三自由度胸鳍与柔性身体仿生机器鱼设计及水动力学特性分析

发布时间：2020-08-12 20:11

【摘要】：近年来,随着海洋探索开发的速度不断加快,作为水下资源开发利用的重要装备,水下机器人得到了广泛的关注和研究,其中仿生机器鱼因其效率高、噪声小及机动灵活等特点成为了水下机器人研究的重要方向之一。本论文设计了一款三自由度胸鳍、拉线式驱动柔性身体及尾鳍的仿生机器鱼。建立了机器鱼三自由度胸鳍的运动学模型,利用CFD(Computational Fluid Dynamics)技术对机器鱼胸鳍在不同运动条件下受到的流场压力进行数值计算,得到仿生机器鱼在多自由度胸鳍推进条件下的水动力系数变化曲线,分析了仿生机器鱼胸鳍推进性能,最后通过实验对分析结果进行了验证。具体内容如下:(1)以湽科鱼类为仿生对象,设计了一种三自由度胸鳍和拉线式驱动柔性身体协同推进仿生机器鱼。三自由度胸鳍推进机构包括摇翼机构、上下拍翼机构和前后拍翼机构,该机构可实现各自由度独立及复合运动,从而达到功能仿生的目的。其柔性身体由拉线式驱动机构、多脊椎关节及被动式尾鳍组成,能按照Lighthill曲线拟合鱼体波进行运动。(2)研究了单侧胸鳍正弦运动规律,建立了胸鳍动网格模型,使用Fluent流体仿真软件,研究了胸鳍推进时,胸鳍运动频率对于机器鱼直线游动性能的影响,得到了机器鱼直游时胸鳍所受到的推力、升力及侧向力系数连续变化数据以及压力云图。分析可知,无论胸鳍采用单自由度还是多自由度推进,在胸鳍运动频率f=1.0Hz时推进性能都比较好;当运动频率给定时,分析发现在f=0.5,1.0Hz时,单自由度推进性能较差,而三自由度复合运动推进性能最好;而在f=1.5,2.0Hz时,多自由度复合运动中,由于三自由度运动规律较为复杂,在一般情况下,二自由度运动推进性能比三自由度好,表明在高频率时胸鳍三自由度运动规律需要进一步优化。实验结果与仿真分析结果基本一致。(3)研究了双侧胸鳍正弦运动规律,建立了鱼体动网格模型,使用Fluent流体仿真软件,研究了两侧胸鳍不同运动频率时,对机器鱼转弯游动性能的影响,得出机器鱼转弯时两侧胸鳍所受到的推力、升力及侧向力系数连续变化数据及压力云图。分析得出,机器鱼摇翼运动时,机器鱼转弯性能较差;前后拍翼运动及复合运动时,机器鱼通过推力及侧向力共同实现转弯功能,表现出较好的转弯性能;同时在f=1.5,2.0Hz时,机器鱼转弯性能较好;当运动频率给定时,三自由度复合运动始终拥有较好的转弯性能,充分体现了MPF模式仿生机器鱼灵活机动能力。实验结果与仿真分析结果基本一致。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242
【图文】：

水下航行器

三自由度胸鳍/柔性身体仿生机器鱼设计及水动力学特性分析动性能差等诸多缺陷，导致无法在狭小和情况复杂的水环境中发挥作用。鱼类经过数亿年的海洋生活，形态及运动功能不断进化，因此在推进效率、身体平衡、机动灵活性、加速急停等诸多方面拥有传统水下航行器无法达到的优越性。随着科技理论与实践的不断探索与发展，通过由机械、电子科学、材料科学、计算机技术、仿生科学等多个学科交叉兴起的仿生机器人领域为水下机器人研究提供了新思路。机器鱼作为一种新型水下航行器，通过模仿鱼类的运动来实现水下航行任务，急需重点开发与研究[17-19]。

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(c) 机器海豚 (d) SPC 系列机器鱼图 1.2 BCF 模式推进的仿生机器鱼BCF模式推进的鱼类拥有游速快、效率高，当前研制的仿生机器鱼多数采用这种模式。Lightill于1960年首次基于小振幅位势理论建立了分析鱼类BCF推进模式的模型，这是鱼类推进模式研究历史上第一个关于BCF推进模式的数学模型[28]。1961（吴耀祖）首次提出了“二维波动板理论”，将鱼当作一个弹性薄板，这是一个实际的用于分析BCF模式的水动力学理论[29]。该理论与空气动力学的“细长体理

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(c) 仿生箱渶科鱼类图 1.3 MPF 模式推进的仿生机器鱼虽然采用MPF推进模式的鱼类很多，但是关于胸鳍模式游动性能和水下推进器是近年来才受到国内外学者的重视。1979年，R.W.Blake将鱼类胸鳍的摆动运种主要运动：滚转运动（抗力模式）和与鸟类翅膀的运动相似的拍打运动（升[39]。1996 年~1998 年，日本的 N.Kato 研究了黑色鲈鱼的胸鳍动作原理，初步鳍动作状态与游动姿态的关系，并做出了第一个胸鳍驱动的仿生机器人 Fishro

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