仿生水母推进装置设计及控制方法研究

发布时间：2020-08-04 14:38

【摘要】：随着科技的日益更新与发展,仿生学逐渐发展并受到越来越多人们的关注。水下生物通过长时间的进化,具有了在水下长时间生活的能力和特性。将水下生物所具有的特性,通过设计制作集成到水下机器人中,可以使得水下机器人同样具有良好的续航能力并且具有较低的噪音等优良特性。根据仿生水母的设计要求,本文设计了一款机械结构推进的仿生水母。并根据水母的运动特征设计了适用于仿生水母的人造中枢模式发生器(Central pattern generators,CPG)控制方法。在仿生水母样机的设计制作方面,本文以海月水母为仿生目标,根据海月水母的外形及运动特点设计仿生水母外形及推进装置,并选取合适的材料及加工方式制作了仿生水母实物。在此基础上,本文根据Daniel水母力学模型分析仿生水母运动过程中的排水情况以及受力情况,进一步计算重心和浮心,同时,对该模型进行了水动力分析,根据分析结论提出对仿生水母模型的优化改进方案。在仿生水母运动控制方面,本文提出了一种频率幅值切换更快更稳定的振荡器模型。根据所设计的仿生水母结构特点,设计了适用于仿生水母的振荡器耦合方法,又将耦合振荡器模型与仿生水母动力学模型结合,仿真了仿生水母的速度位移变化过程。之后为了更好的实现仿生水母的速度控制,提出一种适用于仿生水母的速度控制方法。最后对所设计制作的仿生水母进行舵机的调试实验以及水池实验,验证了所设计仿生水母模型及部分控制方法的可行性。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242;Q811
【图文】：

德国,水母

经网络模拟生物的神经系统，可以是通过ＣＰＧ模拟低等生物的行为等情况。生逡逑物机器人是指通过对生物体内植入微控制器来达到对活体生物行为的控制效果。逡逑仿生水母的研宄现在正在由结构仿生、材料仿生向控制仿生研宄阶段过渡。逡逑仿生水母研宄主要是水母不同推进装置的设计，主要有记忆合金驱动、机械驱动、逡逑以及其它新型驱动方式，对于控制仿生的研究较少。本文采用结构仿生和控制仿逡逑生。逡逑１．２．１国外研究现状逡逑国外对于仿生水母的研究主要集中在美国，德国、意大利、韩国也在开展相逡逑应的研宄。仿生水母相关的研究主要集中在对于仿生水母驱动方式的设计制作。逡逑德国ｆｅｓｔｏ公司在２００８年研制了由气缸驱动的仿生机器水母Ａｑｕａｊｅｌｌｙ。逡逑Ａｑｕａｊｅｌｌｙ通过气缸带动八个触角摆动来排水推进实现向前运动。进过多代的改逡逑进，现在己经可以实现手机对水母进行监控，并且集成通信和传感器技术已经可逡逑以实现多个水母集体协调行为。ｆｅｓｔｏ公司对仿生水母的研制起步较早，也是现在逡逑唯一实现多个水母协同运动的研究单位。如图１．１所示［２］。逡逑

水母,工程研究中心,永磁铁,意大利

逡逑图１．２弗吉尼亚理工记忆合金驱ｇｊｅｔ邋Ｓｕｍ逡逑２０１０年意大利微工程研宄中心研制了一种仿生水母，如图１．３所示。该仿生逡逑水母通过磁铁的磁力作用来排水驱动。该仿生机器人长0．0３５ｍ，宽０．０１５ｍ属于逡逑微型仿生水母。在实验中，该仿生水母可以达到0．0３７ｍ／ｓ的速度。作为微型机器逡逑人，储存能源的空间有限但续航能力也可以达到１５分钟［４］。该仿生水母作为第逡逑一款磁铁驱动的仿生水母，给仿生水母提供了一种新型的驱动方式。逡逑Ｂｏｔｆｙ逦Ｔａｉｌ逡逑＇逦Ｍａｇｎｅｔｓ逡逑Ｍｉｃｒｏｃｏｆｌｔｒｏｌｔｅｆ邋＇逡逑Ｓｕｐｐｌｙ逡逑图１．３意大利微工程研究中心永磁铁仿生水母逡逑黎巴嫩美国大学的ＡｋｌｅＢａｒｂａｒ等人在２０１１年设计了一款由金属离子聚合物逡逑复合材料（Ｉｏｎｉｃ邋Ｐｏｌｙｍｅｒ－Ｍｅｔａｌ邋Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ＩＰＭＣｓ）作为驱动机构的仿生水母。逡逑通过控制电极使驱动机构发生应变实现驱动仿生水母的运动。如图１．４所示ｔ５］。逡逑ＩＰＭＣｓ作为仿生水母的一种新型驱动方式，但是对运动的环境要求苛刻，在甲酰逡逑胺中运动能达到最佳效果。逡逑３逡逑

记忆合金,弗吉尼亚,绪论,驱动方案

第１章绪论逡逑运动的一个周期。“Ｊｅｔ邋Ｓｕｍ”的重量为０．３２４ｋｇ，直径为０．１６ｍ，高实验结果得到“化１５１１１１１”的速度可以达到０．０７１１１／５，每个周期能耗为８Ｓｕｍ”作为较早的记忆合金驱动的仿生水母，为后来的记忆合金仿提供了一种驱动方案。邋逦逡逑

【参考文献】