新型两关节机器鱼的研制及实验研究

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1、新型两关节机器鱼的研制及实验研究刘英想，刘军考，陈维山，陈思摘要：以鲹科加新月形尾鳍推进模式鱼类的仿生学研究成果为基础，采用模块化设计思想，设计了新型两关节仿生机器鱼“HRF-II”，其尾部模块采用单电机驱动，易于实现尾部运动参数的调整；其升潜模块采用吸排水实现机器鱼升潜.对仿生机器鱼直线推进、转向、升潜和逆向游动的动作进行了水下实验.实验结果表明“HRF-II”具备良好的推进特性和升潜特性，并且实现了逆向游动.关键词：机器鱼；本体设计；水下实验中图分类号：TP24文献标识码：B文章编号：1000-6982(2008)04-0028-04Develop

2、mentandexperimentofnewtwo-jointrobotfishLIUYing-xiang,LIUJun-kao,CHENWei-shan,CHENSi(HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Abstract:Basedonthebionicresearchofthethunniformmodefish,thenewtwo-jointbionicrobotfish“HRF-II”isdesignedbymodularization.Itstailmoduleisdrivenbyas

3、ingleelectricmotorandeasytorealizetheadjustmentofthemovingparametersofthetail.Theliftingmoduleusesabsorbinganddrainingwatertorealizetheupanddownmovementoftherobotfish.Theforwardswimming,swerve,theupanddownmovementandthebackwardswimmingoftherobotfish“HRF-II”arecarriedonintheunder

4、-waterexperiment.Theexperimentalresultshowsthatthe“HRF-Ⅱ”haspreferablecapacityinforwardswimmingandtheupanddownswimming,anditaccomplishesthebackwardswimming.Keywords:robotfish;entitydesign;under-waterexperiment—31—0引言作为一种新型的水下推进器，仿生机器鱼具有能源利用率高、流体性能更加完善、机动性能好、低噪声、实现了推进器与舵的统一、驱动方式多

5、样化等优点[1].仿生机器鱼可以进行长时间、大范围、工况较复杂的水下作业，既可以用于机动性能要求较高的场合，也可以用于海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等场合.另外仿生机器鱼在声纳上的表现形式和生物鱼类几乎相同，具有噪声低，对环境扰动小等特点，极有利于隐蔽.鉴于仿生机器鱼的诸多优点，国内外学者越来越重视新型仿生机器鱼的研究与开发，1994年MIT研究组成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生金枪鱼（Robotuna）[2].此后，结合仿生学、材料学、机械学和自动控制的新发展，仿生机器鱼的研制渐成热点[3~6].本文以鲹科加新月尾鳍推进模式鱼类的仿生学研究成

6、果为基础，采用模块化的设计思想，设计并研制了采用吸排水实现升潜、尾鳍运动参数易于调整的两关节机器鱼“HRF-II”，并进行了水下实验.1鲹科加新月形尾鳍推进模式鱼类的推进机理鲹科加新月形尾鳍推进模式是效率最高、速度最快的推进模式，海洋中游速最快的鱼类如鲨鱼、金枪鱼等，几乎都采用这种模式，鲹科加新月形尾鳍推进模式的鱼类游动时鱼体前2/3部分波幅很小，特别明显的侧向位移仅仅发生在尾鳍及尾柄部分，通过具有一定刚度尾鳍的运动产生超过90%的推进力[7].在鲹科加新月形尾鳍推进模式鱼类的稳态游动—31—收稿日期：2007-09-04；修回日期：2007-10-2

7、5基金项目：国家自然科学基金资助项目（59705011）作者简介：刘英想（1982-），男，博士研究生.研究领域：仿生机器鱼.—31——31—中，尾鳍作摆动－平动复合运动，如图1所示.尾鳍的平动运动是由于鱼体和后颈部的波动而引起的，尾鳍的平动运动产生主要的击水动作；尾鳍的摆动运动主要为尾鳍的击水动作提供合适的击水角度.摆动平动尾鳍摆动轴游动方向尾鳍尾柄图1尾鳍运动2机器鱼“HRF-II”结构2.1基本设计思想以鲹科加新月形尾鳍推进模式鱼类的仿生学研究成果为基础，设计并研制了仿生机器鱼“HRF-II”，其结构如图2所示.“HRF-II”的鱼体外形参考鱼雷

8、外形设计，保证具有较好的水动力学特性.鱼体中间部分采用透明的有机玻璃管作为壳体，因为有机玻璃管