一种新型仿生机器鱼的机构设计与执行(翻译)

《一种新型仿生机器鱼的机构设计与执行(翻译)》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、一种新型仿生机器鱼的机构设计与执行(翻译)　　一种新型仿生机器鱼的机构设计与执行　　摘要　　引入了一种机器鱼的机构设计方法。基于这种方法，设计一种带有胸鳍和尾鳍的自主三维运动机器鱼。胸鳍是三自度机器，使得机器鱼能够通过控制两个胸鳍来实现偏航和纵向运动。而尾鳍机构设计是基于拟合机器鱼波状与运动曲线。向前的速度可以通过改变尾部机构摆动频率来实现。最后给定机器鱼的物理执行机构和实验结果。　　关键字：仿生，鱼体波形，机械，机器鱼，胸部，尾部0.介绍　　许多机器人概念的设计源于自然界，因为自然选择已使得生物对环境有很好的适应性。一个典型的例子就是鱼推进机理的研究，这

2、个研究可以提高水下航行器的性能。不同于传统的螺旋桨推进的水下航行器，鱼依赖于鳍和尾部的运动来提供向前的推力。对于真实鱼科学研究发现，这种推进方式能产生更高效率的推力并且产生的噪声很小。受这种发现的激发，许多学者已经开始致力于研究机器鱼，以具有高速和操纵性良好的小型水下航行器的发展提供更多的线索。　　先前有关机器鱼发展的努力工作可以追溯到1991年robotuna的triantafyliou等人的著作。装有柔性尾部和上下摆动薄片的机构能够产生额外的流体动力以产生推力，robotuna得出了这种方式的许多优点，包括能源的节约和长任务持续时间。在这个成功的例子之

3、后，许多机器鱼被研究用于不同的目的。为了证实鱼胸鳍的作用，kato在1995年制作了“黑鲈鱼”号，这条“鱼”配备了胸鳍状机构。实验结果表明波状运动和一对胸鳍的引导共同决定了向前，向后，悬停和旋转运动。在20XX年，Guo等人呈现了一种类似鱼的水下微型机器人的原型。这种机器人有两个独立控制的尾鳍，一个体姿态调整器和一个浮力调整器。为了认识三自度的游动，一种离子控制聚合体薄膜激励被利用来作为伺服激励。在20XX年，koichi设计了一种机器鱼的原型。它的体长大概600mm并且它带有三个铰链连接的尾部，这些铰链的运动是通过两个带有初始链接结构的补助马达间接变速装

4、置来激励的。Yu进一步发明了一种带有速度控制、四铰链连接的仿生机器鱼，它是使用柔性尾部和震荡薄片作为推进器的。机器鱼的游动速度是通过铰链连接震荡频率来调节的，它的方向是通过铰链连接的偏转差异来控制的。　　必须说明的是上述所有的研究是基于体设计和尾鳍推进或胸鳍推进。然而，鱼可以展示不仅仅一种游泳模式，在不同的时间有不同的速度。中线和成对鳍常规的联合使用，以两者的不同贡献以提供推力，从而获得平滑的轨迹。此外，许多鱼类通常使用MPF模式来搜索食物，因为这种模式可提供高的机动性并具有向高速和高加速的BCF模式转换的能力。在中，我们制作了一种带有两个推进尾鳍和两个使

5、鱼倾斜及偏航的胸鳍的机器鱼。一些传感器被嵌入进来以提供环境信息，比如温度、压力、图像信息和障碍物。1、胸鳍机构的设计和它的工作环境分析　　胸鳍运动方式的研究吸引了很多学者。根据参考论文[12-14],胸鳍的运动可以划分为划模式和拍打模式两种。前者在低速情况下效率更高，然而基于升力的拍打模式在高速模式下效率更高。Blake总结了划模式包括两次击打：力量击打和回复击打。在力量击打阶段，胸鳍以大攻角向后运动以获得推力，同时在回复击打阶段胸鳍平行于水面划行以减少阻力。Webb把拍打运动周期分为三个阶段：诱导，内收和折射。更一般的说，在诱导阶段鳍远离身体向下运动。然

6、后收回体表面，而在折射阶段鳍通过绕其主导边缘旋转运动回到初始位置。Westneat和Walker从鱼体侧面视角来划分鳍顶端轨迹。胸鳍顶端轨迹8路径几乎和体轴及运动方向垂直。　　根据划和拍打模式及其鳍顶端轨迹可知，每个胸鳍至少需要两自度。换一句话说，对　　于两个胸鳍需要4个自度。然而，3自度已经足够了，因为两个胸鳍的顺流模型是一致的。图1给出了一个胸鳍机构。　　图1胸鳍机构　　胸鳍的物理尺寸主要包括平面结构和翼型截面。平面外形可以分为三角翼，不规则四边形翼和椭圆形翼等。椭圆形翼被选作为胸翼的平面结构。因为胸翼主要是用来控制机器鱼的游动方向，低速翼型被选作为胸

7、翼的截面。图2给出了胸翼的外形，其翼型是NACA23012　　。胸翼的方位角面积　　。　　其中全长，翼型　　图2胸鳍的外形和它的翼型选择　　为了控制胸鳍的运动，有必要分析胸鳍的工作空间。因为左右胸鳍有同样的机构，在这里仅仅研究有胸鳍的工作空间。有胸鳍机构被看作是两节铰链，如图3。坐标系a固连在连接件根部a，坐标系b固连在铰链中心，坐标系c固连在杆b的末端。所有坐标系的x轴均平行于鱼的头-尾轴并指向鱼的头部，而y轴指向侧面方向。　　坐标系b相对于坐标系a的转换关系是　　其中a是坐标系b相当于坐标系a的旋转角。坐标系c相对于坐标系b的转换关系是　　其中是坐标系

8、c相当于坐标系b的旋转角。　　因此坐标系c相对于坐标系a的转换矩阵