（机械电子工程专业论文）一种水下航行体的仿水翼法推进技术研究.pdf

哈尔溟i 稃人学硕士学何论文 捅姜 仿生推进技术是水下推进技术研究领域的重要研究方向之一，它为研制 低噪声、高性能的水下航行体提供了基础技术支撑。本论文“种水下航行 体的仿水翼法推进技术研究”，以海龟为仿生对象，进行了生物水翼法推进技 术研究，目的在于丌发新型的水下推进技术，丰富水下推进理论，并基于新 型推进技术进行微小型水下航行体的载体技术研究。本论文主要进行了以下 几个方而的工作： 1 、对海龟生物原型进行了大量的实地观测实验，研究了海龟身体各部分 的体态特征、比例参数和海龟游动的运动特点，通过图像处理与分析，研究 了海龟前肢的水翼法游动机理。提出了仿海龟水翼法推进的构想。 2 、设计了仿水翼法的水下推进装置，包括本体结构设计和硬件控制系统 的设计等并研制了其原理试验装置；对仿水翼法推进装置进行了运动学和 动力学建模分析，建立了雅可比矩阵方程，为仿生推进控制提供依据；在 p r o e 仿真环境下进行了仿水翼法推进装置的运动学仿真实验，为进步优 化推进装蕾提供参考。 3 、对仿水翼法推进装置的原理试验装置进行了水下实验，基本实现了仿 海龟水翼法运动形式。验证了样机本体机械结构、密封方案和控制系统的可 行性和可靠性。 4 、研制了仿海龟后肢的后肢平衡舵装置原理试验装置，并扩展设计了整 个仿生海龟水下航行体，包括本体结构和总体控制方案的设计，提出了一种 新型仿生水下航行体的载体设计方案。 本论文对生物水翼法推进这种典型水中推进方式的运动机理进行了探 讨，通过运动模型的建立与分析，设计了仿水翼法推进装置，试验验证了仿 水翼法推进机理的可行性和仿生推进装置的可靠性，为迸一步研究仿生海龟 水下航行体提供了重要参考。 关键词：水翼法运动机理；仿生装置；水下航行体 哈尔滨f 。稗大学硕+ 学忙论文 a b s t r a c t t h eb i o n i cu n d e r w a t e rp r o p u l s i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t r e s e a r c hd i r e c t i o n si nt h eu n d e r w a t e rp r o p u l s i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c hf i e l d ，a n di t b r i n g sf o r t ht h eb a s i c a lt e c h n i c a ls u p p o n s t od e v e l o pt h el o wn o i s y , h i 曲f l e x i b l e u n d e r w a t e rv e h i c l e t h i sp a p e r ，o fw h i c ht h en a n l ei s r e s e a r c ho nb i o n i ct u r t l e h y d r o f o i lp r o p u l s i o nt e c h n o l o g yo fa u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e , u s i n g m a r i n et u r t l ea sb i o n i ct a r g e t r e s e a r c h e so nt h eh a l o b i o s h y d r o f o i lp r o p u l s i o n t e c h n o l o g y i no r d e rt oe x p l o i tn e wt y p eo fa n d e r w a t e rp r o p u l s i o nt e c h n o l o g y , e n r i c hu n d e r w a t e rp r o p u l s i o nt h e o r ya n dr e s e a r c ht h ec a r r i e rt e c h n o l o g yo fn e w p a t t e r n o fm i c r o m i n i a t u ra u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l eb a s e do nt h en e w p r o p u l s i o nt e c h n o l o g y f o l l o w i n ga r et h em a i nw o r k so f t h i st h e s i s ： f i r s t l y ，w em a k ean u m b e ro f o b s e r v a t i o ne x p e r i m e n t sa b o u tm a r i n et u r t l eo n t h es p o t ，r e s e a r c hi t se v e r yp a r tp o s t u r ep a r a m e t e r sa n dp r o p o r t i o np a r a m e t e r s ， u n d e r s t a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft u r t l es w i m m i n g b ym e a n so fi m a g ep r o c e s s i n g a n da n a l y s i sm e t h o d ，w er e s e a r c ht h em o t i o nt h e o r yo ft u r t l ef o r e l i m b sh y d r o f o i l p r o p u l s i o n ，a n db r i n gf o r w a r dt h en e wc o n c e p t i o no fi m i t a t i n gt u r t l eh y d r o f o i l p r o p u l s i o nm o t i o n s e c o n d l y , w ed e s i g nt h eb i o n i ct u r t l eh y d r o f o i lp r o p u l s i o nd e v i c e ，i n c l u d i n g m e c h a n i c sc o n f i g u r a t i o nd e s i g na n dh a r d w a r ee l e c t r o c i r c u i td e s i g n , a n dt h e n m a n u f a c t u r et h ee x p e r i m e n tp r o t o t y p ed e v i c e e s t a b l i s ht h ek i n e m a t i c sm o d e la n d d y n a m i c sm o d e lo ft h ep r o p u l s i o nd e v i c e ，t h e na n a l y s i s i t sj a c o b i a nm a t r i x e q u a t i o n ，p r e p a r i n gt h er e f e r e n c et oc o n t r o ls y s t e m u n d e rt h ep r o e n g i n e e r e m u l a t i o n a lc o n d i t i o n ，w ed ot h ed e v i c e se m u l a t i n gm o t i o ne x p e r i m e n t s ，a n dt h e r e s u l t sa r ei m p o r t a n tr e f e r e n c e st ob e t t e r m e n to f t h eh y d r o f o i lp r o p u l s i o nd e v i c e t h i r d l y ，w ed o t h eu n d e r w a t e re x p e r i m e n t sa b o u tt h eb i o n i ch y d r o f o i l p r o p u l s i o ne x p e r i m e n tp r o t o t y p ed e v i c e ，a n dt h er e s u l t sb a s i c a l l y a c h i e v et h e d e s i g ni n t e n t i o no fb i o n i ct u r t l eh y d r o f o i lm o t i o n a tt h es a m et i m e ，t h er e s u l t s a l s ov a l i d a t et h ed e s i g no fc o n f i g u r a t i o n ，d e s i g no fe l e c t r o c i r c u i ta n dd e s i g no f e d d yp r e s s u r i z e 哈尔滨r 稃尺学硕十学位论文 f i n a l l y , w em a n u f a c t u r et h eb i n n i ct u t l eh i n d l i m bb a l a n c er u d d e re x p e r i m e n t p r o t o t y p ed e v i c e ，a n dd e s i g nt h ew h o l eb i o n i ct u r t l ea u t o n o m o u n su n d e r w a t e r v e h i c l ew h i c hi n c l u d i n gm e c h a n i c sc o n f i g u r a t i o nd e s i g na n dc o n t o lp r o j e c td e s i g n 。 i ti san e wt y p eo fc a r r i e rb l u e p r i n ta b o u tt h ea u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ， t h i st h e s i sd i s c u s s e st h em o t i o nt h e o r yo ft h eh a l o b i o s h y d r o f o i lp r o p u l s i o n w h i c hi so b eo ft h er e p r e s e n t a t i v eu n d e r w a t e rp r o p u l s i o nf a s h i o n b ym e a n so f e s t a b l i s h i n ga n da n a l y s i n gt h ek i n e m a t i c sm o d l eo ft u r t l e ，w ed e s i g nt h eb i o n i c t u r t l eh y d r o f o i lp r o p u l s i o nd e v i c e ，a n dd ot h ee x p e r i m e n t st op r o v et h ef e a s i b i l i t y o fb i o n i ch y d r o f o i lp r o p u l s i o nt h e o r ya n dt h e r e l i a b i l i t yo fb i o n i ch y d r o f o i l p r o p u l s i o nd e v i c e a l lo ft h e s ea r et h ei m p o r t a n tr e f e r e n c e st or e s e a r c ho nt h e b i o n i ct u r t l ea u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e k e y w o r d s ：h a l o b i o s h y d r o f o i lm o t i o nt h e o r y ；b i o n i c sd e v i c e ；a u t o n o m o u s u n d e r w a t e rv e h i c l e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：到堕皇 日期：沙。7 年莎月沈日 哈尔滨群人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 经探测，地球表面积的三分之二以上被江河湖泊和海洋等水面覆盖，水 面以下蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源。毋庸置疑，随着陆地资源的开发 殆尽，水下资源的丌发和利用对经济增长的推动作用将愈趋明显【“。另外， 伴随我国国家海洋丌发战略和军事战略的发展，如何获得海洋及海滨地区的 技术优势和军事优势也成为了国家安全防御问题专家和国防技术研究人员关 注的焦点1 2j 。其实人类早在征服陆地的同时，就已经开始了征服水面的历程， 然两受到科技水平发展的限制，在很长一段对闻内，人类只能停留在水面以 上进行活动。直到出现了水下机器人，人类才开始有能力将触手伸向水面以 下了的多彩世界。 水下机器人的历史可以追述到公元前4 世纪的希腊，当时的马其顿争帝亚 历山大大帝( a l e x a n d e r ，公元前3 5 6 年至公元f i f j 3 2 3 年) 用一个大的玻璃容器， 内部用驴皮衬毕，外面装有铁架，下潜到3 0 米的水深，进行海底采集活动。 但这种水下机器人( 或称潜器、潜水器) 只是潜水员在水下把头伸进里面去 进行换气和呼吸用的，真正有意义的潜水器应该是1 6 世纪才出现的【3 1 。 目的用于水下观测、考察和开发的主要工具有载人潜水器和无人潜水器 ( u u v u n m a l l n e du n d e r w a t e r v e h i c l e s ) 两种。无人潜水器又称水下机器人， 它又分为无人遥控潜水器( r o v r e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e ) 和自治水下机 器人( a u v a u t d n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ) 。r o v 与水面母船之间出脐带 电缆连接，脐带电缆既向下传输动力，又实时双向传输控制信号( 由母船至 r o v ) 和数据、图像( 出r o v 至母船) 。而a u v 与母船之间则没有物理连接，它 依靠自身携带的动力以及机器的智能自主航行。与r o v 相比，a u v 具有活动 范围大、潜水深度大、无脐带纠缠、可进入复杂结构中、不需要庞大水面支 持系统、占用甲板小、运行和维修费用低等优点。然而受相关技术发展水平 的限割，目盼a u v 还不像r o v 那样成熟。 水下机器人按其运动方式可以统分为拖曳式、( 海底) 移动式和浮游( 自航) 哈尔滨i ：氍人学硕七学位论文 式三种【4 j 。其中大多数属于自由自航式，它们大多自带能源，在水面和水下 有多个自出度的机动能力，主要依靠耐压体或部分固体材料提供浮力，最大 下潜深度亦可达5 0 0 0 6 0 0 0 m ，没有浮力舱或者是没有那么庞大的浮力舱， 因此机动性较好，运载与操作也较为方便p j 。 自航式的水下机器人( 又称水下航行体) 既然要求有航行能力，就必须 具备推进器和控制航向的舵。水下机器人上的推进器几乎都可以从船舶的推 进器中找到原型，但是船舶上过去曾尝试过的各种形式的推进器已逐渐被淘 汰，现在使用的基本上只有螺旋桨推进器1 3 l 。然而，不管是哪种传统型的推 进器，都有它们的优缺点，只能适用于一定的场合。随着人们水下探索领域 的不断扩大，单一的螺旋桨推进技术己愈束愈不能满足人们的各种需要，如 此对水下航行体的推进装置便提出了新的要求。在这种背景下，各种非传统 的水下推进技术就应运而生了。 1 2 水下非传统推进技术综述 所有的水下推进技术都可以笼统的分为两大类：传统推进技术和非传统 推进技术。 所谓传统推进技术，一般是指从古到今在船舶上应用过的各种推进技术。 比如，在船舶推进器中，最早出现的是短桨。短桨的桨叶较宽，桨柄较短， 操作时没有固定的支点，双手把持桨柄，将桨叶插入水中，用臂力把水拨向 后方，推动船舶前进。长桨是在短桨的基础上发展的一种更强有力的推进工 具。长桨由桨叶、桨柄和把手3 个部分组成。操作时桨叶插入水中，桨柄架 在舷边桨叉( 这是固定的支点) 上。划桨人手持把手，可用全身之力来划桨， 拨水推船前进。除了桨之外，人们还在水深较浅的河道和湖泊上用过篙撑架 船只、木筏和竹筏。用篙撑船，每撑一次都要把篙从水底拔出，提上水面， 再插入水底另一点，推船前进。这是间歇性的架船做业，而且把篙提上时也 要消耗能鞋，因此推进效率较低。橹是桨发展的后期产物。操橹时，不必把 槽提上水面。摇橹是连续性操作，而且摇橹人可以随意变动橹的角度，以改 变产生推力的方向，灵活地操纵船的航向，推进效率较高。因此古人有“一 稽三桨，一桨三篙”之说。除此之外，还出现过帆船和明轮船等等。但经过 哈尔滨孚大学硕七学位论文 两次工业革命之后，船舶上过去曾尝试过的各种推进器已逐渐被淘汰，现在 使用的基本上只有螺旋桨推进器了。以上这些一般都被认为是传统的推进技 术，而除上述以外的其他推进技术就被统称为非传统推进技术。 1 2 1 水下非传统推进技术基本概念及分类 笔者认为，非传统推进技术又可分为两大类，一类是传统推进装置的非 传统应用；另一类则直接是非传统推进装置的应用。 传统推进装置的非传统应甩主要是针对螺旋桨推进技术而言的。按照传 统的方法，螺旋桨一般只是单个安装在船尾部中心平面上陋j ，但是为了提高 推进效率和降低噪声等，可以改变螺旋桨的安装方式和增加辅助装置。比如 以下几种形式：( 1 ) 双螺旋桨布置，包括对转螺旋桨、串列螺旋桨、叶轮螺 旋桨等等i “：( 2 ) 导管螺旋桨，即在螺旋桨的外面罩上一个专门设计的套简 或导管，可以提高其效率p j ：( 3 ) 串列推进系统，由两组呈环形分布的叶片 组成，分别安装在首部和尾部附近，可提高效率、吸收外界载荷波动【6 l 。 非传统的推进装置则是指除螺旋桨之外的其他推进装置，常见的有这么 几类：( 1 ) 槽道推进器，这是一种在水下机器人上广泛采用的获得侧向和垂 向推力的装置；( 2 ) 喷水推进器，它以水为介质，通过大流量水泵将水高速 喷出获得反作用力来推动潜水器前进 3 1 ；( 3 ) 磁流体推进器。基本原理是由 水下机器人产生强磁场，由于海水导电，导电后在磁场中会产生运动，以反 作用力推动潜水器前进_ l ：( 4 ) 仿生推进器，以水中生物为原型，模仿它们 的运动器官，丌发新型的水中推进装置。经历了长时间优胜劣汰后的水中生 物，不论是在游动效率、静音性还是运动操纵性等等方面，都是目前装备了 传统推进系统的水下航行体所无法比拟的。因此仿生推进器的研究是目前水 下非传统推进技术研究领域的一个热点课题，也是本课题所属的研究领域。 1 2 2 国外水下仿生推进技术的研究现状 目f i i 已研制出的各种仿生推进装置，根据其模仿对象的运动形式，可分 为仿鱼尾鳍摆动推进装置、仿鱼胸鳍拍动推进装置、仿身体波动推进装置、 仿多足动物爬行推进装置和仿蠕虫蠕动推进装置等。其中以仿鱼尾鳍推进的 哈尔暝j 程人学硕十学侍论文 研究最为常见j 。 美国m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ( m i t ) 开展了包括建立鱼类推 进数学模型、鱼类游动涡流控制和减阻机制在内的鱼类摆动机理研究【9 1 。麻 省理工学院海洋工程实验室、伍兹霍尔海洋研究所和纽约大学联合组成研究 小组展丌了有关鱼类仿生推进机理的研究。从1 9 9 4 年至1 9 9 9 年，以 t r i a n t a f y l l o um s 为主的研究小组先后设计了1 2 米长的机器会枪鱼 ( r o b o t u n a ) ，如图1 ，1 ( a ) 所示和0 8 米长的机器狗鱼( r o b o p i k e ) ，如图 ( b ) 所示。机器会枪鱼的鱼体骨架大部分是玻璃纤维制成的，上面覆盖 一层钢丝网，最外面套上一层合成弹力纤维；尾鳍是由弹簧状的锥形玻璃纤 维线圈制成，电机拉动钢索，钢索连接机器鱼脊柱关节而产生尾鳍摆动。麻 省理工学院海洋工程实验室的专家小组试图以此为实验平台，利用他们所提 出的“射流推进理论”解释有关鱼尾部产生推力的机理。后来又改进研制了 “机器狗鱼”束验证他们所提出的理论f j o j l j i j 。 ( a ) r o b o t u n a 1 0 1( b ) r o b o p i k e 图1 1m i t 研制的两代仿生鱼 图1 2 美国d r a p e r 实验室的“v c u u v 仿黄鳍金枪鱼机器入 4 哈尔滨r 科入学硕士学位论文 随后，麻省理工学院又与c s d r a p e r ( 美国国防高级研究计划局) 实 验室联合制造了长度为2 4 米的机器鱼样机( v c u u v 仿黄鳍金枪鱼机器人) ， 如图1 2 所示。英国焦点月刊文章机器动物园对此曾发表评论说， 这方面的研究可能会引起种新型有效的水下航行推进装置的革命，在军事 方面具有重要意义。 日本也是丌展与鱼类推进相关的研究系统性较好的国家之一。日本国家 海洋研究中心( n m r j ) 研制了多种类型的仿生水下机器人，用以研究鱼类 游动的不同特性，图i 3 是其中比较有代表性的几种。其中图1 3 ( a ) 为p f - 6 0 0 用以研究仿鱼机构的基本推进特性；图1 3 ( b ) 为p f 3 0 0 ，用以研究鱼类的 高效转弯特性：图1 3 ( c ) 为u p f 2 0 0 1 ，目的是建造一种高性能综合实验平 台，它可以通过安装在艏部的胸鳍做升沉运动，并在频率9 5 h z 时达到最高 航速o 9 7 m s ；图1 3 ( d ) 为p f 7 0 0 ，研究高航速特性，尝试通过提高频率 来提高速度，在频率为1 2 h z 时达到最高航速0 7 r r d s ；图】，3 ( e ) 为p f 5 5 0 ， 研究快速f 潜性能，可以通过转动尾鳍的方向来实现前进和潜浮运动。另外 n m r i 网站上还介绍了鱼类游动的机理，并畅想了未来仿生水下机器人的发 展方向和用途| i3 l 。 ( a ) p f 6 0 0( b ) p f 3 0 0( c ) u p f 2 0 0 1 ( d ) p f 7 0 0 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 ( e ) p f 5 5 0 图1 3 同本国家海洋研究中心( n m r i ) 的系列机器人【1 3 1 图1 4 美国东北大学研制的“七鳃鳗水下机器人州剐 美国东北大学船舶科学中心模仿水下脊椎动物研制了七鲤鳗仿生水下机 器人，如图1 4 所示。该仿生机器人由装有电源、控制系统的树脂玻璃绝缘 罩和形状记忆合会驱动的波动器组成，绝缘罩中装有罗盘、测量摆动斜度的 倾斜仪和声纳。陔机器人绕躯体轴线有节奏地横向波动，从头部到尾部左右 摆动的摆幅逐渐增加，将波动从尾部到头部反馈回来就可推进它向f i 运动1 8 l 。 图1 5 美国海军的“机器龙虾”1 1 4 1 1 1 5 1 1 1 6 1 图1 6 加拿大海龟机器人”1 1 7 1 美幽海军与屿萨产品公司和波士顿的东北大学联合研制了“机器龙虾”， 如图1 5 所示。咳机器龙虾是一种有足水下步行机器人，为有海流和海浪的 6 哈尔滨i j 掣人学硕士学位论文 潜水区域的排雷作业而研制的。它由8 条3 自由度腿驱动，能够深游和爬： 头部装有2 个钳子，起到液动控制舵的作用：尾部伸出8 英寸长的水流动力 控制平面柬保持稳定。机器龙虾靠8 条腿行走，每条腿以3 个关节为基础进 行基本动作【4 m l 【1 “。 加拿大约克大学研制了一种名为“a q u a ”的海龟机器人，如图1 6 所示。 这个防水机器人有6 只鳍状的脚，它们能够在奔腾处理器和惯性传感器的控 制下躏珊地在海底行走或是在浪花中游泳【l7 1 。 1 2 3 国内水下仿生推进技术的研究现状 国内的水下仿生推进技术研究起步较晚，大约是在二十世纪末才开始的， 但发展较快，目前已取得了一些成果。 哈尔滨工程大学水下机器人技术实验室在这个方面的研究工作走在国内 前列，尤其对于相关水动力问题有着较为系统的研究。他们以蓝鳍金枪鱼为 蓝本，研制了仿生水下机器人原理样机“仿生i ”，如图1 7 所示。机器人长 2 4 m ，最大直径06 2 m ，排水量3 2 0 k g ，负载能力7 0 k g ，最大潜深1 0 m ，配有 月牙形尾鲭和一对联动胸鳍。机器人体内有两台伺服电机，分别摆动尾鳍和 改变胸鳍攻角，可完成直航、回转和升沉等动作。在循环水槽中进行了系泊、 顶流和阻力等试验，在船模实验水池中进行了直航、原地回转、回航试验。 在直航等实验中，当尾鳍摆动频率为1 3 h z 时，机器人航速已达1 m s 。原地回 转直径4 m ，周期5 0 s ，2 0 s 内完成转n 1 8 0 。2 0 0 3 年1 0 月，在葫芦岛进行的海 试中，“仿牛i ”经受住了恶劣海况的考验【l ”。 图】7 哈尔滨工程大学研制的“仿生i ”号机器鱼f 1 3 】 哈尔滨1 ：程大学硕士学位论文 中国科学院自动化研究所研制了一套仿生机器鱼的胸鳍推进机构，如图 1 8 所示。胸鳍安装在壳体外两侧，壳体内部的传动装置带动胸鳍实现转动和 拍动运动。胸鳍系统共有三个自由度，其运动是由两个舵机通过两个万向连 轴器和线性滑座，将转动传递到齿轮轴，使齿轮转动，带动胸鳍做拍动运动。 第三舵机带动互相啮合的锥齿轮转动，带动空心轴转动，则固定于空心轴内 的齿轮随着转动，带动胸鳍做转动运动。 图】，8 中科院自动化研究所的机器鱼胸鳍推进机构示意图 1 3 仿水翼法推进技术综述 水中生物的游动方式可耦略的分为摆动法、划动法、水翼法、喷射法等 四大类1 1 9 i 。经过上面的介绍，我们可以发现：古人已经借鉴划动法发明了长、 短桨：后来科研人员又根据喷射法游动原理发明了喷水推进器；现在鱼类的 摆动游法也成为了仿生推进技术研究中的宠儿；只有仿水翼法游动的研究还 比较少见。然而水生动物水翼法游动的高效率、灵活性却一直是科研人员翘 首以盼的。因此我们在研究动物水翼法游动的基础上，开发了一套新型推进 装置，进行了仿水翼法推进技术的探索研究。 其实在船舶工业中，早已有了“水翼( h y d r o f o i l ) ”这一名称，只是船 舶行业罩的“水翼”，是特指船舶中的一类高速艇“水翼艇”而言的， 如图i9 所示。2 0 世纪初的发明家在船舶底部安装了一块水翼板，当船在水 8 哈尔滨1 = 稃大学硕十学位论文 中航行时，水翼板的几何形状使其产生一定的升力将船体抬出水面，犹如飞 机机翼在空中运动产生升力一样。而船体一旦离开了水面，其兴波阻力就被 消除了，使船舶高速航行的总阻力大为减小，这就是水翼艇的基本原理【2 0 j 。 但本文所说的“水翼”，是指某些水生动物的流线型运动器官。海龟、企鹅 等大型水生动物，它们的前肢就是水翼。它们游动时，翼状的前肢在水中上 下拍动，并不断改变水翼前缘的上翘与下沉，使水产生反作用力推动它们前 进，犹如飞鸟在空中拍动翅膀飞行一样，这就是动物的水翼法游动i 9 1 。如图 1 1 0 所示： 图1 9 高速水翼客船图1 1 0 海龟在水中游动 1 3 1 仿水翼法推进技术的研究现状 2 0 0 2 年8 月在美国圣迭戈举行的第5 届国际水下机器人大赛上，美国杜 克大学拿出了他们的a u v 参赛作品“g a m e r a ”，如图1 1 1 所示。与其他参 赛机器人有所不同的是，“g a m e r a ”并非采用传统的螺旋桨推进方式，而是 利用四个对称鳍的上下拍动完成机器人的各种运动功能。虽然它还不是典型 的水翼法游动，但四肢鳍的上下拍水动作已经类似海龟前后肢的简单拍动了， 是仿水翼法推进技术的初步探索。可惜在以后几届的水下机器大赛上，再未 见过“g a m e r a ”或其改进型的身影。 国内的上海交通大学曾申请过一个名为水陆两栖仿生机器龟的发明 专利。此机器龟以两栖淡水龟为研究对象，其四肢结构完全相同、对称分布， 以单电机通过m 歇齿轮组及连杆机构实现单肢的机械运动。此机器龟的运动 为固定周期的机械式划动，据称可以完成水中游动和陆地爬行两种功能，因 哈尔滨【群人学顼十学何论文 此叫作“水陆两栖仿生机器龟”，其内部结构如图1 1 2 所示。但此机器龟的 水中运动形式是以淡水龟的四肢划动式为原型的，与海龟的水翼法游动还相 去甚远，因此它还不能称为仿水翼法推进技术的研究。 图1 1 1 杜克火学“g a m e r a ”1 2 1 】图1 1 2 上海交大“水陆两栖仿生机器龟” 因为海龟水翼法推进从生物学角度融合了动物飞行和游动两种运动，其 有别于动物飞行的高频气动特性和鱼类游动的单驱动特性，其基本动作更接 近于动物飞行扑翼1 2 ”，所以专门针对这方面的研究还比较少。但相近研究的 报道却也还有些：中国科学院生物运动力学实验室提出了以理论模化方法 对昆虫飞行和鱼类游动进行生物外部流体力学研究1 2 2 】，美国c o r n e l l u n i v e r s i t y 研究了空气中昆虫的拍翼模型，数值分析结果表明二维拍翼模型产 生的气动力优于三维模型1 2 ”，英国c r a n f i e l du n i v e r s i t y 就拍翼模型提出用桨 元理论建童扑翼的气动模型，对扑翼运动形念与产生的气动力进行了分析 1 2 4 1 ，南京肌宅航犬大学进行了仿尘扑翼飞行机器人翅型的研究，探讨了扑翼 机构的流体试验平台的构建1 2 ”。 除此之外目前国内外在仿水翼法推进技术研究方面的公开报道还比较 少见，因此，仿水翼法推进技术研究现在还属于是一个研究冷门。 1 3 。2 仿水翼法推进技术研究的难点和重点 目前，我们的仿水翼法推进技术研究还处于起步阶段，不可避免地遇到 了以下的技术难点和重点： 哈尔滨r 样人学硕十学位论文 生物观测技术。生物观测实验是进行仿生学研究必不可少的环节，是仿 水翼法推进技术研究的基石。然而，与仿鱼推进技术研究等所不同的是，采 用水翼法推进的生物原型比较少见，对生存环境的要求也比较苛刻。这就提 高了我们进 1 。l 物观察的难度，限制了生物观测实验的手段，增加了实验数 据的误差柬源。 驱动元的耦合驱动控制技术。目前以仿鱼推进研究为主的仿生水下机器 人的驱动单元大多采用单电机( 单驱动元) 驱动，而仿水翼法推进技术的研 究至少需要两个以上的驱动元进行耦合驱动，才能完成水翼的各种运动姿态。 这就大大增加了仿水翼法推进技术中各驱动元的控制协调难度，使之成为仿 水翼法推进技术中的重点技术。 水下动密封技术。因为仿水翼法推进技术需要多驱动元的耦合驱动，这 就使得仿水翼法推进技术较之其他推进技术有更多的运动输出，也就使得航 行体所需的动密封数量和质量大为提高。因此，能否解决好仿水翼法推进的 动密封问题将直接决定着航行体研制的成败。 微小型技术。小型化、多功能是未束水下机器人发展的趋势，而仿水翼 法推进技术卸要在增加内部驱动元的基础上进行小型化，这就使得微小型技 术在仿水翼法推进技术中的应用显得更为重要。新材料、新能源、新驱动元 件以及微小型控制系统等在仿水翼法推进技术中的的应用也显得愈加迫切。 1 4 课题的来源和论文的主要研究内容 1 4 1 课题的来源及研究意义 本课题来源于哈尔滨工程大学基础研究基金项目，其目的就是基于非传 统推进技术进行微小型水下航行体的载体技术研究。而反过来，在水下微小 型载体的研究方面，应用非传统推进方式的动力驱动研究还不成熟。因此以 海龟为生物原别，研究水下航行体的仿水翼法推进机理和操纵方式，是水下 航行体推进方式的探索性研究工作。本项目的开展，对于研究新的水下航行 体驱动方式，研究微小型模块化结构，降低噪声，提高水下机器人的机动性 和隐形性，具有重要的理论研究意义；同时，研究仿水翼法推进的实现方法 与基础技术，为丌展仿生水下机器人载体技术研究提供理论基础和技术支撑， 具有重要的军事价值和民用价值。 1 4 2 论文的主要研究内容 根据上述分析及具体工作要求，本文将完成以下工作： 1 进行海龟生物原型的观测实验并分析其结果，进行仿水翼法推进技术 的理论探讨。 2 根插：水冀法推进的原理，设计研制二自由度的仿水翼法推进装置原理 样机，并且依捌海龟生物原型前后肢功能分开的特点，参照海龟原型的体态 特征，利用p r o e 软件设计了一种新型仿生海龟水下航行体，设计研制了航 行体的后肢平衡舵装置的原理样机。 3 搭建仿水翼法推进装置基于d s p 的驱动、控制平台，并设计了水下航 行体的总体控制系统力案。 4 建立仿水翼法推进装置的运动学和动力学模型，利用计算机软件对单 肢水翼模型进行本体固定下的运动学仿真实验。 5 搭建仿水翼法推进装置的单肢实验平台，根据运动学，动力学分析结 果，从仿生角度出发，进行相关实验， 案，验证机构i 殳计的可行性和可靠性， 捡验仿水翼推进装置的控制、驱动方 并考察推进装置的动密封效果。 第2 章海龟生物观测实验及水翼法推进机理研究 2 1 引言 生物观测实验是进行仿生学研究必不可少的环节，是我们研究仿水翼法 推进技术的基石。因此，我们对海龟生物原型进行了长时间的实地观测，积 累了大量的实体运动影像资科，运用影像剖析和数学解析等方法对生物原型 及其运动器官进行了系统研究，基本掌握了水翼法推进方式的运动机理和海 龟游动的动作要领。 2 2 海龟生物原型的静态观测实验 图2 1 海龟生物原型的整体示意图 海龟属于爬行动物纲，为中生代三叠纪灭绝的杯龙类的后裔【z “，是国家 二级保护动物。全世界的海洋罩共生存着8 种海龟：棱皮龟、红头龟、玳瑁、 橄榄绿鳞龟、大海龟、绿海龟、黑海龟( 太平洋丽龟) 和平背海龟。它们生活 在各自的海域争，身体形态也各有特色，但大致都可分为五部分：头部、水 翼( 即前肢) 、壳体、后肢和尾部，如图2 1 所示。在上一章里我们已经介绍 哈尔滨i ：样人学硕十学位论文 过，当海龟在游动时，它们的翼状d 口肢体便形成水翼，因此海龟的前肢也可 称为“水翼”1 1 9 i 。海龟也有尾巴，只是尾巴较短小，图中角度未能将尾巴表 现出来。海龟游动的主动力来自前肢水翼，后肢起到辅助划水及平衡舵的作 用，因此的、厩肢是海龟主要的运动器官。当然，海龟头部和尾部也起到一 定的平衡和导向作用，只是在这里不是我们的研究重点。下面我们将对海龟 的前肢、后肢及流线型壳体进行体态特征的分析。 2 2 1 海龟前肢的体态特征 以栖息f 我国南海海域的成年绿海龟为观测对象。对其j ；i 肢各部进行了 影像特写观察和关节活动分析，并对水翼的展弦比及截面进行了栅格拓印分 析和影像剖析，其前肢特写如图2 2 所示； 图2 2 海龟日n 肢各部示意图图2 3 肩关节的旋转坐标简化示意图 由图2 ，2 我们可以发现，绿海龟的前肢可分为三个部分：肩部、水翼( 翼 状肢体) 和钩爪。肩部是连接水翼和身体的柔性环节，在前肢中所占比列较 小，但却是前肢的主要活动关节。经观察发现，若以肩部的中心为坐标原点， 指向水翼术端为x 轴正方向、与x 轴垂直且指向前方为y 轴正方向，根据右 手定则建立三维坐标系o - x y z ，如图2 3 所示，肩关节可以为水翼提供分别 绕x 、y 、z 三轴的旋转自由度( 其实海龟也能伸缩四肢，只是在游动时并不 做伸缩动作，因此本文就事论事，不考虑其四肢的直线伸缩自由度) 。不过， 三个自由度的旋转角度范围是不一样的，具体运动情况将在海龟动念观测实 验中描述。水翼是前肢的主体部分，也是其运动的执行器官。水翼形状近似 飞鸟翅膀，可以伸展和向内弯曲，内部由前肢骨骼作为中心支撑和形成关节， 骨骼四周附着肌肉，最外面由经过海水摩擦而已经角质化的表皮覆盖，因此 4 哈尔滨】：群火学硕十学位论文 水翼是带有柔性的不完全角质化器官。水翼离肩部越近的地方，前肢骨骼越 发达，柔性越大；离肩部越远的地方，前肢骨骼越退化，肌肉越少，角质化 程度则越高，没有柔性。钩爪位于水翼前缘靠末端处，实际上是一个角质化 的钩状弯爪，因其体积很小而在图中表现不出，它是海龟生物进化的保留物， 本身没有活动能力，跟随水翼一起运动，对水翼游动并不产生影响。 海龟水翼的左右宽度称为翼展，前后缘的距离称为翼弦。翼展与翼弦的 比值就叫做水翼的展弦比，展弦比对水翼运动的效应很有影响 1 9 l 。因此下面 我们将对绿海龟水翼的展弦比进行栅格拓印分析，如图2 4 、2 5 所示，确定 其数值大小。 图2 4 绿海龟水翼特写图2 5 绿海龟水翼栅格拓印图 。，、_ o j j o - 1 臂 。t 0 - _ ，j ，? 一一一j js i l i 一 j 。， e 一 都 ，。，：o 5 | _ _ j - n 4 4 0 图2 6 绿海龟前肢的近似轮廓和投影尺寸 绿海龟的6 “肢是不规则形状的，我们根据绿海龟前肢的栅格拓印图，如 图2 5 所示，描绘出其完全伸展时的大概轮廓并测量出翼展、翼弦和肩部的 近似尺寸，如图2 6 所示。由测量可知，此绿海龟左前肢水翼的翼展长l 大 约为4 4 0 r a m ，翼弦长c 为1 0 5 m m ，则展弦比l c = 4 2 ；肩部长3 0 m m ，其截 面近似一个跃轴为6 5 r a m 、短轴为3 7 r a m 的椭圆。由于前肢钩爪的尺寸过于 微小，并且与海龟游动的关系不大，于是我们便在图2 6 中将钩爪省略了。 1s 哈尔滨i 样人学硕十学位论文 另外，撤抛海龟左右前肢的对称性，认为此绿海龟右肢的各部尺寸与左肢基 本相同。 因为绿海龟属于国家二级保护动物，来源极为珍贵，不可能将其前肢进 行解剖以观察水翼的横截面，所以我们只有运用影像剖析的方法描绘出其截 面的大致轮廓。我们在距海龟身体的不同距离d 上分取六处观察水翼截面， 发现这六处的截面皆为流线型，且截面面积随着截面与身体距离的增加而递 减。我们将每个截面的展长l 、弦长c 以及截面与身体的距离d 都做了记录， 并计算了展弦比l c ，描绘出了它们之间的变化关系。六个水翼截面轮廓可 见图2 7 ，其有关数值见表2 1 ，其中d 、l 、c 的单位均为“n l i t l ”。 adca e i 表2 1 六处水翼截面的有关数值珊 孽擎ab 笆：= = 互一 c 宇彳e j r 图2 7 六处水翼截面的形状示意图 截面距身展弦长宽 序号体d 长l长c比l c a3 68 53 5 2 。4 b 1 0 09 23 03 1 c1 9 08 2 1 94 3 d2 8 06 61 44 9 e3 5 55 095 6 f4 3 04 06 6 7 另步 ，我们根掘积累的水翼其他截面数据，以截面与身体的距离d 为x 轴，分别以戗l n l 的展长l 和弦长c 为y 轴，做出了水翼截面展长l 和弦长c 分别随截面与身体距离d 而变化的曲线图，以表述其中的关系，如图2 8 所 示： 1 6 哈尔滨i 。稃人学硕七学他论文 纩、 | | l 卜啦 l ，一l 。l ) 图2 8 水翼截面展、弦长随与身体距离变化的曲线图 经过以上分析可以看出，绿海龟前肢水翼的投影展弦比比值较大，l c 大约为4 2 ；水翼截面形状呈流线型，且背部稍隆起，底部较平缓稍带内凹。 由图2 7 中的a e 截面可见水翼前缘较鼓，后缘较扁，因为前肢骨和肌肉靠前 缘，后缘为角质化皮肤，运动时前缘带动后缘：由f 截面可见，角质化程度 较高的水翼木端处前缘和后缘都较扁平，前肢骨和肌肉退化，末端水翼只能 跟随前端i 阿动，本身嵌失了运动能力。这些都与文献 1 9 】钦俊德院士所著动 物的运动( 清华大学出版社、暨南大学出版社) 一书中有关海龟水翼的描述 基本相同，因此可以说明我们所采用的对海龟水翼的观测方法是可行的。 2 2 2 海龟后肢的体态特征 海龟游动的主动力来自前肢水翼，而后肢则起到辅助划水及平衡舵的作 用，所以我们研究海龟的水翼法游动也必须考虑其后肢的影响因素，同前肢 一样，我们对绿海龟的后肢也进行了栅格拓印分析和影像剖析。 ( a )( b ) 哈尔滨l 。稃大学硕士学位论文 埏主习 ( c )( d ) 图2 9 绿海龟后肢圉 绿海龟的后肢在结构上与前肢很相似，分为股部、脚蹼和趾钩三部分。 胶部连接身体与脚蹼，是后肢的主要活动关节，也能为脚蹼提供绕x 、y 、z 三车由的三个旋转自由度，如图2 9 ( b ) 所示。脚蹼是后腔运动的执行器官， 与前肢一样，也有后肢骨骼贯穿其中，外附肌肉和角质化皮肤，只是后肢运 动相对较少，幽此内含肌肉较少，皮肤也没有前肢的角质化程度高。趾钩同 样是海龟进化