仿生墨魚機(jī)器人及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、21世紀(jì)被稱為海洋的世紀(jì)，人類開發(fā)海洋和利用海洋的腳步，隨著科技的發(fā)展逐漸加快。具有海洋勘測、海底探查、海洋救撈、海底管道等人造水下結(jié)構(gòu)物檢測、以及水下偵查和跟蹤功能的水下機(jī)器人（Unmanned Underwater Vehicle, UUV），已成為探索海洋、開發(fā)海洋和海洋防衛(wèi)的重要工具。本文以墨魚為研究對(duì)象，在分析其形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和游動(dòng)推進(jìn)機(jī)理的基礎(chǔ)上，研制形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡稱SMA)絲驅(qū)動(dòng)的以鰭

2、波動(dòng)方式和噴射方式復(fù)合推進(jìn)的仿生墨魚機(jī)器人，并對(duì)各推進(jìn)部件和仿生墨魚機(jī)器人樣機(jī)的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。為仿生水下機(jī)器人的研究提供了新型的仿生水平鰭和仿生噴射系統(tǒng)推進(jìn)部件，并為仿生墨魚機(jī)器人的后續(xù)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
　　墨魚屬于軟體動(dòng)物門頭足綱動(dòng)物，依靠噴射和鰭波動(dòng)復(fù)合推進(jìn)這種特殊的方式來實(shí)現(xiàn)游動(dòng)，不僅能像魚一樣靈活地游動(dòng)，還能夠?qū)崿F(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎和快速后退等魚類難以實(shí)現(xiàn)的游動(dòng)動(dòng)作。通過對(duì)墨魚的游動(dòng)方式和受力進(jìn)行分析，建立了墨魚水平鰭鰭波動(dòng)的運(yùn)

3、動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)鰭波動(dòng)運(yùn)動(dòng)的流體力學(xué)特性進(jìn)行了分析。建立了墨魚外套膜橫截面的運(yùn)動(dòng)模型，分析了噴射推進(jìn)過程中推力隨外套膜的收縮量和收縮速度的變化關(guān)系。以墨魚樣本為藍(lán)本，建立了墨魚的三維模型，并對(duì)其游動(dòng)過程中的外形阻力進(jìn)行了仿真分析。
　　分析了墨魚鰭肌肉結(jié)構(gòu)和動(dòng)作過程，研制了更具動(dòng)作對(duì)稱性的SMA絲驅(qū)動(dòng)的柔性鰭單元，并對(duì)其擺動(dòng)輸出力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，理論計(jì)算表明鰭單元最大擺動(dòng)輸出力3.75N，最大彎曲角速度14

4、1.74rad/s。研制了柔性鰭單元驅(qū)動(dòng)的模仿鰩科模式游動(dòng)的仿生蝠鲼。該機(jī)器魚游動(dòng)無噪聲，直線游動(dòng)速度可達(dá)79mm/s，轉(zhuǎn)彎半徑118mm。通過模仿墨魚鰭的生理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，研制了柔性鰭單元驅(qū)動(dòng)的仿生水平鰭。通過仿真分析明確了影響仿生水平鰭推進(jìn)力的影響因素。實(shí)驗(yàn)表明仿生水平鰭能夠通過柔性鰭單元的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)柔性鰭面形成推進(jìn)波，推進(jìn)力呈周期性變化，瞬時(shí)推進(jìn)力最大值169mN，此時(shí)平均推力80mN。研制了仿生水平鰭推進(jìn)器，該推進(jìn)器能實(shí)現(xiàn)以仿生

5、水平鰭的鰭波動(dòng)運(yùn)動(dòng)推進(jìn)游動(dòng)，最高游動(dòng)速度35mm/s。
　　通過對(duì)墨魚外套膜肌肉結(jié)構(gòu)和動(dòng)作過程進(jìn)行分析，模仿墨魚生理結(jié)構(gòu)研制了仿生噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括SMA絲驅(qū)動(dòng)仿生外套膜、SMA絲驅(qū)動(dòng)仿生噴嘴和被動(dòng)式仿生進(jìn)水膜。仿生外套膜能實(shí)現(xiàn)柔性的均勻收縮，嵌入內(nèi)部的SMA絲最大收縮應(yīng)變2.59％，最大貯水截面應(yīng)變17.55%。仿生噴嘴能實(shí)現(xiàn)多方向彎曲運(yùn)動(dòng)，最大彎曲角度為22°。實(shí)驗(yàn)表明依靠仿生外套膜的收縮和擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)能夠推動(dòng)仿生噴射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與

6、墨魚噴射運(yùn)動(dòng)相似的游動(dòng)運(yùn)動(dòng)，噴射推力主要受仿生外套膜內(nèi)SMA絲的驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)脈沖寬度、水溫和噴嘴噴口直徑影響。仿生噴射系統(tǒng)的最大瞬時(shí)推力為600mN，最大游動(dòng)速度87.6mm/s。
　　模仿墨魚的外形，綜合考慮各推進(jìn)裝置和控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了仿生墨魚機(jī)器人，并研制了基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)和仿生墨魚機(jī)器人樣機(jī)。該機(jī)器人樣機(jī)以鰭波動(dòng)運(yùn)動(dòng)和噴射推進(jìn)運(yùn)動(dòng)復(fù)合方式游動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)向前、向后和轉(zhuǎn)彎游動(dòng)。最大游動(dòng)速度35mm/s與墨魚