仿生机器鱼设计

1、仿生机器鱼设计第一页，共15页。课题背景仿生学基础理论构架实际成果未来蓝图第二页，共15页。仿生机器鱼仿生机器鱼的研究意义仿生机器鱼的分类仿生机器鱼的发展趋势与展望（1）驱动装置的优化（2）运动机理的优化（3）个体智能化发展（4）群体仿生机器鱼的发展第三页，共15页。仿生学基础鱼类游动的物理原理鱼类游动的运动学模型第四页，共15页。研发背景随着人类的发展，对资源的需求不断增加，陆地上的资源日益紧缺，于是人类把目光投向海洋。20世纪中期以来，随着科技的发展，机器人技术得以发展并飞速进步。世界上许多国家都非常重视机器人技术的研究，讲机器人作为一个重点研究项目并大力发展。但当前水下机器人多采用传统的

2、螺旋桨作为推进器，其体积大、质量重、能耗高、综合效率低、可靠性差、瞬间响应有滞后的现象、运动灵活性能差，并且伴有较大的噪声和尾涡。螺旋桨效率低也是水下机器人能源瓶颈的主要原因之一。螺旋桨推进器的这些缺点不利于具有大范围转与能力和高机动性的水下机器人。为了克服螺旋桨推进器的这些缺陷，适应未来水下机器人技术发挥在那的要求，人们在开发新能源的同时，也在积极寻找性能更加优良的新型推进方式。第五页，共15页。鱼类游动的物理原理鱼类属于脊椎动物种群，其身体有很多跟脊椎骨相互连接而成，采用尾鳍推进的鱼类在游动时主要通过脊椎曲线的波动来产生推进力。因此，大多数鱼类特别是鯵科鱼类的推动机构可分为两部分：柔韧性和

3、摆动的尾鳍。其中柔性身体可看作是由一系列的铰链连接而成的摆动连尾鳍可视为摆动的水翼。第六页，共15页。鱼类与游动有关的物理参数摆动部分长度占身体总长的比例（R1）摆动部位的简化关节数N摆动部分各个关节之间的长度比l1:l2:l3：lN尾鳍形状决定鱼体波的特征参数：（1）鱼体波曲线方程ybody(x,t)=f(x,t)（2）身体各个部分的关节摆动幅度ybody你（3）尾鳍的最大击水角第七页，共15页。鱼类游动的运动学模型鱼类运动学模型的简化鱼体波曲线的方程的改进机器鱼的结构参数优化曲线方程：ybody(x,t)=(c1x+c2x2)sin(kx+wt)ybody：鱼体的横向位移（背腹轴）；x:鱼

4、体的轴向位移（头尾轴）；k:波长倍数（k=2/ , 是鱼体波的波长）；c1：鱼体波波幅包络线的一次项系数；c2：鱼体波波幅包络线的二次项系数；w:鱼体书波频率频率（w+2f=2/T)第八页，共15页。鱼体运动学模型的简化迭代逼近杆长系数 m计算关节坐标对（xi,j,yi,j）计算杆（lj）与鱼体主轴（x轴）的夹角i，j计算二维关节扭摆系数组OscdataMNybody(x,t)=(c1x+c2x2)sin(kx+2i/M)第九页，共15页。鱼体的波曲线方程的改进ybody(x,t)=(c1x+c2x2)sin(k1+k2x)x+wt第十页，共15页。机器鱼的机构参数优化minf(X)=Si第十

5、一页，共15页。机械结构示意图机械结构示意图第十二页，共15页。机械结构介绍机器鱼总体结构主要分为鱼头、鱼身、鱼尾三个部分。鱼头部分由控制电路板、电池、通讯模块、电源开关和胸鳍构成，鱼头上预留了吹气孔、充电头和天线鱼身部分由三个摆动关节串联构成，每个关节均由一个直流伺服电机驱动，模拟鱼体波曲线的运动鱼尾为新月型尾鳍第十三页，共15页。机器鱼硬件系统控制系统：控制芯片采用贴片封装的8位AVR单片机ATmege128，其内含128KB Flash、4KB EEPROM，产生6路PWM信号。动力系统：采用Futaba S3003 舵机，扭矩达4.1Kg/cm，提供可靠的动力支持。通讯系统：通讯模块采用双工无线通讯模块, 可以通过通讯检测来确保信号收发