【摘要】：近年來,隨著海洋探索開發(fā)的速度不斷加快,作為水下資源開發(fā)利用的重要裝備,水下機器人得到了廣泛的關(guān)注和研究,其中仿生機器魚因其效率高、噪聲小及機動靈活等特點成為了水下機器人研究的重要方向之一。本論文設(shè)計了一款三自由度胸鰭、拉線式驅(qū)動柔性身體及尾鰭的仿生機器魚。建立了機器魚三自由度胸鰭的運動學(xué)模型,利用CFD(Computational Fluid Dynamics)技術(shù)對機器魚胸鰭在不同運動條件下受到的流場壓力進(jìn)行數(shù)值計算,得到仿生機器魚在多自由度胸鰭推進(jìn)條件下的水動力系數(shù)變化曲線,分析了仿生機器魚胸鰭推進(jìn)性能,最后通過實驗對分析結(jié)果進(jìn)行了驗證。具體內(nèi)容如下:(1)以湽科魚類為仿生對象,設(shè)計了一種三自由度胸鰭和拉線式驅(qū)動柔性身體協(xié)同推進(jìn)仿生機器魚。三自由度胸鰭推進(jìn)機構(gòu)包括搖翼機構(gòu)、上下拍翼機構(gòu)和前后拍翼機構(gòu),該機構(gòu)可實現(xiàn)各自由度獨立及復(fù)合運動,從而達(dá)到功能仿生的目的。其柔性身體由拉線式驅(qū)動機構(gòu)、多脊椎關(guān)節(jié)及被動式尾鰭組成,能按照Lighthill曲線擬合魚體波進(jìn)行運動。(2)研究了單側(cè)胸鰭正弦運動規(guī)律,建立了胸鰭動網(wǎng)格模型,使用Fluent流體仿真軟件,研究了胸鰭推進(jìn)時,胸鰭運動頻率對于機器魚直線游動性能的影響,得到了機器魚直游時胸鰭所受到的推力、升力及側(cè)向力系數(shù)連續(xù)變化數(shù)據(jù)以及壓力云圖。分析可知,無論胸鰭采用單自由度還是多自由度推進(jìn),在胸鰭運動頻率f=1.0Hz時推進(jìn)性能都比較好;當(dāng)運動頻率給定時,分析發(fā)現(xiàn)在f=0.5,1.0Hz時,單自由度推進(jìn)性能較差,而三自由度復(fù)合運動推進(jìn)性能最好;而在f=1.5,2.0Hz時,多自由度復(fù)合運動中,由于三自由度運動規(guī)律較為復(fù)雜,在一般情況下,二自由度運動推進(jìn)性能比三自由度好,表明在高頻率時胸鰭三自由度運動規(guī)律需要進(jìn)一步優(yōu)化。實驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果基本一致。(3)研究了雙側(cè)胸鰭正弦運動規(guī)律,建立了魚體動網(wǎng)格模型,使用Fluent流體仿真軟件,研究了兩側(cè)胸鰭不同運動頻率時,對機器魚轉(zhuǎn)彎游動性能的影響,得出機器魚轉(zhuǎn)彎時兩側(cè)胸鰭所受到的推力、升力及側(cè)向力系數(shù)連續(xù)變化數(shù)據(jù)及壓力云圖。分析得出,機器魚搖翼運動時,機器魚轉(zhuǎn)彎性能較差;前后拍翼運動及復(fù)合運動時,機器魚通過推力及側(cè)向力共同實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能,表現(xiàn)出較好的轉(zhuǎn)彎性能;同時在f=1.5,2.0Hz時,機器魚轉(zhuǎn)彎性能較好;當(dāng)運動頻率給定時,三自由度復(fù)合運動始終擁有較好的轉(zhuǎn)彎性能,充分體現(xiàn)了MPF模式仿生機器魚靈活機動能力。實驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果基本一致。
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP242
【圖文】：

三自由度胸鰭/柔性身體仿生機器魚設(shè)計及水動力學(xué)特性分析動性能差等諸多缺陷，導(dǎo)致無法在狹小和情況復(fù)雜的水環(huán)境中發(fā)揮作用。魚類經(jīng)過數(shù)億年的海洋生活，形態(tài)及運動功能不斷進(jìn)化，因此在推進(jìn)效率、身體平衡、機動靈活性、加速急停等諸多方面擁有傳統(tǒng)水下航行器無法達(dá)到的優(yōu)越性。隨著科技理論與實踐的不斷探索與發(fā)展，通過由機械、電子科學(xué)、材料科學(xué)、計算機技術(shù)、仿生科學(xué)等多個學(xué)科交叉興起的仿生機器人領(lǐng)域為水下機器人研究提供了新思路。機器魚作為一種新型水下航行器，通過模仿魚類的運動來實現(xiàn)水下航行任務(wù)，急需重點開發(fā)與研究[17-19]。

(c) 機器海豚 (d) SPC 系列機器魚圖 1.2 BCF 模式推進(jìn)的仿生機器魚BCF模式推進(jìn)的魚類擁有游速快、效率高，當(dāng)前研制的仿生機器魚多數(shù)采用這種模式。Lightill于1960年首次基于 小振幅位勢理論 建立了分析魚類BCF推進(jìn)模式的模型，這是魚類推進(jìn)模式研究歷史上第一個關(guān)于BCF推進(jìn)模式的數(shù)學(xué)模型[28]。1961（吳耀祖）首次提出了“二維波動板理論”，將魚當(dāng)作一個彈性薄板，這是一個實際的用于分析BCF模式的水動力學(xué)理論[29]。該理論與空氣動力學(xué)的“細(xì)長體理

(c) 仿生箱渶科魚類圖 1.3 MPF 模式推進(jìn)的仿生機器魚雖然采用MPF推進(jìn)模式的魚類很多，但是關(guān)于胸鰭模式游動性能和水下推進(jìn)器是近年來才受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。1979年，R.W.Blake將魚類胸鰭的擺動運種主要運動：滾轉(zhuǎn)運動（抗力模式）和與鳥類翅膀的運動相似的拍打運動（升[39]。1996 年~1998 年，日本的 N.Kato 研究了黑色鱸魚的胸鰭動作原理，初步鰭動作狀態(tài)與游動姿態(tài)的關(guān)系，并做出了第一個胸鰭驅(qū)動的仿生機器人 Fishro

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3 申功p

本文編號：2790967