仿生機(jī)器魚設(shè)計

1、仿生機(jī)器魚設(shè)計第一頁，共15頁。課題背景仿生學(xué)基礎(chǔ)理論構(gòu)架實(shí)際成果未來藍(lán)圖第二頁，共15頁。仿生機(jī)器魚仿生機(jī)器魚的研究意義仿生機(jī)器魚的分類仿生機(jī)器魚的發(fā)展趨勢與展望（1）驅(qū)動裝置的優(yōu)化（2）運(yùn)動機(jī)理的優(yōu)化（3）個體智能化發(fā)展（4）群體仿生機(jī)器魚的發(fā)展第三頁，共15頁。仿生學(xué)基礎(chǔ)魚類游動的物理原理魚類游動的運(yùn)動學(xué)模型第四頁，共15頁。研發(fā)背景隨著人類的發(fā)展，對資源的需求不斷增加，陸地上的資源日益緊缺，于是人類把目光投向海洋。20世紀(jì)中期以來，隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)得以發(fā)展并飛速進(jìn)步。世界上許多國家都非常重視機(jī)器人技術(shù)的研究，講機(jī)器人作為一個重點(diǎn)研究項目并大力發(fā)展。但當(dāng)前水下機(jī)器人多采用傳統(tǒng)的

2、螺旋槳作為推進(jìn)器，其體積大、質(zhì)量重、能耗高、綜合效率低、可靠性差、瞬間響應(yīng)有滯后的現(xiàn)象、運(yùn)動靈活性能差，并且伴有較大的噪聲和尾渦。螺旋槳效率低也是水下機(jī)器人能源瓶頸的主要原因之一。螺旋槳推進(jìn)器的這些缺點(diǎn)不利于具有大范圍轉(zhuǎn)與能力和高機(jī)動性的水下機(jī)器人。為了克服螺旋槳推進(jìn)器的這些缺陷，適應(yīng)未來水下機(jī)器人技術(shù)發(fā)揮在那的要求，人們在開發(fā)新能源的同時，也在積極尋找性能更加優(yōu)良的新型推進(jìn)方式。第五頁，共15頁。魚類游動的物理原理魚類屬于脊椎動物種群，其身體有很多跟脊椎骨相互連接而成，采用尾鰭推進(jìn)的魚類在游動時主要通過脊椎曲線的波動來產(chǎn)生推進(jìn)力。因此，大多數(shù)魚類特別是鯵科魚類的推動機(jī)構(gòu)可分為兩部分：柔韌性和

3、擺動的尾鰭。其中柔性身體可看作是由一系列的鉸鏈連接而成的擺動連尾鰭可視為擺動的水翼。第六頁，共15頁。魚類與游動有關(guān)的物理參數(shù)擺動部分長度占身體總長的比例（R1）擺動部位的簡化關(guān)節(jié)數(shù)N擺動部分各個關(guān)節(jié)之間的長度比l1:l2:l3：lN尾鰭形狀決定魚體波的特征參數(shù)：（1）魚體波曲線方程ybody(x,t)=f(x,t)（2）身體各個部分的關(guān)節(jié)擺動幅度ybody你（3）尾鰭的最大擊水角第七頁，共15頁。魚類游動的運(yùn)動學(xué)模型魚類運(yùn)動學(xué)模型的簡化魚體波曲線的方程的改進(jìn)機(jī)器魚的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化曲線方程：ybody(x,t)=(c1x+c2x2)sin(kx+wt)ybody：魚體的橫向位移（背腹軸）；x:魚

4、體的軸向位移（頭尾軸）；k:波長倍數(shù)（k=2/ , 是魚體波的波長）；c1：魚體波波幅包絡(luò)線的一次項系數(shù)；c2：魚體波波幅包絡(luò)線的二次項系數(shù)；w:魚體書波頻率頻率（w+2f=2/T)第八頁，共15頁。魚體運(yùn)動學(xué)模型的簡化迭代逼近桿長系數(shù) m計算關(guān)節(jié)坐標(biāo)對（xi,j,yi,j）計算桿（lj）與魚體主軸（x軸）的夾角i，j計算二維關(guān)節(jié)扭擺系數(shù)組OscdataMNybody(x,t)=(c1x+c2x2)sin(kx+2i/M)第九頁，共15頁。魚體的波曲線方程的改進(jìn)ybody(x,t)=(c1x+c2x2)sin(k1+k2x)x+wt第十頁，共15頁。機(jī)器魚的機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化minf(X)=Si第十

5、一頁，共15頁。機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖第十二頁，共15頁。機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹機(jī)器魚總體結(jié)構(gòu)主要分為魚頭、魚身、魚尾三個部分。魚頭部分由控制電路板、電池、通訊模塊、電源開關(guān)和胸鰭構(gòu)成，魚頭上預(yù)留了吹氣孔、充電頭和天線魚身部分由三個擺動關(guān)節(jié)串聯(lián)構(gòu)成，每個關(guān)節(jié)均由一個直流伺服電機(jī)驅(qū)動，模擬魚體波曲線的運(yùn)動魚尾為新月型尾鰭第十三頁，共15頁。機(jī)器魚硬件系統(tǒng)控制系統(tǒng)：控制芯片采用貼片封裝的8位AVR單片機(jī)ATmege128，其內(nèi)含128KB Flash、4KB EEPROM，產(chǎn)生6路PWM信號。動力系統(tǒng)：采用Futaba S3003 舵機(jī)，扭矩達(dá)4.1Kg/cm，提供可靠的動力支持。通訊系統(tǒng)：通訊模塊采用雙工無線通訊模塊, 可以通過通訊檢測來確保信號收發(fā)