仿生機器海豚講解人：江文亮第一組：江文亮、吳學英2014.12.23目錄課題背景研究目標基礎理論實現過程課題背景一、應用前景港口水質監測；水下勘探；軍事應用，如魚雷的發射，反潛作戰等；載人裝備；課題背景二、國外現狀MIT于1994年以藍鰭金槍魚為仿生對象研制了世界上第一條仿生魚RoboTuna。課題背景二、國外現狀MIT后續研發了多個版本，此為1998年的RoboTuna的最高版本。課題背景二、國外現狀1999年日本東京工業大學研制的機器海豚課題背景三、國內現狀北航的SPC-II型仿生魚課題背景三、國內現狀北京大學研制的機器海豚、中科院自動化所研制的機器海豚海豚可以躍出水面,在空中能完成躍水、乘浪、滑水、空中轉體等復雜動作,這些高難度動作是魚類所不能實現的。

由于人類尚不完全清楚魚類和海豚的運動機理,所以仿真效果至今不理想。由于機器海豚開發研制的諸多困難,針對機器海豚的理論和技術研究尚處于起步階段。研究目標以白鰭豚為仿生對象，對仿生海豚進行機械結構設計，并進行了運動學分析和運動仿真的研究?；A理論一、魚類推進模式MPF（中央鰭/對鰭模式）BCF（身體/尾鰭模式）基礎理論BCF可以細分為五種推進模式(1)鰻鯉式推進是整個魚體都做大幅值波動，波動幅值基本不變，行進單位距離所消耗的能量最少，但推進效率不高；基礎理論（2）亞鲹科式推進與鰻鯉式推進相似，只是魚體前半部分波幅較小，后半部分波幅不斷增加，鱒魚是典型的代表；（3）鲹科式推進是魚體前2/3部分不變形，僅靠魚體的后1/3擺動，鲹科魚類具有瘦長的尾柄、深分叉的尾鰭，可形成強勁的尾部推力從而快速游動，推進速度和推進效率比鰻鱺式推進高，常見的海洋生物中，藍圓鲹即是典型的代表；（4）鲹科加月牙尾式推進是在鲹科式推進的基礎上發展的一種大展弦比月牙尾鰭的推進方式，通過魚體的后1/3部分的尾鰭的大范圍的擺動。同時，魚體的運動由波動和尾鰭擺動復合而成。這樣可產生超過90%的推力。海洋中的金槍魚、鯊魚和哺乳動物等，他們的推進方式就是鲹科加月牙尾式，因此具有快速游動和高效推進的特點。在BCF推進模式中，鲹科加月牙尾式的效率是最高的。（5）箱鲀科模式是完全振動的BCF推進，但效率很低?；A理論

通過以上對BCF模式的分析可知：鲹科加月牙尾式在游動速速、推進效率和快速啟動方面有著卓越的性能，因此是仿生機器人研究的熱點。

海豚的游動方式并不能簡單的歸為某一類，但是與鲹科加月牙尾式推進極其相似。海豚肌肉發達，依靠尾鰭的上下擺動，在胸鰭的配合下，最高速度可達8~11m/s?；A理論

海豚在水中的游動是按照背腹式方式進行的。海豚尾部經過的軌跡可視為按正弦規律變化的曲線。尾鰭的運動是有沉浮運動和俯仰運動合成的。沉浮運動主要使尾部和尾鰭產生擊水動作，俯仰運動為擊水運動提供合適的攻角。海豚的新月形尾鰭相當于一個非定常機翼，利用非定常機翼的高升原理在游動方向上獲得高升力?；A理論

攻角（英文：AttackAngle），也稱迎角，為一流體力學名詞。對于翼形來說，攻角定義為翼弦與來流速度之間的夾角，抬頭為正，低頭為負，常用符號α表示?；A理論二、魚類浮沉運動的方式（1）利用魚鰾實現絕大多數的魚類都具有魚漂，魚漂在魚類的沉浮運動過程中起到很重要的作用。當魚需要下沉時，由于深度的增加，魚體排開水的體積變大，浮力會阻礙魚體下沉，因此，需要將魚漂內的氣體排出一部分，從而使浮力減小，加速下沉。當魚需要上浮時，通過向魚鰾內充氣而使浮力變大，實現上浮運動。（2）快速改變身體重心實現有些鯖類海洋魚類的魚鰾已經退化，他們主要用快速游泳控制游動的深度。通過調節重心，使得魚體前傾或上仰，然后尾鰭快速擺動產生推力使魚體下潛或上浮。（3）利用胸鰭實現鲹科中的多數魚類，由于需要快速游動，魚鰾的作用便不明顯，因此通過改變胸鰭的擺動頻率和俯仰角度來實現沉浮運動?；A理論

工程上實現機器魚實現浮沉運動的方案有儲水倉法、胸鰭法、尾鰭擺動法和改變重心法。基礎理論

如圖，重心調節機構主要調整重心在豎直方向的位置，同時可調整重心在水平方向的位置，安裝板固定在剛性海豚頭部上，FUTABA舵機安裝在電機安裝板上，擺動支架固連在豎直電機輸出軸上，配重塊安裝在擺動架上，隨擺動架的擺動一起運動，且配重塊材質為密度較大的鉛塊?；A理論當機器海豚下沉時，通過調節舵機使配重塊移動到最左端的水平位置如圖(a)所示，當水平游動時，配重塊處在豎直位置如(b)所示，當上浮時，通過調節舵機使配重塊移動到最右端的水平位置如(c)所示。同時，再配合胸鰭機構的擺動，最終能實現沉浮運動。實現過程一、外形設計機器海豚外殼設計采用仿生學原理，但是為了減小沉浮和游動時外殼受到的水阻和壓強，沒有采用骨架和柔性身體的方案，而采用剛性頭部和身體外殼、胸鰭和尾鰭。實現過程鯨豚類可以通過使身體的外形及胸鰭尾鰭變成流線型來使水的阻力降到最小。目前發現的最有效的流線型輪廓形狀的是梭狀紡錘型，其特點是魚體類似淚珠狀的形狀，在身體的前端是圓形的前沿，然后延伸到最大厚度處，最后緩慢地過渡到尖細的尾鰭。而評價紡錘形流線外形有幾個重要的指標：(1)細長比(finenessratio:FR)是一個表征流線型程度的指標，其定義為FR=BL/T，其中BL為體長,T為最大厚度處。研究表明細長比FR為4.5時的流線型形體具有最小的阻力和表面積，同時具有最大的體積，并且能夠減少75%的阻力系數。(2)肩寬位置(shoulderposition:SP)定義為從前緣到最大厚度占總體長的百分比。海豚肩寬位置越向后，流體可以流過身體的絕大部分，因為胸鰭所在的最大厚度處可能產生層流和紊流的分離，導致游動速度變得更快。而一般海豚的肩寬位置為34％~45％BL，而肩寬位置為45%時的推進速度是最大的。實現過程考慮到白鰭豚的外形特征，應用仿生學的原理，將機器海豚的外形設計如下：機器海豚體長BL=1360mm，取細長比FR=4.5，可得機器海豚的最大厚度：T=BL/FR=1360/4.=300mm，肩寬位置為：SP=380/1360=0.35.同時，由于白鰭豚嘴部特別狹長，在本設計中將機器海豚的嘴部確定為205mm,約占體長的15%。二、推進設計

如圖所示是海豚尾部的推進機構，推進機構的設計是背腹式運動和仿生設計的重點。整個尾部包括伺服電機、正弦推進機構、連接彈簧、調幅機構、尾鰭機構。實現過程EC45伺服電機通過減速器減速，減速器輸出軸通過聯軸器帶動小齒輪轉動，小齒輪與大齒輪嚙合，大齒輪帶動傳動軸轉動，傳動軸的輸出端通過調幅機構安裝板帶動調幅機構一起轉動，調幅機構的螺紋連桿輸出端在滑槽里做滑動，滑槽與直齒條垂直固連，從而帶動直齒條以正弦規律沿著直齒條滑槽做上下滑動運動，使與直齒條嚙合的扇齒上下擺動，進而帶動擺動連桿實現正弦規律的擺動，擺動連桿作為動力輸出端與尾鰭機構相連來模擬仿生機器海豚的背腹式運動。實現過程

為了便于模擬海豚背腹式運動，將調幅機器裝置進行簡化，將調幅機器裝置安裝板直接簡化成一個箱體類零件，將用于調幅的蝸輪蝸桿機器裝置簡化，保留蝸輪，壓縮蝸桿。實現過程三、輔助推進設計如圖所示，舵機安在舵機安裝板上，舵機安裝板固定在頭部，胸鰭轉動前后連桿座安在舵機輸出軸上，胸鰭轉動連桿與胸連接座相連，通過胸鰭電機的轉動，使與胸鰭轉動連桿、胸鰭轉動前、后連桿座固連的胸鰭轉動，實現胸鰭的拍水、擊水轉動。實現過程四、尾鰭設計尾鰭機構主要有七個零部件組成，尾鰭機構的作用是通過改變尾鰭的擊水攻角，同時與正弦推進機構配合，實現機器海豚的背腹式運動。當舵機轉動時，由于擺動連桿上、下連接套固定于擺動連桿，電機支架與身體與尾鰭連接彈簧相連，這樣導致尾鰭支架上下擺動，最終帶動尾鰭以不同擊水攻角實現擊水動作。實現過程實現過程五、轉向機構設計海豚的轉彎半徑僅為體長的10%-17%，而轉彎速度則高達453°/s，相比普通船舶在轉彎和轉向時的轉彎半徑最小要達到3-5倍的體長。轉彎機構設置在海豚頭部和海豚身體之間，通過連接彈簧固定在身體上，轉彎機構由轉彎舵機、舵機支架、頭部連接桿、轉彎支架、身體連接桿等組成。當轉彎舵機轉動時，轉彎機構通過轉彎電機驅動電機支架和轉彎支架，然后帶動頭部連接桿和身體連接桿實現相反方向的轉動，最終實現海豚的轉彎。六、整體效果圖

實現過程七、實際樣機

實現過程機器海豚的運動分析

1.機器海豚尾部的動力學分析

仿生機器海豚的動力學模型對于控制系統的設計具有十分重要的作用，由于控制精度很大程度上取決于動力學模型的精確性，因此對于機器海豚動力學模型的分析尤為重要。從20世紀開始，研究人員已經對魚類的游動模式進行了分析，比較有代表性的研究有：LighthillMJ在1971年提出的應用細長體理論來分析魚類游動鰺科推進模式，并應用二維非定常剛性平板翼理論研究了月牙尾推進。WuTY提出了二維波動板理論來分析扁平狀魚類游動，并討論了最佳運動模式。借鑒以上理論，結合海豚的背腹式運動特點，我們對海豚尾部和尾鰭的背腹式推進作簡要動力學分析。

經典力學最初