渊1冤
机械制造 56 卷 第 649 期
圆园18 辕 9 45
研 究·开 发
银图 1 鳐鱼运动简图
将式渊1冤展开袁并按照等式两边实部与虚部分别相
等的原则袁可得到院
lCA+lABcos 渍=lCBcos 兹
渊2冤
lABsin 渍=lCBsin 兹
渊3冤
由式渊2冤尧式渊3冤可得到院
tan
兹=
lABsin 渍 lCA+lABcos
achieve regular fluctuations袁 thus the feasibility of the bionic skate underwater robot is verified.
Key Words院 Underwater Robot Skate Design Computer
1 设计背景
地实现模仿鳐鱼的游动形态袁但游动速度比较慢遥 Evo Logics 公司咱9暂以人造肌肉技术研制了一款仿鳐鱼机器 人袁用气动肌腱的驱动模式袁能够实现较好的运动遥
目前袁国内外在鳐鱼的运动学研究咱10暂方面已经有 了一定成果袁笔者设计了一款仿生鳐鱼水下机器人袁建 立其结构与运动学模型袁并在此基础上进行运动仿真遥
渍
渊4冤
对式渊4冤进行求导袁可得到院
d兹 dt
=
棕AB咱浊cos渊棕ABt冤+1暂 浊2+2浊cos渊棕ABt冤+1
渊5冤
式中院浊=
lCA lAB
曰棕AB 为 A B 杆的角速度遥
从图 2 及式渊5冤可以得到院当 BC 杆运动到上下极
限位时袁速度最小袁机构的传动效率最高曰当 BC 杆运
动到中间位置时袁速度最大袁传动效率最低遥
鱼类有多种运动形态袁仿生学研究人员依其推进 方式的不同袁主要分为 BCF渊身体/尾鳍冤和 MPF渊中央 鳍/对鳍冤两类模式咱3暂遥 鳐鱼是典型的 MPF 模式鱼类袁目 前国内外对仿生鳐鱼的研究已经有了很大进展遥
杨少波等咱4暂以牛鼻鲼为研究对象袁胸鳍两侧通过 八个舵机进行驱动袁 模仿胸鳍波动运动模式鱼类袁已 基本达到预期效果遥 王田苗等咱5暂也以牛鼻鲼为研究对 象袁加入了尾鳍袁可实现自由转向袁游动性能有了极大 提高遥 王扬威等咱6暂以蝠鲼为研究对象袁以形状记忆合金 为驱动材料袁体型小巧袁运动无噪声袁但驱动力不足袁游 动速度较慢遥
进而验证了仿生鳐鱼水下机器人的可行性遥
关键词院水下机器人 鳐鱼 设计 计算机
中图分类号院TH122曰TP24
文献标志码院A
文章编号院员园园园 原 源怨怨愿渊圆园员8冤09原 园园45原 园5
Abstract院 Based on the theory of fluctuation motion of skate pectoral fin袁 a bionic skate underwater
坐标原点建立直角坐标系袁 其中为 lCA 为 A 尧C 两构件 之间的距离袁lAB 为 A 尧B 两构件之间的距离袁lCB 为 C尧B 两构件之间的距离袁兹 为 BC 杆与 X 轴正方向的夹角袁
渍 为 A B 杆与 X 轴正方向的夹角遥
依据 lCA+lAB=lCB袁可得到院
lCA+lABei渍=lCBei兹
通过胸鳍的波动来获得推进遥因此袁结构设计的重点在
于传动构件及胸鳍的设计遥
根据鳐鱼胸鳍波动推进的运动特点袁 传动构件的
目的是将动力传送到鱼鳍位置袁使鱼鳍发生柔性变形袁
进而产生自前往后的传递波袁来推动鳐鱼的前进遥为了
使系统具有更好的传动效率袁 采用摆动导杆机构作为
鱼鳍的驱动机构遥 摆动导杆如图 2 所示袁以 C 点作为
robot with soft fin mechanism was designed. The structure modeling and kinematics simulation of this robot
were carried out. It is confirmed that the skate mechanism can carry out effective motion袁 and the fins can
研 究·开 发
仿 生 鳐 鱼 水 下 机 器 人 的 设 计 与 仿 真 分 析*
□ 孙 檀 □ 邵千钧 □ 梁冬泰 □ 梁 丹 宁波大学 机械工程与力学学院 浙江宁波 315211
摘 要院基于鳐鱼的胸鳍波动式运动原理袁设计了一台采用软体鱼鳍机构的仿生鳐鱼水下机器人遥
对这一机器人进行了结构建模与运动学仿真袁确认鳐鱼机构可进行有效运动袁鱼鳍可实现规律性波动袁
Low 等咱7暂以蝠鲼为研究对象袁通过多舵机驱动袁可 以实现和鳐鱼基本一致的自主游动遥 Chen 等咱8暂以鳐鱼 为研究对象袁以锆钛酸铅无机材料作为驱动袁可以很好
* 国家自然科学基金青年基金资助项目渊编号院51305214冤曰 浙江省公益性技术应用研究计划项目渊编号院2017C31094冤曰 宁波市自然科学基金资助项目渊编号院2017A610124冤 收稿日期院圆园员8 年 4 月
随着陆上资源的不断紧缺和对海洋资源开发的强 烈需求袁水下推进器迅速发展遥 然而袁目前进行海洋探 索的水下推进器大多以螺旋桨为推进装置咱1暂袁存在体 积大尧能耗高尧噪声大和机动性差等缺点遥 以胸鳍波动 作为推进模式的鳐科鱼类袁如蝠鲼尧牛鼻鲼等袁在机动 性尧推进效率及适应能力等方面具有优越性咱2暂袁因此袁 对鳐鱼的研究越来越引起人们的关注遥
2 鳐鱼结构设计
鳐鱼的种类有几百种袁可依据外形大致分为两类院
类三角形和椭圆形咱11暂遥 笔者以胸鳍波动模式类三角形
鳐鱼作为研究对象袁其运动简图如图 1 所示咱9暂遥 鳐鱼通
过宽大的胸鳍产生波形袁 波形向后传递推动水流向后
运动袁所获得水流的反作用力即为前进的推力遥
鳐鱼在游动时袁身体部分是不参与运动的袁主要是
根据摆动导杆机构的运动原理袁 设计出如图 3 所
示仿生鳐鱼内部结构遥传动构件采用曲轴形式袁位置按
固定方向以 60毅相位差依次发生偏转袁 构成一个旋转
周期遥鳐鱼的胸鳍通过鳍条构成骨架袁模仿真实鳐鱼的
胸鳍形状袁采用对称的设计模式袁每侧胸鳍各包含六根
鳍条袁并且鳍条的长度自前往后依次递减遥 结构中袁前
面的底板主要起固定舵机的作用袁 后面的底板主要起
固定各轴的作用遥曲轴与底座焊接在一起袁同时底座固