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_2008-机器鱼柔性脊骨的仿真和实验研究.pdf_大学文库

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要近年来，由于仿生机器鱼可以进行长时间、大范围、较复杂工况的水下作业，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许多场合，所以，具有快速、高效巡航游动以及高机动性鲹科鱼类引起了国内外学术界的广泛关注。本课题依托国家自然基金项目 “仿鱼鳍水下推进器的理论与实验研究”，对鲹科推进模式鱼类的仿生机器鱼进行运动学模型的建立和新型柔性脊骨结构的设计分析。本文进行了鲹科鱼运动学的理论研究和柔性脊骨的优化设计。以鲹科推进模式鱼类为研究对象，将鲤鱼作为鲹科鱼的代表，取其游动图像进行处理和分析，建立机器鱼一维稳态直线游动的运动学模型。并借助Matlab软件对该运动模型进行仿真分析和验证。以机器鱼一维稳态直线游动的运动学模型为基础，采用参数优化设计方法，对鲹科推进模式机器鱼的柔性脊骨结构进行优化设计。根据参数优化设计，得出柔性脊骨比刚性脊骨能够更好复现运动学模型曲线的优越性。在理论分析和优化设计的基础上，对柔性脊骨进行了仿真分析和实验研究。运用ANSYS有限元分析软件，依据六关节柔性脊骨的优化设计尺寸，建立有限元模型，并分析其摆动姿态和力学性能。通过变形姿态分析，验证了柔性脊骨有限元模型能够正确的复现运动学模型。通过静力分析，改进了柔性脊骨的厚度尺寸序列。通过瞬态动力学分析，得到机器鱼柔性脊骨侧向位移和弹性回复力的动态关系特性。依据理论分析和仿真分析的结果，设计加工了柔性脊骨实体，并对其进行了变形姿态和静力实验。通过实验验证了本文运动学模型、优化设计和仿真分析的正确性和合理性。本文通过理论研究、优化设计、仿真分析和实验研究相结合的研究方法，建立了鲹科鱼类的运动学模型，得到了机器鱼柔性脊骨的优化结构及其相关变形和力学特性，为机器鱼的后续研究打下了基础。关键词柔性脊骨：运动学模型：参数优化设计：仿真分析 -I-

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I - 摘要近年来，由于仿生机器鱼可以进行长时间、大范围、较复杂工况的水下作业，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许多场合，所以，具有快速、高效巡航游动以及高机动性鲹科鱼类引起了国内外学术界的广泛关注。本课题依托国家自然基金项目 “仿鱼鳍水下推进器的理论与实验研究”，对鲹科推进模式鱼类的仿生机器鱼进行运动学模型的建立和新型柔性脊骨结构的设计分析。本文进行了鲹科鱼运动学的理论研究和柔性脊骨的优化设计。以鲹科推进模式鱼类为研究对象，将鲤鱼作为鲹科鱼的代表，取其游动图像进行处理和分析，建立机器鱼一维稳态直线游动的运动学模型。并借助 Matlab 软件对该运动模型进行仿真分析和验证。以机器鱼一维稳态直线游动的运动学模型为基础，采用参数优化设计方法，对鲹科推进模式机器鱼的柔性脊骨结构进行优化设计。根据参数优化设计，得出柔性脊骨比刚性脊骨能够更好复现运动学模型曲线的优越性。在理论分析和优化设计的基础上，对柔性脊骨进行了仿真分析和实验研究。运用 ANSYS 有限元分析软件，依据六关节柔性脊骨的优化设计尺寸，建立有限元模型，并分析其摆动姿态和力学性能。通过变形姿态分析，验证了柔性脊骨有限元模型能够正确的复现运动学模型。通过静力分析，改进了柔性脊骨的厚度尺寸序列。通过瞬态动力学分析，得到机器鱼柔性脊骨侧向位移和弹性回复力的动态关系特性。依据理论分析和仿真分析的结果，设计加工了柔性脊骨实体，并对其进行了变形姿态和静力实验。通过实验验证了本文运动学模型、优化设计和仿真分析的正确性和合理性。本文通过理论研究、优化设计、仿真分析和实验研究相结合的研究方法，建立了鲹科鱼类的运动学模型，得到了机器鱼柔性脊骨的优化结构及其相关变形和力学特性，为机器鱼的后续研究打下了基础。关键词柔性脊骨；运动学模型；参数优化设计；仿真分析

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract At the present time,the swimming theory of the fish that has the ability of quick speed and high efficiency on swimming is a focus of the researcher.The fish-like submarine propeller could be used in the underwater environment for a long time,wide-range and complex condition.Moreover,it can be used on the situation for high flexibility request,the research on the ocean life,ocean observation and life saving.It has very high value of application.Depends on the National Natural Science Fund,the research of simulation and experimentation on flexible spine of the fish-like robot are developed in this paper. The research of the thunniform mode fish and optimization of the flexible spine is analyzed at first.The research object of this paper is the thunniform mode fish.Depends on the picture disposal of the swimming carp and analyzing, the kinematic model of this propulsion mode is set up.Using engineering and numerical analysis software Matlab for simulations of the model are carried out, so as to prove the rightness of the kinematic model.Based on the kinematic model,the optimization design of the flexible spine's three-dimensional size is carried out with the method of the parameter optimization.From the result of the parameter optimization,the conclusion of flexible spine can be better close to the theory curve than the rigidity spine can be got. Depends on the analyzing of kinematics and optimization,the simulating analyzing and experimenting is carried out.Using software ANSYS for finite element simulation analyzing,based on the optimization design size of six link flexible spine,build the finite element simulation model and analyze the moving pose and force capability of the flexible spine.Depends on the analyzing,the finite element simulation model of the flexible spine can be moving as same as the kinematic model could be proved.By static analyzing,the thickness of every link of the flexible spine is improved.Design and fabricate the entity of the flexible spine,and do the distortion and static experiment on it.Via experimental research,the rightness and rationality of the kinematic model of the thunniform mode fish,the optimization design and simulation analyzing of the flexible spine are proved. -Ⅱ

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II - Abstract At the present time, the swimming theory of the fish that has the ability of quick speed and high efficiency on swimming is a focus of the researcher. The fish-like submarine propeller could be used in the underwater environment for a long time, wide-range and complex condition. Moreover, it can be used on the situation for high flexibility request, the research on the ocean life, ocean observation and life saving. It has very high value of application. Depends on the National Natural Science Fund, the research of simulation and experimentation on flexible spine of the fish-like robot are developed in this paper. The research of the thunniform mode fish and optimization of the flexible spine is analyzed at first .The research object of this paper is the thunniform mode fish. Depends on the picture disposal of the swimming carp and analyzing, the kinematic model of this propulsion mode is set up. Using engineering and numerical analysis software Matlab for simulations of the model are carried out, so as to prove the rightness of the kinematic model. Based on the kinematic model, the optimization design of the flexible spine’s three-dimensional size is carried out with the method of the parameter optimization. From the result of the parameter optimization, the conclusion of flexible spine can be better close to the theory curve than the rigidity spine can be got. Depends on the analyzing of kinematics and optimization, the simulating analyzing and experimenting is carried out. Using software ANSYS for finite element simulation analyzing, based on the optimization design size of six link flexible spine, build the finite element simulation model and analyze the moving pose and force capability of the flexible spine. Depends on the analyzing, the finite element simulation model of the flexible spine can be moving as same as the kinematic model could be proved. By static analyzing, the thickness of every link of the flexible spine is improved. Design and fabricate the entity of the flexible spine, and do the distortion and static experiment on it. Via experimental research, the rightness and rationality of the kinematic model of the thunniform mode fish, the optimization design and simulation analyzing of the flexible spine are proved

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - IV 目录摘要................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................II 第 1 章绪论.........................................................................................................1 1.1 引言............................................................................................................1 1.2 机器鱼的仿生学概况及特点.....................................................................1 1.2.1 鱼类推进模式分类..............................................................................1 1.2.2 鱼类推进模式的特点..........................................................................3 1.2.3 仿生机器鱼的研究意义及特点..........................................................3 1.3 仿生机器鱼国内外研究现状.....................................................................4 1.3.1 国外仿生机器鱼研究现状..................................................................4 1.3.2 国内仿生机器鱼研究现状..................................................................6 1.4 仿生机器鱼运动学模型研究现状.............................................................7 1.5 本课题的研究目标和研究内容.................................................................8 第 2 章运动学模型的建立与仿真....................................................................10 2.1 引言..........................................................................................................10 2.2 鱼体仿生学基础研究 ..............................................................................10 2.2.1 鱼的形态描述 ...................................................................................10 2.2.2 鱼体运动分析 ...................................................................................11 2.3 运动学模型的建立 ..................................................................................13 2.3.1 物理模型简化 ...................................................................................13 2.3.2 运动学模型的建立............................................................................14 2.4 运动学模型的仿真分析及特点...............................................................19 2.4.1 基于 MATLAB 的仿真分析..............................................................19 2.4.2 运动学模型的特点............................................................................21 2.5 本章小结 ..................................................................................................21 第 3 章柔性脊骨三维尺寸的参数优化设计 ....................................................22 3.1 引言..........................................................................................................22 3.2 参数优化设计理论 ..................................................................................22 3.3 脊骨长度尺寸的参数优化设计...............................................................23

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - V - 3.3.1 建立柔性脊骨构型............................................................................24 3.3.2 建立参数优化设计的数学模型........................................................25 3.3.3 参数优化设计 ...................................................................................31 3.3.4 参数优化设计结果分析....................................................................32 3.3.5 假设条件合理性的验证....................................................................34 3.4 脊骨高度与厚度尺寸的优化设计...........................................................35 3.4.1 脊骨高度尺寸设计............................................................................35 3.4.2 脊骨厚度尺寸的参数优化设计........................................................36 3.5 本章小结 ..................................................................................................38 第 4 章柔性脊骨的有限元分析........................................................................39 4.1 引言..........................................................................................................39 4.2 柔性脊骨的静力学分析...........................................................................39 4.2.1 基于 APDL 语言建立参数化模型....................................................39 4.2.2 确定加载方式 ...................................................................................40 4.2.3 静力学分析 .......................................................................................42 4.3 柔性脊骨的瞬态动力学分析...................................................................45 4.3.1 基于 APDL 语言编写动态载荷........................................................45 4.3.2 瞬态动力特性分析............................................................................47 4.4 本章小结 ..................................................................................................50 第 5 章柔性脊骨静力学实验分析....................................................................51 5.1 引言..........................................................................................................51 5.2 柔性脊骨的静力学实验...........................................................................51 5.2.1 变形姿态实验 ...................................................................................52 5.2.2 侧向位移和弹性回复力关系实验 ....................................................56 5.2.3 变形曲线对比实验............................................................................57 5.3 本章小结 ..................................................................................................60 结论.................................................................................................................61 参考文献.............................................................................................................62 附录.................................................................................................................66 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 ......................................................71 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 ......................................................71 致谢.................................................................................................................72

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论 1.1引言 21世纪将是海洋开发的世纪，因而水下机器人在海洋环境研究，海洋资源探测和开发等民用领域，乃至海洋军事领域有着广阔的应用前景和巨大的潜在价值。但是当前水下机器人多采用传统的螺旋桨作为推进器，其体积大、重量重、能耗高、综合效率低（通常小于45%）、瞬时响应有严重的滞后现象、运动灵活性能差、并且伴有较大的噪音和尾涡。为克服这些缺点，近年来，随着仿生学研究的不断发展，许多水下机器人科研工作者又将注意力集中到长期生活在水下，特别是能在水中快速遨游的鱼类的游动机理的研究上山。水下推进器的设计目标是希望具有效率高、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鱼机器人研究的热潮。利用鱼类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。如果仿生机器鱼的研究成熟，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及进行海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等领域。军事方面，可以应用在隐蔽性较强的场合3]。因此，有理由相信随着海洋的开发及技术的进步，适应各种需要的水下机器人将会得到很大的发展。国内外学者也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，这些机器鱼样机的性能和游动姿态与真鱼的水平还相差较远。因此，进一步开展深入的理论和实验研究具有重要的意义。 1.2机器鱼的仿生学概况及特点 1.2.1鱼类推进模式分类鱼类的游动方式有多种多样，关于鱼类推进模式和推进机理的研究是新型仿鱼水下推进器的研究基础。1926年brederl4根据鱼类推进运动的特征不

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章绪论 1.1 引言 21 世纪将是海洋开发的世纪，因而水下机器人在海洋环境研究，海洋资源探测和开发等民用领域，乃至海洋军事领域有着广阔的应用前景和巨大的潜在价值。但是当前水下机器人多采用传统的螺旋桨作为推进器，其体积大、重量重、能耗高、综合效率低(通常小于 45% )、瞬时响应有严重的滞后现象、运动灵活性能差、并且伴有较大的噪音和尾涡。为克服这些缺点，近年来，随着仿生学研究的不断发展，许多水下机器人科研工作者又将注意力集中到长期生活在水下，特别是能在水中快速遨游的鱼类的游动机理的研究上[1]。水下推进器的设计目标是希望具有效率高、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鱼机器人研究的热潮。利用鱼类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[2]。如果仿生机器鱼的研究成熟，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及进行海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等领域。军事方面，可以应用在隐蔽性较强的场合[3]。因此，有理由相信随着海洋的开发及技术的进步，适应各种需要的水下机器人将会得到很大的发展。国内外学者也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，这些机器鱼样机的性能和游动姿态与真鱼的水平还相差较远。因此，进一步开展深入的理论和实验研究具有重要的意义。 1.2 机器鱼的仿生学概况及特点 1.2.1 鱼类推进模式分类鱼类的游动方式有多种多样，关于鱼类推进模式和推进机理的研究是新型仿鱼水下推进器的研究基础。1926 年 breder[4]根据鱼类推进运动的特征不