仿生機器魚設計

1、仿生機器魚設計第一頁，共15頁。課題背景仿生學基礎理論構架實際成果未來藍圖第二頁，共15頁。仿生機器魚仿生機器魚的研究意義仿生機器魚的分類仿生機器魚的發(fā)展趨勢與展望（1）驅動裝置的優(yōu)化（2）運動機理的優(yōu)化（3）個體智能化發(fā)展（4）群體仿生機器魚的發(fā)展第三頁，共15頁。仿生學基礎魚類游動的物理原理魚類游動的運動學模型第四頁，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世紀中期以來，隨著科技的發(fā)展，機器人技術得以發(fā)展并飛速進步。世界上許多國家都非常重視機器人技術的研究，講機器人作為一個重點研究項目并大力發(fā)展。但當前水下機器人多采用傳統(tǒng)的

2、螺旋槳作為推進器，其體積大、質量重、能耗高、綜合效率低、可靠性差、瞬間響應有滯后的現(xiàn)象、運動靈活性能差，并且伴有較大的噪聲和尾渦。螺旋槳效率低也是水下機器人能源瓶頸的主要原因之一。螺旋槳推進器的這些缺點不利于具有大范圍轉與能力和高機動性的水下機器人。為了克服螺旋槳推進器的這些缺陷，適應未來水下機器人技術發(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，采用尾鰭推進的魚類在游動時主要通過脊椎曲線的波動來產(chǎn)生推進力。因此，大多數(shù)魚類特別是鯵科魚類的推動機構可分為兩部分：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）擺動部位的簡化關節(jié)數(shù)N擺動部分各個關節(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。魚類游動的運動學模型魚類運動學模型的簡化魚體波曲線的方程的改進機器魚的結構參數(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：魚體波波幅包絡線的一次項系數(shù)；c2：魚體波波幅包絡線的二次項系數(shù)；w:魚體書波頻率頻率（w+2f=2/T)第八頁，共15頁。魚體運動學模型的簡化迭代逼近桿長系數(shù) m計算關節(jié)坐標對（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ybody(x,t)=(c1x+c2x2)sin(k1+k2x)x+wt第十頁，共15頁。機器魚的機構參數(shù)優(yōu)化minf(X)=Si第十

5、一頁，共15頁。機械結構示意圖機械結構示意圖第十二頁，共15頁。機械結構介紹機器魚總體結構主要分為魚頭、魚身、魚尾三個部分。魚頭部分由控制電路板、電池、通訊模塊、電源開關和胸鰭構成，魚頭上預留了吹氣孔、充電頭和天線魚身部分由三個擺動關節(jié)串聯(lián)構成，每個關節(jié)均由一個直流伺服電機驅動，模擬魚體波曲線的運動魚尾為新月型尾鰭第十三頁，共15頁。機器魚硬件系統(tǒng)控制系統(tǒng)：控制芯片采用貼片封裝的8位AVR單片機ATmege128，其內含128KB Flash、4KB EEPROM，產(chǎn)生6路PWM信號。動力系統(tǒng)：采用Futaba S3003 舵機，扭矩達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)