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黄河科技学院毕业论文 (文献综述 ) 第 1 页 鱼类形体结构与机器鱼的游动机构设计 摘 要 ： 21 世纪是海洋的世纪 ,加上由于各种技术的全面发展带动了机器人技术的发展，对于在海洋开发和相关领域中运用机器人技术已引起了各方面的重视。并且随着海洋开发的进展，一般的潜水技术已无法适应现代高深度综合考察和研究、完成各种作业的需要。但在现实中都是利用螺旋桨来推动船前进，而是否能利用鱼类的游动原理来做出比具有螺旋桨更快和更低噪声的水下推行器，突破当今专一的运输方式和水下推进方式，已成为一个热门研究课题。 研制机器鱼具有广泛的现实意义，它可以更逼真的模拟鱼的游动原理，使水 下的机器人运动更符合流体力学原理，具有更好的加速和转向能力，利用它们可以探测海洋，寻找和检测海域中受污染的地方，也可以用来勘探地形；可以通过研制机器鱼这个实验平台来研究鱼的运动原理和鱼类运动所依附的流体力学原理；而且它以泳动方式运动，解决了螺旋桨的噪声问题；构造要比一般的水下推进器简单，制作和使用成本都较低；能源利用率高，作业时间长；当给相同的电能时，机器鱼能够比自制的潜艇游的更远；无需生命维持保障设备，可以小型化；且对人没有任何危险 外在娱乐方面具有良好的发展前景 , 例如水族馆等。机器鱼的应用领域有 ：鱼类展览；相关的机器人竞赛（ 配合其它器件，可用于勘探和救生；相关科研领域等。 关键词 ：机器人技术，机器鱼，科研领域 前 言 水下推进器在海洋生物观察、海底探险、海洋救捞、管道检测、以及军事方面的应用日益增加。传统的螺旋桨在水中游动时，在它的侧面会产生涡流，会降低物体的运动速度，增加动力的损耗，且有噪声。与水下推进器相比，鱼有惊人的游动能力。观察发现，鱼的游动具有无噪声、高推进效率、机动性强等优点。 20 世纪 90 年代以来，出现了模仿鱼运动的机器鱼。从 1994 年，美国麻省理 工学院的 005年英国 器鱼不仅有阻力小的外 黄河科技学院毕业论文 (文献综述 ) 第 2 页 形、小半径转弯、自主蔽障等能力，而且解决了很多机械设计问题。因此，以鱼的推进模式运动的机器鱼被认为是未来水下运载器的设计目标，并日益引起各国的重视，以美国、日本和英国为代表，许多国家积极开展对机器鱼的研究，使得机器鱼飞速发展。但是距机器鱼走到实用阶段还存在一些问题。首先，目前还没有一个像鱼柔软而有力的驱动器，在机动性方面，机器鱼不 能 S 形转弯、快速启动、快速制动，在下潜过程中不能快速稳定的悬浮在水中，在推进效率方面因为不知鱼是怎样控制涡流推进，不能预测给定一个命令机器鱼将会做什么样动作。要应用到实用阶段，除了解决以上问题，机器鱼还须有很高的智能。 1 仿生机器鱼与传统水下推进器相比几点优势 推进效率高。试验表明仿鱼水下推进器比常规螺旋桨推进器推进效率可提高 30%以上。 机动性好。仿生鱼可高速启动并拥有更好的加速性 能，在小范围内实现不减速转向运动。 噪声低，隐蔽性高。仿生鱼物理特性与鱼类特性几乎相同，其产生的噪声谱与海洋噪声谱十分相近，形体隐蔽，不易被察觉。 结构简单、体积小、重量轻。可实现舵奖合一，简化机构和系统，简化制造工艺，降低成本，有利于实现水下运载器和水下机器人的小型化、微型化。 可采用多种驱动方式。大型仿生鱼运载器可采用电 磁马达、液压马达或气压马达驱动，以及混合驱动方式；小型或微型仿生鱼，可采用形状记忆合金、人造肌肉、超声波马达以及压电陶瓷等多种驱动元件。 2 设计原理 仿生机器鱼主要是模仿机器鱼的外形和运动规律，尽心环境数据收集。其模仿鱼类外形和运动规律的目的是为了实现鱼类高效的游动效率和良好的机动性。所以在仿生方面尤其注意鱼体和鱼鳍的模仿和控制。鱼主要有背鳍、胸鳍、腹鳍、臀鳍和尾鳍： 胸鳍：它的基本功能为运动、平衡和掌握运动方向。 腹鳍：主要协助背鳍、臀鳍维持鱼体的平衡，并有辅助鱼体升降和拐弯功能。 尾鳍：有平衡、推进和转向的作用，尾的扭曲和伸直使鱼体产生前进运动。 鱼类的运动方式主要为波浪式运动，或称游泳。借助于连续的肌节收缩与舒张，从 黄河科技学院毕业论文 (文献综述 ) 第 3 页 头部开始的收缩在身体两侧交替进行，形成波浪式的传递，使收缩波传向尾部，身体则向收缩的一侧弯曲使成 S 型。收缩在尾部结束，尾部将收缩的力传给水，这个力被水以同等大小、但方向相反的反作用力作用于尾部。这个力向前的 分力是鱼体向前运动的主要推进力。 3 机器鱼推动原理 根据推进模式访生机器鱼的推进方式可分为三类：身体波动式， (鱼 +参 )科及 (鱼 +参 )科加新月形尾鳍模式和胸鳍模式： 身体波动式 是模仿鳝鱼等鳗鲡目鱼类的游动方式，整个身体都参与大振幅波动运动，推进波的速度大于鱼的游动速度，并与鱼的游动方向相反地在身体上传播产生推进力。此类仿生机器鱼多采用多关节机构，每个关节安装一个小型伺服电机配合作用进行扭转摆动推进。也可采用形状记忆合金做鱼身，采用电激励或其他形 式激励，控制合金的温度变化从而产生形变带动身体摆动。其实人们所熟悉的机器蛇在水中若能浮起就变成了机器鱼。此类机器鱼由于身体细长，柔韧性好，所以机动性极好，但一般只能飘浮，无法进行沉浮。 (鱼 +参 )科及 (鱼 +参 )科加新月形尾鳍模式是大部分鱼类（如海豚、鲨鱼、金枪鱼等）采用的推进模式。由于身体刚度较大，波动主要集中在身体后部分，推进力主要由具有一定刚度的尾鳍提供，其推进速度和推进效率比身体波动式高。 (鱼 +参 )科模式的推进部分是鱼体的后 2 3 部分，而 (鱼 +参 )科加新月形尾鳍模式身体刚度更大，推进部分为身体后 1 3 部分，侧向位移主要产生在后颈部和尾鳍，尾鳍产生 90的推进力，身体前 2 3 部分保持刚性。目前， (鱼 +参 )科及 (鱼 +参 )科加新月形屋鳍模式的机器鱼研究较多，可以采用具有一定刚度的材料做前鱼体和尾鳍，鱼尾采用刚性或弹性材料，由电机驱动进行摆动。其结构复杂程度不同，最简单的可以由电机直接驱动一根刚性杆状鱼尾摆动，复杂的可做成类似身体波动式的多关节或弹性鱼尾，由一部或多部电机配合驱动或采用形状记忆合金做鱼尾。 (鱼 +参 )科加新月形尾鳍模式是速度最快、效率最 高的模式，用于快速高效水下推进器设计，美军甚至提出仿鱼推进潜艇的概念。目前研究结果表明，此种仿生机器鱼巡航速度为每秒 1 3 倍体长，最大爆发速度可达每秒 27 倍体长，而且这种模式的仿生机器鱼可以有较大体积和载荷，可实现沉浮，是主要研究方向。 胸鳍模式 主要是模仿黑色鲈鱼、热带鱼等鱼类的推进方式，通过胸鳍的摆动或波 黄河科技学院毕业论文 (文献综述 ) 第 4 页 动提供推进力，大部分鱼类用这种方式提高机动性能或作为辅助推进运动。胸鳍模式推进力和推进效率最低，所做研究也较少，主要是采用压电陶瓷或离子交换 膜，通过改变输入电压频率改变其微位移控制刚性鳍摆动产生推进力。改变其微位移控制刚性鳍摆动产生推进力。 4 常见故障 机器 不能传动 没电流：检查激光电源电源是否接通、高压线是否松动或脱落，信号线是否松动； 有电流：检查镜片是否破碎、光路是否严重偏移； 检查水循环系统是否正常： 不通水：检查水泵是否损坏或没通电； 通水：检查进水口、出水口是 否接反或水管破裂； 电脑不能输出 检查软件参数设置是否正常（重新设置）； 雕刻机是否先按定位起动再输出（重新输出）； 检查机器是否事先没复位（重新更正）； 检查输出串 口是否与软件设置串口一致（重新设置）； 检查地线是否可靠，静电是否干扰数据线（重新接地）； 更换电脑串口输出测试； 重新安装软件并重新设置测试； 格式化电脑系统盘重新安装软件测试； 主板串口损坏需维修或更换。 黄河科技学院毕业论文 (文献综述 ) 第 5 页 参考文献 1 巩云鹏，田万禄等主编 . 机械设计课程设计 北大学出版社， 2000. 2 孙志礼，冷兴聚，魏严刚等主编 沈阳：东北大学出版社， 2000. 3 刘鸿文主编 北京：高等教育出版社， 1991. 4 哈尔滨工业大学理论力学教研组编 北京：高