进模式的机器鱼由于具备能源利用率高，推进速度快，适于长时间、大范围的水下作业等特点，成为研究的重点。仿鱼水下推进技术对海洋考察、救生以及军事领域具有很高的应用价值。本课题依托国家自然科学基金项目“仿鱼鳍水下推进器的理论与实验研究”，开展了对两关节机器鱼本体和动力学的研究。以鲹科加新月形尾鳍推进模式鱼类为研究对象，分析了鱼体和尾鳍运动特征，归纳出了机器鱼可以采用的三种转弯方式和五种升潜方式，建立了鲹科加新月形尾鳍推动模式鱼类一维稳态游动的运动学模型，并对鱼类游动过程中的阻力和减阻机制进行了分析。选取两关节机器鱼为研究对象，建立了鱼体水动力和尾鳍水动力的计算模型。应用 Lagrange 方程，建立了两关节机器鱼无升潜游动动力学数学模型和推进效率的数学模型。采用仿真软件 ADAMS，建立了两关节机器鱼的虚拟样机，进行了动力学仿真，研究了鱼体摆动特性和机器鱼质量分布以及尾部摆动频率之间的关系，分析了鱼体摆动对尾鳍运动参数的影响，提出了三种抑制鱼体摆动的方法。以鲹科加新月形尾鳍推进模式的鱼类仿生学研究成果和两关节机器鱼动力学仿真结果为基础，采用模块化设计思想，设计了具有尾部模块和升潜模块的仿生机器鱼“HRF-Ⅱ”。对“HRF-Ⅱ”直线推进、转弯、升潜和逆向游动的三维动作进行了水下试验。通过实验论证了尾鳍摆动频率对机器鱼推进速度的影响，进行了机器鱼的惯性前进转弯、静止转弯实验，进行了机器鱼无推进速度和有推进速度两种情况下的上升、下潜实验，并进行了机器鱼逆向游动实验。关键词仿生机器鱼；动力学分析；动力学仿真 - I -

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract At the present time,the robot fish always is a focus in the bionic research field.People pay more attention to the research of the thunniform mode robot fish,which has high capabilities of propulsion and high maneuverability.The robot fish could be used in the underwater environment for a long time,with wide-range performance.Moreover,it can be used for the ocean observation,life saving and military areas.It has very high value of application.Depends on the National Natural Science Fund,the entity research and dynamic analyze of the two-joint robot fish are developed in this paper. Take the thunniform mode fish as the research target,the movement of the fish body and the tail fin are analyzed.Three ways of turning and five ways of up and down movement of the robot fish are given.The kinematic model of the thunniform mode fish during steady swimming in one dimension is developed. The drag force of the fish and the way they reduce the drag force are analyzed. Take the two-joint robot fish as the research target,the hydrodynamic force models of the fish body and the tail fin of the two-joint robot fish are developed. The dynamic and efficiency models of the two-joint robot fish in no up and down swimming are developed base on the Lagrange equation. The dynamic simulation of the robot fish is done by the ADAMS software, and the relation between the swing of the fish body and the mass distribution of the robot fish is analyzed.And also the relation between the swing of the fish body and the swing frequency of the tail is analyzed.The impact of the swing of the fish body and on the kinematic parameters of the tail fin is analyzed too. Three ways to restrain the swing of the fish body are presented. Base on the bionic research of the thunniform mode fish and the conclusion of the dynamic simulation of the two-joint robot fish,the robot fish"HRF-II"is developed.There are two modules in this new robot fish,the tail module is used to realize forward swimming,and the other module is used to realize the up and down movement.These two modules are separate with each other The linear swimming,swerve and the up and down movement of the robot fish "HRF-II"are carried on in the submarine experiment.The test proves that -Ⅱ-

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract At the present time, the robot fish always is a focus in the bionic research field. People pay more attention to the research of the thunniform mode robot fish, which has high capabilities of propulsion and high maneuverability. The robot fish could be used in the underwater environment for a long time, with wide-range performance. Moreover, it can be used for the ocean observation, life saving and military areas. It has very high value of application. Depends on the National Natural Science Fund, the entity research and dynamic analyze of the two-joint robot fish are developed in this paper. Take the thunniform mode fish as the research target, the movement of the fish body and the tail fin are analyzed. Three ways of turning and five ways of up and down movement of the robot fish are given. The kinematic model of the thunniform mode fish during steady swimming in one dimension is developed. The drag force of the fish and the way they reduce the drag force are analyzed. Take the two-joint robot fish as the research target, the hydrodynamic force models of the fish body and the tail fin of the two-joint robot fish are developed. The dynamic and efficiency models of the two-joint robot fish in no up and down swimming are developed base on the Lagrange equation. The dynamic simulation of the robot fish is done by the ADAMS software, and the relation between the swing of the fish body and the mass distribution of the robot fish is analyzed. And also the relation between the swing of the fish body and the swing frequency of the tail is analyzed. The impact of the swing of the fish body and on the kinematic parameters of the tail fin is analyzed too. Three ways to restrain the swing of the fish body are presented. Base on the bionic research of the thunniform mode fish and the conclusion of the dynamic simulation of the two-joint robot fish, the robot fish “HRF-Ⅱ” is developed. There are two modules in this new robot fish, the tail module is used to realize forward swimming, and the other module is used to realize the up and down movement. These two modules are separate with each other. The linear swimming, swerve and the up and down movement of the robot fish “HRF-Ⅱ” are carried on in the submarine experiment. The test proves that - II -

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要...............................................................................................................................I Abstract ....................................................................................................................... II 第 1 章绪论................................................................................................................ 1 1.1 引言................................................................................................................... 1 1.2 仿生机器鱼的分类及特点............................................................................... 2 1.2.1 鱼类推进模式分类及特点........................................................................ 2 1.2.2 仿生机器鱼的主要特点............................................................................ 4 1.3 仿生机器鱼本体国内外研究现状................................................................... 4 1.3.1 国外仿生机器鱼本体研究现状................................................................ 4 1.3.2 国内仿生机器鱼本体研究现状................................................................ 7 1.4 仿生机器鱼水动力学国内外研究现状........................................................... 8 1.5 本课题的研究目标和研究内容..................................................................... 10 第 2 章仿鲹科加新月尾鳍机器鱼仿生学基础...................................................... 12 2.1 引言................................................................................................................. 12 2.2 仿生机器鱼运动机理及参数描述................................................................. 12 2.2.1 鱼体运动.................................................................................................. 12 2.2.2 尾鳍运动.................................................................................................. 13 2.2.3 运动学基本参数...................................................................................... 14 2.2.4 转向运动.................................................................................................. 16 2.2.5 升潜运动.................................................................................................. 17 2.3 仿生机器鱼运动学模型................................................................................. 17 2.4 鱼类的受力分析及减阻机制......................................................................... 20 2.5 本章小结......................................................................................................... 21 第 3 章两关节机器鱼动力学建模与仿真.............................................................. 22 3.1 引言................................................................................................................. 22 3.2 两关节机器鱼无升潜游动动力学建模......................................................... 22 3.2.1 研究对象的选取和一些假设.................................................................. 22 3.2.2 坐标系的建立和广义坐标的选取.......................................................... 23 3.2.3 机器鱼水动力分析.................................................................................. 24 - IV -

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3.2.4 无升潜游动动力学数学模型建立.......................................................... 27 3.3 两关节机器鱼动力学仿真............................................................................. 30 3.3.1 两关节机器鱼虚拟样机的建立.............................................................. 30 3.3.2 机器鱼推进速度仿真.............................................................................. 33 3.3.3 鱼体摆动特性研究.................................................................................. 33 3.3.4 抑制鱼体摆动的方法研究...................................................................... 36 3.4 本章小结......................................................................................................... 39 第 4 章两关节机器鱼本体设计.............................................................................. 40 4.1 引言................................................................................................................. 40 4.2 两关节机器鱼本体设计基本思想................................................................. 40 4.3 尾部模块设计................................................................................................. 41 4.3.1 尾部模块基本原理.................................................................................. 41 4.3.2 尾部动力估计及电机功率计算.............................................................. 42 4.4 升潜模块设计................................................................................................. 44 4.4.1 升潜模块基本原理.................................................................................. 44 4.4.2 升潜模块动力估计及电机功率计算...................................................... 46 4.5 机器鱼重力和浮力的计算以及配重的实现................................................. 47 4.6 本章小结......................................................................................................... 48 第 5 章两关节机器鱼水下运动实验分析.............................................................. 49 5.1 引言................................................................................................................. 49 5.2 机器鱼水下实验内容及结果分析................................................................. 49 5.2.1 机器鱼直线推进实验及结果分析.......................................................... 50 5.2.2 机器鱼转向实验及结果分析.................................................................. 51 5.2.3 机器鱼升潜实验及结果分析.................................................................. 52 5.2.4 机器鱼逆向游动实验及结果分析.......................................................... 52 5.3 本章小结......................................................................................................... 53 结论............................................................................................................................ 54 参考文献.................................................................................................................... 56 攻读学位期间发表的学术论文................................................................................ 60 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明............................................................ 61 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书............................................................ 61 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理................................................................ 61 致谢............................................................................................................................ 62 - V -

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论 1.1引言仿生学是20世纪60年代出现的一门综合性边缘学科，它由生命科学与工程技术科学相互渗透、相互结合而成。仿生学将有关生物学原理应用到工程系统的研究中，尤其对当今日益发展的仿生机器人科学起到了极大的推动作用。近年来，人们把目光对准了自然界，力求从丰富多彩的鱼类身上获得灵感，将它们的运动机理和行为方式运用到对水下机器人运动机理和控制的研究中，以提高水下机器人的推进效率和速度山。国内外学者对鱼类运动机理的研究，不仅对理解生物的适应和进化有重要意义，而且在工程上使如何实现高效推进、高机动性和稳定性、剪切流动控制、低噪声等系列问题得到有益的启示☑。长期生活在水下的鱼类，经过多年的进化，形成了十分完备的游动性能和器官。水下推进器的设计目标希望具有效率高、速度快、灵活性好等优点，而鱼类游动恰好具有这些优点，从而在世界范围内兴起了仿生机器鱼研究的热潮。海洋生物中，鲨鱼、金枪鱼等采用的鲹科加新月尾鳍推进模式被认为是效率最高、速度最快的推进模式，这种推进模式还被认为是水下运动装置的最终设计目标)。利用鱼类的游动推进机理实现水下潜器和水下机器人推进的想法伴随着仿生学、材料学、自动控制理论、图像处理等学科的发展将成为现实4。仿生机器鱼的研究成果可以在很多领域得到应用。仿生机器鱼可以进行长时间、大范围、工况较复杂的水下作业，可以用于机动性能要求较高的场合，也可以进行海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等等许多场合。军事方面，可以应用在隐蔽性较强的场合。由于仿生机器鱼在声纳上的表现形式和生物鱼类几乎相同，并且仿生机器鱼具有噪声低，对环境扰动小，敌方不容易发现等特点，这极有利于隐蔽。鉴于仿生机器鱼的诸多优点，国内外学者越来越重视新型仿生机器鱼的研究与开发，取得了很多阶段性的成果，设计了各种各样的机器鱼样机。但是，在基础理论和试验研究上仍有很多问题没有解决，机器鱼样机的性能指标远没有达到真鱼的水平。因此，进一步开展深入的理论和试验研究具有重要的意义。 -1-

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论 1.1 引言仿生学是 20 世纪 60 年代出现的一门综合性边缘学科，它由生命科学与工程技术科学相互渗透、相互结合而成。仿生学将有关生物学原理应用到工程系统的研究中，尤其对当今日益发展的仿生机器人科学起到了极大的推动作用。近年来，人们把目光对准了自然界，力求从丰富多彩的鱼类身上获得灵感，将它们的运动机理和行为方式运用到对水下机器人运动机理和控制的研究中，以提高水下机器人的推进效率和速度[1]。国内外学者对鱼类运动机理的研究，不仅对理解生物的适应和进化有重要意义，而且在工程上使如何实现高效推进、高机动性和稳定性、剪切流动控制、低噪声等系列问题得到有益的启示[2]。长期生活在水下的鱼类，经过多年的进化，形成了十分完备的游动性能和器官。水下推进器的设计目标希望具有效率高、速度快、灵活性好等优点，而鱼类游动恰好具有这些优点，从而在世界范围内兴起了仿生机器鱼研究的热潮。海洋生物中,鲨鱼、金枪鱼等采用的鲹科加新月尾鳍推进模式被认为是效率最高、速度最快的推进模式,这种推进模式还被认为是水下运动装置的最终设计目标[3]。利用鱼类的游动推进机理实现水下潜器和水下机器人推进的想法伴随着仿生学、材料学、自动控制理论、图像处理等学科的发展将成为现实[4]。仿生机器鱼的研究成果可以在很多领域得到应用。仿生机器鱼可以进行长时间、大范围、工况较复杂的水下作业，可以用于机动性能要求较高的场合，也可以进行海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等等许多场合。军事方面，可以应用在隐蔽性较强的场合。由于仿生机器鱼在声纳上的表现形式和生物鱼类几乎相同，并且仿生机器鱼具有噪声低，对环境扰动小，敌方不容易发现等特点，这极有利于隐蔽[5]。鉴于仿生机器鱼的诸多优点，国内外学者越来越重视新型仿生机器鱼的研究与开发，取得了很多阶段性的成果，设计了各种各样的机器鱼样机。但是，在基础理论和试验研究上仍有很多问题没有解决，机器鱼样机的性能指标远没有达到真鱼的水平。因此，进一步开展深入的理论和试验研究具有重要的意义。 - 1 -