魚類的形體結(jié)構(gòu)與機(jī)器魚的游動機(jī)構(gòu)設(shè)計

魚類的形體結(jié)構(gòu)與機(jī)器魚的游動機(jī)構(gòu)設(shè)計,魚類的形體結(jié)構(gòu)與機(jī)器魚的游動機(jī)構(gòu)設(shè)計,魚類,形體,結(jié)構(gòu),機(jī)器,游動,機(jī)構(gòu),設(shè)計 文獻(xiàn)綜述 第 5 頁 魚類形體結(jié)構(gòu)與機(jī)器魚的游動機(jī)構(gòu)設(shè)計 摘 要：21世紀(jì)是海洋的世紀(jì),加上由于各種技術(shù)的全面發(fā)展帶動了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，對于在海洋開發(fā)和相關(guān)領(lǐng)域中運用機(jī)器人技術(shù)已引起了各方面的重視。并且隨著海洋開發(fā)的進(jìn)展，一般的潛水技術(shù)已無法適應(yīng)現(xiàn)代高深度綜合考察和研究、完成各種作業(yè)的需要。但在現(xiàn)實中都是利用螺旋槳來推動船前進(jìn)，而是否能利用魚類的游動原理來做出比具有螺旋槳更快和更低噪聲的水下推行器，突破當(dāng)今專一的運輸方式和水下推進(jìn)方式，已成為一個熱門研究課題。 研制機(jī)器魚具有廣泛的現(xiàn)實意義，它可以更逼真的模擬魚的游動原理，使水下的機(jī)器人運動更符合流體力學(xué)原理，具有更好的加速和轉(zhuǎn)向能力，利用它們可以探測海洋，尋找和檢測海域中受污染的地方，也可以用來勘探地形；可以通過研制機(jī)器魚這個實驗平臺來研究魚的運動原理和魚類運動所依附的流體力學(xué)原理；而且它以泳動方式運動，解決了螺旋槳的噪聲問題；構(gòu)造要比一般的水下推進(jìn)器簡單，制作和使用成本都較低；能源利用率高，作業(yè)時間長；當(dāng)給相同的電能時，機(jī)器魚能夠比自制的潛艇游的更遠(yuǎn)；無需生命維持保障設(shè)備，可以小型化；且對人沒有任何危險.等。另外在娛樂方面具有良好的發(fā)展前景, 例如水族館等。機(jī)器魚的應(yīng)用領(lǐng)域有：魚類展覽；相關(guān)的機(jī)器人競賽（robofishcup）；配合其它器件，可用于勘探和救生；相關(guān)科研領(lǐng)域等。 關(guān)鍵詞：機(jī)器人技術(shù)，機(jī)器魚，科研領(lǐng)域 前 言 水下推進(jìn)器在海洋生物觀察、海底探險、海洋救撈、管道檢測、以及軍事方面的應(yīng)用日益增加。傳統(tǒng)的螺旋槳在水中游動時，在它的側(cè)面會產(chǎn)生渦流，會降低物體的運動速度，增加動力的損耗，且有噪聲。與水下推進(jìn)器相比，魚有驚人的游動能力。觀察發(fā)現(xiàn)，魚的游動具有無噪聲、高推進(jìn)效率、機(jī)動性強(qiáng)等優(yōu)點。 20世紀(jì)90年代以來，出現(xiàn)了模仿魚運動的機(jī)器魚。從1994年，美國麻省理工學(xué)院的Triantafyllou成功研制了世界上第一條真正意義的仿生金槍魚到2005年英國Essex大學(xué)胡豁勝教授研制了世界第一條具有自主控制能力的機(jī)器魚，機(jī)器魚不僅有阻力小的外形、小半徑轉(zhuǎn)彎、自主蔽障等能力，而且解決了很多機(jī)械設(shè)計問題。因此，以魚的推進(jìn)模式運動的機(jī)器魚被認(rèn)為是未來水下運載器的設(shè)計目標(biāo)，并日益引起各國的重視，以美國、日本和英國為代表，許多國家積極開展對機(jī)器魚的研究，使得機(jī)器魚飛速發(fā)展。但是距機(jī)器魚走到實用階段還存在一些問題。首先，目前還沒有一個像魚柔軟而有力的驅(qū)動器，在機(jī)動性方面，機(jī)器魚不能S形轉(zhuǎn)彎、快速啟動、快速制動，在下潛過程中不能快速穩(wěn)定的懸浮在水中，在推進(jìn)效率方面因為不知魚是怎樣控制渦流推進(jìn)，不能預(yù)測給定一個命令機(jī)器魚將會做什么樣動作。要應(yīng)用到實用階段，除了解決以上問題，機(jī)器魚還須有很高的智能。 1 仿生機(jī)器魚與傳統(tǒng)水下推進(jìn)器相比幾點優(yōu)勢 ⑴推進(jìn)效率高。試驗表明仿魚水下推進(jìn)器比常規(guī)螺旋槳推進(jìn)器推進(jìn)效率可提高30%以上。 ⑵機(jī)動性好。仿生魚可高速啟動并擁有更好的加速性能，在小范圍內(nèi)實現(xiàn)不減速轉(zhuǎn)向運動。 ⑶噪聲低，隱蔽性高。仿生魚物理特性與魚類特性幾乎相同，其產(chǎn)生的噪聲譜與海洋噪聲譜十分相近，形體隱蔽，不易被察覺。 ⑷結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕?？蓪崿F(xiàn)舵獎合一，簡化機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)，簡化制造工藝，降低成本，有利于實現(xiàn)水下運載器和水下機(jī)器人的小型化、微型化。 ⑸可采用多種驅(qū)動方式。大型仿生魚運載器可采用電磁馬達(dá)、液壓馬達(dá)或氣壓馬達(dá)驅(qū)動，以及混合驅(qū)動方式；小型或微型仿生魚，可采用形狀記憶合金、人造肌肉、超聲波馬達(dá)以及壓電陶瓷等多種驅(qū)動元件。 2 設(shè)計原理 仿生機(jī)器魚主要是模仿機(jī)器魚的外形和運動規(guī)律，盡心環(huán)境數(shù)據(jù)收集。其模仿魚類外形和運動規(guī)律的目的是為了實現(xiàn)魚類高效的游動效率和良好的機(jī)動性。所以在仿生方面尤其注意魚體和魚鰭的模仿和控制。魚主要有背鰭、胸鰭、腹鰭、臀鰭和尾鰭： ①胸鰭：它的基本功能為運動、平衡和掌握運動方向。 ②腹鰭：主要協(xié)助背鰭、臀鰭維持魚體的平衡，并有輔助魚體升降和拐彎功能。 ③尾鰭：有平衡、推進(jìn)和轉(zhuǎn)向的作用，尾的扭曲和伸直使魚體產(chǎn)生前進(jìn)運動。 魚類的運動方式主要為波浪式運動，或稱游泳。借助于連續(xù)的肌節(jié)收縮與舒張，從頭部開始的收縮在身體兩側(cè)交替進(jìn)行，形成波浪式的傳遞，使收縮波傳向尾部，身體則向收縮的一側(cè)彎曲使成S型。收縮在尾部結(jié)束，尾部將收縮的力傳給水，這個力被水以同等大小、但方向相反的反作用力作用于尾部。這個力向前的分力是魚體向前運動的主要推進(jìn)力。 3 機(jī)器魚推動原理 根據(jù)推進(jìn)模式訪生機(jī)器魚的推進(jìn)方式可分為三類：身體波動式，(魚+參)科及(魚+參)科加新月形尾鰭模式和胸鰭模式： ⑴身體波動式?是模仿鱔魚等鰻鱺目魚類的游動方式，整個身體都參與大振幅波動運動，推進(jìn)波的速度大于魚的游動速度，并與魚的游動方向相反地在身體上傳播產(chǎn)生推進(jìn)力。此類仿生機(jī)器魚多采用多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，每個關(guān)節(jié)安裝一個小型伺服電機(jī)配合作用進(jìn)行扭轉(zhuǎn)擺動推進(jìn)。也可采用形狀記憶合金做魚身，采用電激勵或其他形式激勵，控制合金的溫度變化從而產(chǎn)生形變帶動身體擺動。其實人們所熟悉的機(jī)器蛇在水中若能浮起就變成了機(jī)器魚。此類機(jī)器魚由于身體細(xì)長，柔韌性好，所以機(jī)動性極好，但一般只能飄浮，無法進(jìn)行沉浮。 ⑵(魚+參)科及(魚+參)科加新月形尾鰭模式是大部分魚類（如海豚、鯊魚、金槍魚等）采用的推進(jìn)模式。由于身體剛度較大，波動主要集中在身體后部分，推進(jìn)力主要由具有一定剛度的尾鰭提供，其推進(jìn)速度和推進(jìn)效率比身體波動式高。(魚+參)科模式的推進(jìn)部分是魚體的后2／3部分，而(魚+參)科加新月形尾鰭模式身體剛度更大，推進(jìn)部分為身體后1／3部分，側(cè)向位移主要產(chǎn)生在后頸部和尾鰭，尾鰭產(chǎn)生90％的推進(jìn)力，身體前2／3部分保持剛性。目前，(魚+參)科及(魚+參)科加新月形屋鰭模式的機(jī)器魚研究較多，可以采用具有一定剛度的材料做前魚體和尾鰭，魚尾采用剛性或彈性材料，由電機(jī)驅(qū)動進(jìn)行擺動。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同，最簡單的可以由電機(jī)直接驅(qū)動一根剛性桿狀魚尾擺動，復(fù)雜的可做成類似身體波動式的多關(guān)節(jié)或彈性魚尾，由一部或多部電機(jī)配合驅(qū)動或采用形狀記憶合金做魚尾。(魚+參)科加新月形尾鰭模式是速度最快、效率最高的模式，用于快速高效水下推進(jìn)器設(shè)計，美軍甚至提出仿魚推進(jìn)潛艇的概念。目前研究結(jié)果表明，此種仿生機(jī)器魚巡航速度為每秒1～3倍體長，最大爆發(fā)速度可達(dá)每秒27倍體長，而且這種模式的仿生機(jī)器魚可以有較大體積和載荷，可實現(xiàn)沉浮，是主要研究方向。 ⑶胸鰭模式?主要是模仿黑色鱸魚、熱帶魚等魚類的推進(jìn)方式，通過胸鰭的擺動或波動提供推進(jìn)力，大部分魚類用這種方式提高機(jī)動性能或作為輔助推進(jìn)運動。胸鰭模式推進(jìn)力和推進(jìn)效率最低，所做研究也較少，主要是采用壓電陶瓷或離子交換膜，通過改變輸入電壓頻率改變其微位移控制剛性鰭擺動產(chǎn)生推進(jìn)力。改變其微位移控制剛性鰭擺動產(chǎn)生推進(jìn)力。 4 常見故障 ⑴機(jī)器不能傳動 ①沒電流：檢查激光電源電源是否接通、高壓線是否松動或脫落，信號線是否松動； ②有電流：檢查鏡片是否破碎、光路是否嚴(yán)重偏移； ⑵檢查水循環(huán)系統(tǒng)是否正常： ①不通水：檢查水泵是否損壞或沒通電；? ②通水：檢查進(jìn)水口、出水口是否接反或水管破裂； ⑶電腦不能輸出 ①檢查軟件參數(shù)設(shè)置是否正常（重新設(shè)置）； ②雕刻機(jī)是否先按定位起動再輸出（重新輸出）； ③檢查機(jī)器是否事先沒復(fù)位（重新更正）； ④檢查輸出串口是否與軟件設(shè)置串口一致（重新設(shè)置）； ⑤檢查地線是否可靠，靜電是否干擾數(shù)據(jù)線（重新接地）； ⑥更換電腦串口輸出測試； ⑦重新安裝軟件并重新設(shè)置測試； ⑧格式化電腦系統(tǒng)盤重新安裝軟件測試； ⑨主板串口損壞需維修或更換。  參考文獻(xiàn) [1] 鞏云鵬，田萬祿等主編. 機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計.沈陽：東北大學(xué)出版社，2000. [2] 孫志禮，冷興聚，魏嚴(yán)剛等主編.機(jī)械設(shè)計.沈陽：東北大學(xué)出版社，2000. [3] 劉鴻文主編.材料力學(xué).北京：高等教育出版社，1991. [4] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研組編.理論力學(xué).北京：高等教育出版社，1997. [5] 大連理工大學(xué)工程畫教研室編.機(jī)械制圖.北京：高等教育出版社，1993. [6] 孫桓，陳作模主編.機(jī)械原理.北京：高等教育出版社，2000. [7] 高澤遠(yuǎn)，王金主編.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計.沈陽：東北工學(xué)院出版社，1987. [8] 喻子建，張磊，邵偉平，喻子建主編.機(jī)械設(shè)計習(xí)題與解題分析.沈陽：東北大學(xué)出版 社，2000. [9] 張玉，劉平主編.幾何量公差與測量技術(shù).沈陽：東北大學(xué)出版社，1999.