拉线驱动柔性脊柱仿生鱼的设计与实验研究

论文摘要

鱼类作为最古老的脊椎动物,具有优越的游动特性。仿生机器鱼相较传统螺旋桨推进器具有推进效率高、机动性好、隐蔽性强等诸多优点,新型仿生机器鱼的研发受到越来越多国内外学者的关注。仿生机器鱼按照鱼体外形及游动形式主要可分为鳗鲡模式、鯵科模式、鯵科加月牙形尾鳍推进模式,鯵科加月牙形尾鳍推进模式综合性能最强,且在机械结构与运动控制方面易于实现。本文选择鯵科加月牙形尾鳍推进模式为仿生对象,针对此类鱼类的游动特性与目前仿生机器鱼机械结构上存在的弊端,本文设计了一种基于拉线驱动柔性脊柱的仿生机器鱼。本文首先对目前存在的仿生机器鱼的驱动机构进行分析比较,综合考量各种驱动机构的优缺点,结合鰺科加月牙形尾鳍推进模式的运动特性,制定了设计目标。根据设计目标结合现有的柔性仿生机器鱼与超冗余自由度机器人的设计经验,完成总体方案设计。然后依次从鱼头、鱼身、鱼鳍三个方面完成拉线驱动柔性脊柱仿生鱼机械结构的设计。在结构设计的基础上,按照所选择的控制层要求完成控制系统的设计。其次,根据柔性脊柱的结构特点,在分段常曲率假设下使用D-H法建立柔性鱼身的正运动学模型,通过求解出输入变量（拉线长度变化量）与输出变量（鱼身中心线上点）的映射关系。仿真结果显示,拉线长度变化量与鱼身中心线上点的位移呈线性关系。鱼身与尾鳍通过铰链连接,由两组舵机分离控制,二者输入量无耦合关系。根据铰链连接处结构的几何关系,采用解析法求解出拉线长度变化量与尾鳍旋转角在一定范围内呈线性关系。利用已有的鱼身与尾鳍的运动学模型,仿真出鱼身中心线与尾鳍在直线运动,c型转弯运动的轨迹曲线,将仿真曲线与理论鱼体波曲线拟合求解出本文所设计的仿生鱼的鱼体波动参数;将拉线驱动柔性脊柱机构鱼身中心线的仿真曲线与关节串联型机构鱼身中心线的仿真曲线分别与鱼体波曲线拟合求包络面积的值,对比结果显示,在小摆幅条件下关节串联型机构拟合度高,在大摆幅条件下拉线驱动柔性脊柱机构的拟合度高。再次,在已知运动模型的基础上,引入预应变的概念,建立本文设计的仿生鱼数值模型。利用多物理场仿真软件通过数值仿真的方法模拟仿生鱼在不同摆动频率下的二维自主游动过程,求解出仿生鱼的游动特性与水动力特性。仿真结果表明,在x方向前进速度从0开始呈阶梯式波动增长,增长率逐渐减小,直至达到巡游状态,呈平均速度不变、幅值固定的波动,速度波动变化周期为1/2鱼身摆动周期;y方向速度总体呈波幅在运动初始时偏离平衡位置,之后达到稳定的平衡位置,成平均速度不变,幅值固定的波动,速度变化的波动周期与鱼体摆动周期一致。随着摆动频率的增加,仿生鱼巡游状态时的速度与推进力幅值也增加。最后,设计了实验平台,通过对仿生鱼样机的位姿测量,验证其运动学模型的正确性;水下游动测试,验证了设计方案的可行性、样机的水下密封性、配重的合理性。

论文目录

摘要

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第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 仿生鱼的理论研究概述

1.3 仿生鱼的实验研究现状

1.4 仿生鱼研究现状分析

1.5 本课题研究内容与章节安排

第2章拉线驱动柔性脊柱仿生鱼总体设计

2.1 引言

2.2 鯵科加月牙形尾鳍推进模式运动机理

2.2.1 鱼类推进模式分类

2.2.2 鱼身运动

2.2.3 尾鳍运动

2.3 仿生鱼总体设计方案

2.4 鱼头部分设计

2.5 鱼身部分设计

2.5.1 柔性脊柱材料选择

2.5.2 鱼身关节的设计

2.5.3 鱼身总体设计

2.6 鱼鳍部分设计

2.6.1 尾鳍的设计

2.6.2 胸鳍的设计

2.7 重心与浮心设计

2.8 控制系统硬件设计

2.9 本章小结

第3章基于拉线驱动柔性脊柱仿生鱼的运动分析与控制

3.1 引言

3.2 运动控制建模

3.2.1 鱼身运动学模型

3.2.2 尾鳍运动学模型

3.3 基于MATLAB的运动仿真

3.3.1 直线运动模式

3.3.2 C形转弯模式

3.3.3 浮潜运动模式

3.4 鱼身运动与鱼体波拟合对比

3.4.1 柔性脊柱鱼身中心线的拟合

3.4.2 关节串联型鱼身中心线的拟合

3.4.3 两种拟合结果对比

3.5 舵机控制方法

3.5.1 PWM波多路舵机控制原理

3.5.2 舵机位置变化顺序

3.6 本章小结

第4章基于拉线驱动柔性脊柱仿生鱼自主游动数值分析

4.1 引言

4.2 拉线驱动仿生鱼二维数值模型

4.2.1 二维数值模型

4.2.2 仿生鱼二维受力分析

4.3 控制方程与边界条件

4.3.1 任意拉格朗日-欧拉（ALE）描述方法

4.3.2 流体控制方程

4.3.3 固体控制方程

4.3.4 边界条件

4.4 网格剖分

4.4.1 网格类型选择

4.4.2 网格属性特征设置

4.5 仿真结果分析

4.5.1 加速-巡游过程

4.5.2 摆动频率对游动速度的影响

4.5.3 摆动频率对推进力与阻力的影响

4.6 本章小结

第5章拉线驱动柔性脊柱仿生鱼的实验分析

5.1 引言

5.2 实验平台与实验原理

5.3 实验结果分析

5.3.1 头部摆动因子测量

5.3.2 变形曲线对比

5.3.3 水下游动测试

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王程

导师: 王茁

关键词: 仿生机器鱼,拉线驱动,柔性脊柱,运动学模型,仿真

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,自动化技术

单位: 哈尔滨工程大学

分类号: Q811;TP242

总页数: 91

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