第九章 仿动物水中游动的机械及设计

第三篇仿生机械设计与分析BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY第九章仿动物水中游动的机械及其设计BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY3第九章仿动物水中游动的机械及设计一、游动类型第一节水中游动的动物概述第一节水中游动的动物概述鱼类能游泳，主要是靠身体两侧肌肉的收缩和鱼鳍摆动的协调。以图示鲫鱼为例，鱼鳍分为胸鳍、腹鳍、背鳍、臀鳍和尾鳍；每条鱼都有两个胸鳍和两个腹鳍，对称地长在身体两侧，主要用来控制方向和刹车。而背鳍、臂鳍和尾鳍都只有一个，用来保持身体的平衡。4第九章仿动物水中游动的机械及设计鱼鳍的功能：了解鱼鳍功能，对于设计仿生机械鱼有重要意义。第一节水中游动的动物概述胸鳍一对：位于身体两侧，用控制方向、制动，也可缓慢运动。鱼鳍的功能腹鳍一对，位于身体下方，相当于后肢，保持身体的稳定性尾鳍一个：主要推动身体前进臀鳍一个，位于身体后下方，保持身体平衡背鳍一个：位于身体上方，防止身体行倾斜侧翻，用于控制位姿。臀鳍腹鳍尾鳍背鳍胸鳍5第九章仿动物水中游动的机械及设计不同种类的水中动物，由于在水中生活环境的不同，其鱼鳍的分布相差很大。第一节水中游动的动物概述6第九章仿动物水中游动的机械及设计2、鲸豚类第一节水中游动的动物概述鲸、海豚等哺乳动物是水生动物，但不属于鱼类，和鱼的游泳姿势也不相同。如图所示的海豚，仅有背鳍一个，前鳍一对，尾鳍一个。臀鳍已经退化。尾鳍与其轴面垂直，上下摆动身体可实现直线游动。其他鳍的功能与鱼类相同。7第九章仿动物水中游动的机械及设计3、水母类第一节水中游动的动物概述水母钟状身体下面有一些特殊的肌肉，能扩张和收缩；或者说，水母通过收缩外壳挤压内腔的方式，改变内腔体积，喷出腔内的水，通过喷水推进的方式进行移动。内腔扩张，水流慢慢吸入，充满内腔；然后，内腔迅速收缩，将水流挤出腔体，水流喷出产生的推力使水母沿身体轴向的方向运动。8第九章仿动物水中游动的机械及设计一、游动方式第一节水中游动的动物概述摆动身体为主的推进游动方式喷射水流推进摆动尾鳍为主的推进游动方式主要有三种类型摆动身体喷射水流摆动尾鳍摆动尾鳍9第九章仿动物水中游动的机械及设计第一节水中游动的动物概述体型平扁的鳐类和魟类，它们的胸鳍演化为身体边缘的体盘，如图所示。当胸鳍上下扇动成波浪形运动可使身体前进。但在一些长形的鱼类，如带鱼的背鳍、电鳗的臀鳍，海鳗的背鳍和臀鳍都很长，当急速前进时，它们和整个躯体的波动一致。推动鱼体缓慢游动时，则靠单独波动来推动身体。一些体型短小的鱼类，如图所示的比目鱼，也通过长形的背鳍与臀鳍前后波动帮助鱼体徐徐前进，而图示的海马体型特殊，运动能力弱，主要以细小的背鳍起推动作用。10第九章仿动物水中游动的机械及设计一、卡门涡街现象第二节游动机理分析第二节游动机理分析

流体在以适当的速度流经物体后，其中一侧的旋涡顺时针方向转动，另一旋涡则反方向旋转，这两排旋涡相互交错排列，开始时，这两列线涡分别保持自身的运动特性，接着它们互相干扰，互相吸引，而且干扰越来越大，形成非线性的所谓涡街,称之为卡门涡街。11第九章仿动物水中游动的机械及设计卡门涡街现象

ρ：为流体密度

v：为前方来流的流速

μ：为流体运动粘性系数L：为物体尺寸，如障碍物为球体，则为直径，若为飞机，则为机翼长度等。第二节游动机理分析12第九章仿动物水中游动的机械及设计二维圆柱低速定常绕流的流型只与Re数有关。(a)在Re≤1时，流场中的惯性力与粘性力相比居次要地位，圆柱上下游的流线前后对称，此Re数范围的绕流称为斯托克斯区。

第二节游动机理分析13第九章仿动物水中游动的机械及设计

卡门涡街现象使障碍物后方流体形成一个反向流动，根据作用于反作用原理，障碍物自然受到与水流相反的作用力。第二节游动机理分析14第九章仿动物水中游动的机械及设计二、反卡门涡街现象卡门涡街生物旋涡产生向前的水流，如果把旋涡反向，旋涡可产生向后的水流。鱼尾的摆动就是制造反卡门涡街，产生向后的水流，从而推动身体前进。身后水流方向身后水流方向卡门涡街反卡门涡街障碍物鱼第二节游动机理分析15第九章仿动物水中游动的机械及设计三、摆动身体前进机理分析

第二节游动机理分析16第九章仿动物水中游动的机械及设计四、鱼类游动的推动力前进方向Fxy鱼类游动的推动力有三种：1、尾鳍摆动产生的尾涡推动力2、惯性推动力：当鱼体摆动时，除自身动量改变外，还带动周围流体改变动量，这

部分动量会产生附加惯性力，大小为：m—被带动流体的附加质量v—鱼体横向摆动速度第二节游动机理分析17第九章仿动物水中游动的机械及设计3、鱼体前缘吸力当水流过鱼体上曲率很大的钝前缘和尾鳍前缘时,局部流速增大,形成低压区,产生前缘吸力,也构成一部分推力，占总推力的10%左右。鱼在游动时，真正的推动力是这三部分作用力之和。第二节游动机理分析前进方向xy前缘负压区18第九章仿动物水中游动的机械及设计第三节仿生机械鱼的设计与分析一、机构简图设计第三节仿生机械鱼的设计与分析1、鱼体的体型设计鱼类大致有如下四种体型：（1）纺锤型(又称梭型)：这种体型的鱼类，头、尾稍尖，身体中段较粗大，其横断面呈椭圆形，侧视呈纺锤状。如所示锦鲤即为梭形体型。（2）侧扁型：鱼体较短，两侧很扁而背腹轴高，侧视略呈菱形。图示鳊鱼为侧扁形体形。19第九章仿动物水中游动的机械及设计第三节仿生机械鱼的设计与分析1、鱼体的体型设计（3）平扁型：这类鱼的形体特点是鱼体背腹平扁，左右轴明显地比背腹轴长。这种体型刚好和侧扁型相反，从前方看去鱼体像一条横线，如图所示鳐鱼为平扁形体型。（4）圆筒型(棍棒型):鱼体较长，其横断面呈圆形，侧视呈棍棒状，如鳗鲡、黄鳝等属此种类型。图示黄鳝即为圆筒形体型。20第九章仿动物水中游动的机械及设计二、鱼类骨骼结构与机构简图第三节仿生机械鱼的设计与分析鱼的外骨骼包括鳞甲、鳍条和棘刺等；内骨骼包括头骨、脊柱和附肢骨骼。脊柱由体椎和尾椎两种脊椎骨组成。体椎附有肋骨，尾椎无肋骨。每个脊椎的椎体前后两面都是凹形的，故称之为双凹椎体，这是鱼类所特有的骨骼结构。附肢骨骼是指支持鱼鳍的骨骼。支持背鳍、臀鳍和尾鳍的骨骼是不成对的奇鳍骨骼；支持胸鳍和腹鳍的骨骼为成对的偶鳍骨骼。21第九章仿动物水中游动的机械及设计第三节仿生机械鱼的设计与分析图中背鳍、臀鳍和尾鳍都是一个，而且是单自由度的转动构件，二个胸鳍和腹鳍都是2个单自由度的运动副组合构件，满足胸鳍、腹鳍向外和前后方向的划水动作。脊椎骨关节也用转动副代替，工程设计中，一般小于10个。采用3～6个骨关节的居多。根据鱼类的骨骼结构可画出对应机构简图该鱼类的机构简图具有通用性22第九章仿动物水中游动的机械及设计鲸豚类的机构简图第三节仿生机械鱼的设计与分析鲸类、海豚类动物的脊椎骨与鱼类有些差别，但基本组成很相近。图示为海豚的骨骼结构图。23第九章仿动物水中游动的机械及设计二、总体设计第三节仿生机械鱼的设计与分析鱼类游动时，身体摆动部分主要依靠身体的后三分之一的摆动，所以仿生机器鱼的骨关节一般小于6个关节，不超过四个关节。每个关节处安置一个舵机，头部安装电池，视觉传感器以及控制电路，无线接收与发射装置等，外部包装减摩材料。总体设计的原理图如图所示。24第九章仿动物水中游动的机械及设计第三节仿生机械鱼的设计与分析各种仿生机器鱼的游动机构基本相同，但鳍的数量却相差很大。其原因是大都省略器平衡作用的背鳍、腹鳍和臀鳍，这是为了节省空间和减轻重量，仅保留非常必要的胸鳍和尾鳍。但是形象逼真、性能良好的仿生机器鱼还是具有全部鱼鳍的。图示为几种典型的仿生机械鱼结构示意图，25第九章仿动物水中游动的机械及设计第三节仿生机械鱼的设计与分析典型仿生机械鱼的结构示意图。26第九章仿动物水中游动的机械及设计典型仿生机械鱼的结构示意图。第三节仿生机械鱼的设计与分析27第九章仿动物水中游动的机械及设计外形图第三节仿生机械鱼的设计与分析摆尾结构图28第九章仿动物水中游动的机械及设计典型仿生机械鱼的内部结构第三节仿生机械鱼的设计与分析29第九章仿动物水中游动的机械及设计仿生机器鱼游动图第三节仿生机械鱼的设计与分析30第九章仿动物水中游动的机械及设计四、鱼的摆尾游动方程第三节仿生机械鱼的设计与分析

b:尾鳍竖直方向的最大高度，也称展长

bbb

31第九章仿动物水中游动的机械及设计2、尾鳍摆动推进力方程第三节仿生机械鱼的设计与分析1997年，B．Ahlbom通过人工尾鳍推进装置试验研究得出，鳍部的推力F的方程为：k:液体的固有常数，对于水，k=40ρ：水密度h:尾鳍浸入水中高度A:鱼鳍摆动幅度f:鱼鳍摆动频率32第九章仿动物水中游动的机械及设计3、鱼体的水中阻力方程第三节仿生机械鱼的设计与分析鱼在游动过程中受到的阻力主要有鱼体表面和水的摩擦力，鱼的形体阻力，以及鱼鳍产生的涡流阻力。把一个与鱼体等价的长形物体在水中拖动，使长形物体与鱼体的雷诺数相同，这样鱼体在前进中受到的阻力等价于被拖动的物体在流体中受到的阻力。流体中的细长体受到的阻力与流体密度成正比与流体流动的速度的平方成正比，与过水面积成正比。即：33第九章仿动物水中游动的机械及设计第三节仿生机械鱼的设计与分析

34第九章仿动物水中游动的机械及设计4、尾鳍摆动角速度第三节仿生机械鱼的设计与分析尾鳍近似按照正弦规律摆动，最大摆动幅角为，摆动频率为f。尾鳍摆动角；摆动角速度：摆动角加速度尾鳍在极限位置时，速度为零，加速度达到最大值；中间位置时，速度最大，加速

度为零。35第九章仿动物水中游动的机械及设计5、摆尾关节电机扭矩的计算第三节仿生机械鱼的设计与分析质心点的位移为对时间球导数，可求出质心速度。速度达到最大值，此时的最大速度为：当

最大水阻力由水阻力公式，36第九章仿动物水中游动的机械及设计则关节电机的驱动力矩为：第三节仿生机械鱼的设计与分析可求解最大水阻力当前进37第九章仿动物水中游动的机械及设计6、鱼体波动方程第三节仿生机械鱼的设计与分析推进运动包含鱼体的波动和尾鳍的摆动两部分。鱼类运动时鱼体主干部分波幅很小，明显的波动主要集中在身体后1/3部分，鱼体波特征为一波幅逐渐加大，由头部至尾鳍传播的行波。在尾鳍与身体连接的狭窄区域(尾柄)达到最大值，特别明显的侧向位移仅仅发生在尾鳍及尾柄部分。在机器鱼游动过程中鱼体的头部不产生波动，但不是静止不动，而是做微小幅度的摆动，对推进运动起到平衡作用。38第九章仿动物水中游动的机械及设计第三节仿生机械鱼的设计与分析坐标原点尾鳍鱼体波鱼体波可以通过波幅包络线与正弦曲线的合成来进行数学描述：x：X轴坐标值；：身体横向位移（波幅),最大波幅为第九章仿动物水中游动的机械及设计第三节仿生机械鱼的设计与分析ω：身体波频率，K：身体波波数，

，λ：身体波波长)；：线性波幅包络线系数；：二次波幅包络线系数；

当鱼体的前部刚度很大，身体波幅限制在身体的后1/3部分，并且在末端达到最大值。所以在设计中不需要复杂机构来产生足够的柔韧性来模拟鱼体的多个鱼体波。40第九章仿动物水中游动的机械及设计7、鱼鳍摆动攻角的选择：第三节仿生机械鱼的设计与分析鱼类主要通过尾部脱卸出来的涡环或涡圈产生推进力，普通鱼类尾部运动轨迹如图所示，其中有两个重要的角度参数：攻角α和角度ψ。角度ψ指尾鳍运动轨迹与鱼类整体游动轨迹之间的夹角。41第九章仿动物水中游动的机械及设计第三节仿生机械鱼的设计与分析

42第九章仿动物水中游动的机械及设计第四节仿生机械水母的设计与分析第四节仿生机械水母的设计与分析一、水母的基本结构水母可以分为三大部分：圆伞形或钟状的身体，触器和口腕。水母通过内伞腔体产生收缩运动，由垂管（口）排出腔体内的水，从而向后喷射出水流来使水母向前推进。水母在舒张过程中由口中吸水，经由辅管、环管到达内伞腔，从而完成吸水动作，准备进行下一次的喷水推进。通过这种喷水推进的方法，水母便能向相反的方向游动。水母的触手可以捕食、改变运动方向。43第九章仿动物水中游动的机械及设计第四节仿生机械水母的设计与分析图示为仿生水母整体的四分之一剖视图和横切面图；钟状体结构即外伞，包覆和保护着水母内部的其他结构；而内伞腔体在水母的运动过程中充满水，排水产生的体积变化是水母的主要推进方式。44第九章仿动物水中游动的机械及设计二、水母机构设计第四节仿生机械水母的设计与分析1、水母主体机构的设计水母主体机构指其运动推进系统。在仿生机械水母的设计中，经常采用曲柄滑块机构作为仿生水母的主体运动机构，这是受到雨伞机构的启发。45第九章仿动物水中游动的机械及设计第四节仿生机械水母的设计与分析在仿生机械水母的设计中，也经常采用曲柄滑块机构和四杆机构的组合，作为仿生水母的主体运动机构。46第九章仿动物水中游动的机械及设计2、水母触手机构的设计第四节仿生机械水母的设计与分析水母的触手是水母的重要组成部分，可以捕食，帮助水母改变游动方向，分布在触手上的传感系统可以感知水流、波浪，甚至能预知天气变化。图示水母触手机构中，ABCD为滑块机构，DGFE为铰链四杆机构，级杆组HIB连接到构件FG和构件BC上。其自由度为：第九章仿动物水中游动的机械及设计第四节仿生机械水母的设计与分析该触手机构简图的对应的结构图如下A固定硅胶孔JIHFGDECB48第九章仿动物水中游动的机械及设计第四节仿生机械水母的设计与分析水母触手很多，为简化触手机构的自由度和控制，常用一个端面凸轮控制多个触手。端面凸轮驱动的直动滚子从动件就是触手机构的主动件。49第九章仿动物水中游动的机械及设计水母触手机构的三维视图如下：第四节仿生机械水母的设计与分析50第九章仿动物水中游动的机械及设计一、墨鱼的结构：第五节仿生机械墨鱼的设计与分析墨鱼的身体可分为3部分：头、足和躯干。头呈球形，位于身体前端，口位于头部顶端。足已经进化为腕和漏斗；一般有5对腕，各腕内侧带有4行柄状吸盘，其中一对腕特别长，称为触腕，用于捕食。第五节仿生机械墨鱼的设计与分析头足（腕）躯干51第九章仿动物水中游动的机械及设计第五节仿生机械墨鱼的设计与分析墨鱼的生态学方位是有口的一方为前方，躯干为后方。漏斗位于头的腹侧，用于喷射海水之用。其腹面两侧各有一椭圆形的软骨凹陷，称闭锁槽，与外套膜腹侧左右的闭锁突相吻合，称为闭锁器，可控制外套膜孔的开闭，见图所示。漏斗前端呈筒状喷嘴，露在外套膜外，喷嘴内有舌瓣，可防止海水逆流。52第九章仿动物水中游动的机械及设计第五节仿生机械墨鱼的设计与分析墨鱼是依靠高效的喷射推进和高效率的鳍波动推进的复合方式来实现游动。可以实现快速地向前或者向后游动，而且可以瞬时改变游动方向。墨鱼的喷射推进过程可分为充水和喷射两个主要的阶段充水过程：漏斗内的舌瓣闭合，外套膜与漏斗连接处的闭锁器打开，外套膜扩张，利用外套膜腔内的负压将海水从外套膜孔口处吸入，将外套膜腔充满。二、墨鱼的游动机理分析：53第九章仿动物水中游动的机械及设计第五节仿生机械墨鱼的设计与分析喷射过程：外套膜和漏斗连接处的闭锁器首先闭合，漏斗内的舌瓣张开，外套膜强有力地收缩，将外套膜腔内的水沿着漏斗喷出，墨鱼依靠喷射的反作用力获得推力。漏斗前部的喷嘴可以在腹面的半球内向任意方向转动，从而控制喷射推力的方向，实现灵活、迅速的改变54第九章仿动物水中游动的机械及设计第五节仿生机械墨鱼的设计与分析图a示为外套膜放射性肌肉横向伸张时，外套腔体积增大，从外套腔孔口吸入海水；图b所示为外套膜放射状肌肉横向收缩，纵向伸张，外套膜腔体积变小，将海水从漏斗喷嘴喷射出来。图c为外套膜充水过程，图9d为外套膜放水过程，实现推进运动。(a)(b)(d)55第九章仿动物水中游动的机械及设计除去喷射推进外，另一个运动方式是鳍的波动推进，并提供80%左右的升力和50%的水平推力。第五节仿生机械墨鱼的设计与分析墨鱼的喷射推和摆鳍运动的叠加，实现了墨鱼的前进、升降、偏航、翻滚和俯仰等多种运动方式。56第九章仿动物水中游动的机械及设计第五节仿生机械墨鱼的设计与分析三、仿生机械墨鱼的设计：仿生机械墨鱼的游动主要依靠喷射和鳍的运动，因此仿生机器墨鱼的设计重点是

鳍和推进系统的设计。鳍的设计墨鱼鳍分布于外套膜外侧周边，鳍能够实现高柔性、大变形的波动运动，呈曲面状态运动。这是得益于其特殊的肌肉结构，用机械手段模仿墨鱼鳍单元的结构和动作原理，可采用以图示的下两种方法。57第九章仿动物水中游动的机械及设计第五节仿生机械墨鱼的设计与分析（1）连杆机构类的鳍在墨鱼外套膜周边设置多个单自由度的摆动副，可摆动的构件称为鳍条，也称致动器。鳍条之间用高强度的聚合物膜覆盖，形成墨鱼的柔性鳍。每个鳍条用微舵机驱动，控制各鳍条的摆动角度和摆动时序，可实现墨鱼鳍的复杂曲面运动，进而实现墨鱼的各种游泳姿态；控制摆动频率，可控制游动速度。此类设计过程简单，方法成熟，但仿生墨鱼的重量过大。第九章仿动物水中游动的机械及设计第五节仿生机械墨鱼的设计与分析（2）采用Ti-Ni基SMA丝Ti-Ni基SMA丝是指Ti-Nishapememoryalloys，是一种新型钛镍记忆合金材料，应用广泛。Ti-Ni基SMA丝，通电后可以产生弯曲变形，用以作为鳍条的摆动，许多鳍条的不同摆动，从而带动鳍膜作复杂曲面运动。SMA材料因形变回复量和回复应力大、能量密度高等优点，较其它智能材料更适合作为模拟墨鱼水平鳍横肌纤维的致动器。在墨鱼外套膜边缘安置多个SMA丝，以皮蒙之，则形成柔性墨鱼鳍。SMA安装在墨鱼外套膜上，并设有接线端子，采用直接通电加热方式驱动。59第九章仿动物水中游动的机械及设计第五节仿生机械墨鱼的设计与分析Ti-Ni基SMA丝的工作原理如下：当A面的SMA丝加热收缩时，柔性鳍单元向A面方向弯曲，此时相反侧B面的SMA丝被拉伸，并产生弹、塑性变形，同时在弹性体和蒙皮中存储弹性能；当A面的SMA丝停止加热时，柔性鳍单元利用弯曲过程中存储的弹性能使鳍单元回复