仿生鳐鱼水下机器人的设计及数值模拟研究
发布时间：2021-10-30 12:13
随着陆上资源的不断枯竭以及国家海洋战略的提出,对海洋的开发利用得到更多的关注,也促进了探索海洋环境的水下机器人的发展。而仿鱼类水下机器人由于其自身优越的运动性能,已成为机器人领域研究的热点。以鳐鱼为代表的胸鳍波动推进的鱼类具有优越的机动性和隐蔽性,而目前对鳐鱼的仿生学研究较少,本文以鳐鱼为仿生对象,开展其运动仿真研究。本文根据鳐鱼胸鳍波动的运动模式,设计了一套仿生鳐鱼机械结构,利用ADAMS软件对机构进行运动学仿真,对机构的合理性进行验证。并结合鳐鱼的形状建立仿生鳐鱼的物理模型。接着在已有研究成果的基础上,建立了仿生鳐鱼的运动学模型,并仿真了鳐鱼胸鳍的运动,证明了模型的可行性。在此基础上,本文提出了鳐鱼的动力学方程,并通过对其中未知量的公式推导,建立了鳐鱼的动力学模型。接下来,利用已建立的模型进行编程,在Fluent软件中完成其初步仿真,分析了鳐鱼运动速度和受力情况,证明了鳐鱼可实现在流体中的游动。接下来,利用控制变量法,研究了波动频率、波长和波动振幅对鳐鱼运动性能的影响。通过对鳐鱼的表面压力、运动速度以及各方向的受力情况进行比较,得到了鳐鱼产生动力的来源,鳐鱼可实现在前进方向的稳定运...
【文章来源】：宁波大学浙江省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
美国哥伦比亚大学仿生鳍装置
图 1.1 美国哥伦比亚大学仿生鳍装置. 1.1 The bionic fin device designed at Columbia Unive学 2002 年以乌贼作为仿生对象，设计了一套波动装置两侧各有 15 根鳍条，鳍条间以柔性材料相机控制，可以实现两侧鱼鳍任意形式的运动，并良好的机动性。
图 1.3 新加坡南洋理工大学仿乌贼装置Fig. 1.3 The bionic squid device designed at Nanyang Technological University2010 年，新加坡南洋理工大学研制了一款名为 RoMan-II 的水下机器鱼，如图 1.4（a）所示[15]。该装置的鱼鳍由两侧共 6 条柔性鳍组成，每个鳍条由单独的电机控制，通过两侧鳍上下摆动产生推进力，还可以实现水下滑翔运动，降低了整体的能耗，并且不需要转动身体就可以实现偏转和后移运动，运动速度最高可达 0.4m/s。之后在 2011 又研制出了 RoMan-III 机器鱼[16]，如图 1.4（b）所示。RoMaIII 相比 RoMan-II 来说，速度相对较小，最高为 0.3m/s，结构上更加紧凑，也可以实现前行、偏转和滑翔运动，而且还对摆动幅度、频率、鳍的面积等影响推进力的因素进行研究，并提出了一种用于控制鱼类运动的方案。
【参考文献】：
期刊论文
[1]鳍条运动模式对仿生波动鳍推进力影响的研究[J]. 章永华,何建慧. 工程设计学报. 2017(01)
[2]形状记忆合金丝驱动仿生波动鳍推进器设计与实验研究[J]. 王扬威,于凯,王振龙. 中国机械工程. 2015(08)
[3]胸鳍波动推进仿生机器鱼研究进展与分析[J]. 谭进波,王扬威,顾宝彤,赵东标. 微特电机. 2014(10)
[4]中央鳍/对鳍推进模式的仿生自主水下机器人发展现状综述[J]. 王田苗,杨兴帮,梁建宏. 机器人. 2013(03)
[5]仿牛鼻鲼机器鱼胸鳍的时间非对称摆动研究[J]. 杨少波,韩小云,邱静,谢海斌. 中国机械工程. 2011(05)
[6]一种新型的胸鳍摆动模式推进机器鱼设计与实现[J]. 杨少波,韩小云,张代兵,邱静. 机器人. 2008(06)
[7]鳐科家族[J]. 袁军. 钓鱼. 2007(10)
[8]NiTi形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究[J]. 章永华,何建慧,张世武,董二宝,杨杰. 机器人. 2007(03)
[9]海洋生物系列(八)[J]. 曹玉茹. 海洋世界. 2006(01)
[10]孔鳐的生物学特性与养殖技术[J]. 于诗群,王世党,郑春波. 齐鲁渔业. 2005(08)
博士论文
[1]牛鼻鲼泳动动力学分析与仿生机器鱼研究[D]. 杨少波.国防科学技术大学 2010
[2]柔性仿生波动鳍推进理论与实验研究[D]. 章永华.中国科学技术大学 2008
[3]基于多波动鳍推进的仿生水下机器人设计、建模与控制[D]. 谢海斌.国防科学技术大学 2006
硕士论文
[1]仿生鳐鱼的结构设计与实验研究[D]. 高帅.哈尔滨工业大学 2014
[2]基于CFD的鳐鱼水动力学数值模拟研究[D]. 周杨.哈尔滨工业大学 2011
[3]仿鱼机器人稳态游动的水动力性能研究[D]. 王冉冉.哈尔滨工业大学 2010
[4]背鳍/背臀鳍波动推进机理实验研究及仿真[D]. 李非.国防科学技术大学 2005
[5]波动仿生推进器柔性长鳍的波动控制技术研究[D]. 林龙信.国防科学技术大学 2005
本文编号：3466713
【文章来源】：宁波大学浙江省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
美国哥伦比亚大学仿生鳍装置
图 1.1 美国哥伦比亚大学仿生鳍装置. 1.1 The bionic fin device designed at Columbia Unive学 2002 年以乌贼作为仿生对象，设计了一套波动装置两侧各有 15 根鳍条，鳍条间以柔性材料相机控制，可以实现两侧鱼鳍任意形式的运动，并良好的机动性。
图 1.3 新加坡南洋理工大学仿乌贼装置Fig. 1.3 The bionic squid device designed at Nanyang Technological University2010 年，新加坡南洋理工大学研制了一款名为 RoMan-II 的水下机器鱼，如图 1.4（a）所示[15]。该装置的鱼鳍由两侧共 6 条柔性鳍组成，每个鳍条由单独的电机控制，通过两侧鳍上下摆动产生推进力，还可以实现水下滑翔运动，降低了整体的能耗，并且不需要转动身体就可以实现偏转和后移运动，运动速度最高可达 0.4m/s。之后在 2011 又研制出了 RoMan-III 机器鱼[16]，如图 1.4（b）所示。RoMaIII 相比 RoMan-II 来说，速度相对较小，最高为 0.3m/s，结构上更加紧凑，也可以实现前行、偏转和滑翔运动，而且还对摆动幅度、频率、鳍的面积等影响推进力的因素进行研究，并提出了一种用于控制鱼类运动的方案。
【参考文献】：
期刊论文
[1]鳍条运动模式对仿生波动鳍推进力影响的研究[J]. 章永华,何建慧. 工程设计学报. 2017(01)
[2]形状记忆合金丝驱动仿生波动鳍推进器设计与实验研究[J]. 王扬威,于凯,王振龙. 中国机械工程. 2015(08)
[3]胸鳍波动推进仿生机器鱼研究进展与分析[J]. 谭进波,王扬威,顾宝彤,赵东标. 微特电机. 2014(10)
[4]中央鳍/对鳍推进模式的仿生自主水下机器人发展现状综述[J]. 王田苗,杨兴帮,梁建宏. 机器人. 2013(03)
[5]仿牛鼻鲼机器鱼胸鳍的时间非对称摆动研究[J]. 杨少波,韩小云,邱静,谢海斌. 中国机械工程. 2011(05)
[6]一种新型的胸鳍摆动模式推进机器鱼设计与实现[J]. 杨少波,韩小云,张代兵,邱静. 机器人. 2008(06)
[7]鳐科家族[J]. 袁军. 钓鱼. 2007(10)
[8]NiTi形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究[J]. 章永华,何建慧,张世武,董二宝,杨杰. 机器人. 2007(03)
[9]海洋生物系列(八)[J]. 曹玉茹. 海洋世界. 2006(01)
[10]孔鳐的生物学特性与养殖技术[J]. 于诗群,王世党,郑春波. 齐鲁渔业. 2005(08)
博士论文
[1]牛鼻鲼泳动动力学分析与仿生机器鱼研究[D]. 杨少波.国防科学技术大学 2010
[2]柔性仿生波动鳍推进理论与实验研究[D]. 章永华.中国科学技术大学 2008
[3]基于多波动鳍推进的仿生水下机器人设计、建模与控制[D]. 谢海斌.国防科学技术大学 2006
硕士论文
[1]仿生鳐鱼的结构设计与实验研究[D]. 高帅.哈尔滨工业大学 2014
[2]基于CFD的鳐鱼水动力学数值模拟研究[D]. 周杨.哈尔滨工业大学 2011
[3]仿鱼机器人稳态游动的水动力性能研究[D]. 王冉冉.哈尔滨工业大学 2010
[4]背鳍/背臀鳍波动推进机理实验研究及仿真[D]. 李非.国防科学技术大学 2005
[5]波动仿生推进器柔性长鳍的波动控制技术研究[D]. 林龙信.国防科学技术大学 2005
本文编号：3466713
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