哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 Key words:bionics,machine jellyfish,movement mechanism,dynamics analysis .I- 万方数据
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 Key words: bionics, machine jellyfish, movement mechanism, dynamics analysis - III - 万方数据
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 目录 摘要 Abstract 第1章绪论 …1 1.1课题研究背景目的和意义 1.2国内外研究现状 2 1.2.1国外研究现状 .2 1.2.2国内研究现状 6 1.2.3现有研究存在的不足 …9 1.3本课题主要研究内容 .9 第2章机器水母仿生学基础及动力学模型 11 2.1仿生水母运动机理及参数描述… 11 2.1.1水下推进模式及分类 11 2.1.2仿生水母推进模式分析及参数描述 13 2.2运动学分析及仿真 15 2.3仿生机器水母动力学模型建立 18 2.4机器水母受力分析及减阻设计 21 2.5本章小结 21 第3章机器水母的本体结构设计与分析 22 3.1仿生水母本体结构设计思想 22 3.2推进及动力传动机构设计 24 3.2.1推进触角机构设计 24 3.2.2触角运动学分析与仿真 26 3.2.3触角动力学仿真 30 3.2.4动力传动机构设计 34 3.3转向机构设计 37 3.4其他部件设计 38 3.4.1壳体和密封设计 38 3.4.2硅胶外皮连接设计 39 3.5伺服电机电机功率计算及电机选型 39 3.5.1电机功率计算 39 -IV. 万方数据
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 目录 摘 要 ....................................................................................................................I Abstract ................................................................................................................. II 第 1 章 绪论 .........................................................................................................1 1.1 课题研究背景目的和意义 ......................................................................1 1.2 国内外研究现状 .....................................................................................2 1.2.1 国外研究现状 .............................................................................2 1.2.2 国内研究现状 .............................................................................6 1.2.3 现有研究存在的不足 ...................................................................9 1.3 本课题主要研究内容 ..............................................................................9 第 2 章 机器水母仿生学基础及动力学模型 .................................................... 11 2.1 仿生水母运动机理及参数描述 ............................................................ 11 2.1.1 水下推进模式及分类 ................................................................. 11 2.1.2 仿生水母推进模式分析及参数描述 ........................................ 13 2.2 运动学分析及仿真 ............................................................................... 15 2.3 仿生机器水母动力学模型建立 ........................................................... 18 2.4 机器水母受力分析及减阻设计 ........................................................... 21 2.5 本章小结 .............................................................................................. 21 第 3 章 机器水母的本体结构设计与分析 ........................................................ 22 3.1 仿生水母本体结构设计思想 ................................................................ 22 3.2 推进及动力传动机构设计 .................................................................... 24 3.2.1 推进触角机构设计 ..................................................................... 24 3.2.2 触角运动学分析与仿真 ............................................................. 26 3.2.3 触角动力学仿真 ......................................................................... 30 3.2.4 动力传动机构设计 .................................................................... 34 3.3 转向机构设计 ...................................................................................... 37 3.4 其他部件设计 ....................................................................................... 38 3.4.1 壳体和密封设计 ......................................................................... 38 3.4.2 硅胶外皮连接设计 ..................................................................... 39 3.5 伺服电机电机功率计算及电机选型 .................................................... 39 3.5.1 电机功率计算 ........................................................................... 39 - IV - 万方数据
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 3.5.2选择伺服电机及其减速器 40 3.6水母重力及浮力计算 … 41 3.7本章小结 43 第4章机器水母推进性能实验研究 44 4.1引言 44 4.2仿生水母实验系统 44 4.3仿生水母控制系统设计 45 4.3.1伺服电机控制电路 45 4.3.2步进电机控制电路 46 4.3.3水母机器人的控制过程 46 4.4仿生水母实验内容及结果分析 47 4.4.1仿生水母调试实验 48 4.4.2仿生水母水下推进性能测试实验 49 4.4.3实验结果分析 52 4.5本章小结 52 结论 53 参考文献 54 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 57 致谢 58 -V 万方数据
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 3.5.2 选择伺服电机及其减速器 ........................................................ 40 3.6 水母重力及浮力计算 ............................................................................ 41 3.7 本章小结 ............................................................................................... 43 第 4 章 机器水母推进性能实验研究 ................................................................ 44 4.1 引言 ....................................................................................................... 44 4.2 仿生水母实验系统 ............................................................................... 44 4.3 仿生水母控制系统设计 ........................................................................ 45 4.3.1 伺服电机控制电路 .................................................................... 45 4.3.2 步进电机控制电路 .................................................................... 46 4.3.3 水母机器人的控制过程 ............................................................ 46 4.4 仿生水母实验内容及结果分析 ............................................................ 47 4.4.1 仿生水母调试实验 ..................................................................... 48 4.4.2 仿生水母水下推进性能测试实验 ............................................. 49 4.4.3 实验结果分析 ............................................................................ 52 4.5 本章小结 ............................................................................................... 52 结论 ..................................................................................................................... 53 参考文献 ............................................................................................................. 54 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 ............................................. 57 致 谢 ................................................................................................................. 58 - V - 万方数据
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第1章绪论 1.1课题研究背景目的和意义 本课题来源于国家自然科学基金（鲹科鱼类游动中的被动动力效应研究， No.50905040). 水中的生物经过不断的进化，具备了可以适应各种水下环境的运动能力。 由于传统的水下机器人具有效率低、噪音大等问题山，近年来仿生学的研究 越来越受到重视，而水下生物的仿生研究是仿生学的一个重要的分支，受到 的关注也越来越多。通过对仿生学的研究，很多生物原理应用到工程实践， 使仿生机器人技术得到很快的发展)。人们通过研究水下生物的运动机理及 特点，将其运用到水下机器人中，用以解决水下机器人运动速度慢、效率低 等难题，从而达到使水下机器人变得更灵活、推进效率更高4鬥。国内外学者 对水下生物的运动机理的研究，不仅使水下机器人的研究有了飞速的发展， 同时对工程上的一些实际问题的研究有实际的工程意义，如实现快速高效的 推进、具有高灵活性、减少噪声。 对于水下机器人，人们期望的目标是其具有效率高、速度快等优点，因 此很多人开始对鱼类加以仿生研究，并制作机器鱼样机，研究鱼的运动规律 和水动力学理论。通过研究鱼类的动力学理论，己经研制出很多机器鱼，可 以在水中实现游动，但游动速度和灵活性还远不能和鱼相比，仿生水下机器 人还有待进一步的研究。 相对于鱼类的摆动，水母的喷射推进运动逐渐引起了人们的注意。水母 作为一种无脊椎动物，其游动的平稳性和灵活性给人们带来了灵感，人们开 始对以水母为仿生原型的水下仿生机器人加以研究。相比于鱼类，水母具 有体积小、重量轻、柔性大、低代谢率，能够有效地利用水流被动游动等特 点，利用这些特点人们开始对仿生水母的研究产生了兴趣，对不同类型的水 母进行仿生研究，设计研究出仿生水母机器人[。 对仿生机器水母的研究成果在实际项目和军事等方面有很重要的应用。 仿生机器水母的特点是对于条件复杂的水下，其可以长时间的游动作业，同 时由于仿生机器水母具有内部空间大的特点，可以携带很多传感装置和侦查 设备，运用到海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等许多场合。在军事方面， 机器水母相对于其他水下机器人具有更强的隐蔽性，仿生机器水母具有自身 -1- 万方数据
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第 1 章 绪论 1.1 课题研究背景目的和意义 本课题来源于国家自然科学基金(鲹科鱼类游动中的被动动力效应研究， No.50905040)。 水中的生物经过不断的进化，具备了可以适应各种水下环境的运动能力。 由于传统的水下机器人具有效率低、噪音大等问题 [1] ，近年来仿生学的研究 越来越受到重视，而水下生物的仿生研究是仿生学的一个重要的分支，受到 的关注也越来越多[2] 。通过对仿生学的研究，很多生物原理应用到工程实践， 使仿生机器人技术得到很快的发展[3] 。人们通过研究水下生物的运动机理及 特点，将其运用到水下机器人中，用以解决水下机器人运动速度慢、效率低 等难题，从而达到使水下机器人变得更灵活、推进效率更高[4] 。国内外学者 对水下生物的运动机理的研究，不仅使水下机器人的研究有了飞速的发展， 同时对工程上的一些实际问题的研究有实际的工程意义，如实现快速高效的 推进、具有高灵活性、减少噪声[5] 。 对于水下机器人，人们期望的目标是其具有效率高、速度快等优点，因 此很多人开始对鱼类加以仿生研究，并制作机器鱼样机，研究鱼的运动规律 和水动力学理论。通过研究鱼类的动力学理论，已经研制出很多机器鱼，可 以在水中实现游动，但游动速度和灵活性还远不能和鱼相比，仿生水下机器 人还有待进一步的研究。 相对于鱼类的摆动，水母的喷射推进运动逐渐引起了人们的注意。水母 作为一种无脊椎动物，其游动的平稳性和灵活性给人们带来了灵感，人们开 始对以水母为仿生原型的水下仿生机器人加以研究[2] 。相比于鱼类，水母具 有体积小、重量轻、柔性大、低代谢率，能够有效地利用水流被动游动等特 点，利用这些特点人们开始对仿生水母的研究产生了兴趣，对不同类型的水 母进行仿生研究，设计研究出仿生水母机器人[6] 。 对仿生机器水母的研究成果在实际项目和军事等方面有很重要的应用。 仿生机器水母的特点是对于条件复杂的水下，其可以长时间的游动作业，同 时由于仿生机器水母具有内部空间大的特点，可以携带很多传感装置和侦查 设备，运用到海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等许多场合。在军事方面， 机器水母相对于其他水下机器人具有更强的隐蔽性，仿生机器水母具有自身 - 1 - 万方数据
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 噪声低，游动速度较慢，在实际侦测中不易被发现等特点，这极有利于隐蔽， 可以应用在隐蔽性较强的场合可。 由于仿生机器水母有这些优点人们开始重视加强仿生机器水母的研制， 已经研制出了一些仿生水母机器人样机。但国内外对水母推进机理和实验研 究还处于发展阶段，水母推进的基础理论还有待完善，制作出的水母样机的 推进效率和很多性能指标还远没有达到要求，因此，对仿生机器水母进行进 一步的理论和实验研究具有重要的意义。 1.2国内外研究现状 1.2.1国外研究现状 国外对仿生机器鱼的研究起步比较早，在1994年，麻省理工大学成功 研制出了第一条仿生金枪鱼，而随着仿生学的发展，人们开始关注并研制仿 生机器鱼样机，尤其是美国和日本研究的比较早，同时研究成果也很好。他 们研制的这些机器鱼采用的尾鳍推进和胸鳍推进两种模式，用于水下勘测和 侦查，很好的促进了仿生水下机器人的研究)。 美国作为仿生机器鱼研制较早的国家之一，对鱼类在水下的游动模式和 水动力学理论展开了研究。麻省理工大学、佛罗里达大学、加州大学等大学 分别根据鱼类游动的仿生研制出了不同的机器鱼样机，其中比较有代表性的 是麻省理工大学的三代仿生鱼。 麻省理工大学在1994年研制出了第一代仿生金枪鱼RoboTuna,如图 1-l()所示，它是由六台直流伺服电机驱动，通过摆动身体后部和尾鳍来实现 向前推进，速度可达2m/s,推进效率很高。 a)第一代仿生金枪鱼RoboTuna b)改进版RoboPike 图1-1麻省理工大学的前两代仿生鱼8) 在1995年，他们继续仿生鱼的研究，研制了改进版的RoboPike,如图 1-1(b)所示，采用玻璃纤维弹簧来做身体，其柔性可以避免撞击带来的破坏， -2- 万方数据
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 噪声低，游动速度较慢，在实际侦测中不易被发现等特点，这极有利于隐蔽， 可以应用在隐蔽性较强的场合[7] 。 由于仿生机器水母有这些优点人们开始重视加强仿生机器水母的研制， 已经研制出了一些仿生水母机器人样机。但国内外对水母推进机理和实验研 究还处于发展阶段，水母推进的基础理论还有待完善，制作出的水母样机的 推进效率和很多性能指标还远没有达到要求，因此，对仿生机器水母进行进 一步的理论和实验研究具有重要的意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 国外对仿生机器鱼的研究起步比较早，在 1994 年，麻省理工大学成功 研制出了第一条仿生金枪鱼，而随着仿生学的发展，人们开始关注并研制仿 生机器鱼样机，尤其是美国和日本研究的比较早，同时研究成果也很好。他 们研制的这些机器鱼采用的尾鳍推进和胸鳍推进两种模式，用于水下勘测和 侦查，很好的促进了仿生水下机器人的研究[5] 。 美国作为仿生机器鱼研制较早的国家之一，对鱼类在水下的游动模式和 水动力学理论展开了研究。麻省理工大学、佛罗里达大学、加州大学等大学 分别根据鱼类游动的仿生研制出了不同的机器鱼样机，其中比较有代表性的 是麻省理工大学的三代仿生鱼。 麻省理工大学在 1994 年研制出了第一代仿生金枪鱼 RoboTuna，如图 1-1(a)所示，它是由六台直流伺服电机驱动，通过摆动身体后部和尾鳍来实现 向前推进，速度可达 2m/s，推进效率很高。 a)第一代仿生金枪鱼 RoboTuna b)改进版 RoboPike 图 1-1 麻省理工大学的前两代仿生鱼[8] 在 1995 年，他们继续仿生鱼的研究，研制了改进版的 RoboPike，如图 1-1(b)所示，采用玻璃纤维弹簧来做身体，其柔性可以避免撞击带来的破坏， - 2 - 万方数据