仿生海豚

仿生机器海豚讲解人：江文亮第一组：江文亮、吴学英2014.12.23目录课题背景研究目标基础理论实现过程课题背景一、应用前景港口水质监测；水下勘探；军事应用，如鱼雷的发射，反潜作战等；载人装备；课题背景二、国外现状MIT于1994年以蓝鳍金枪鱼为仿生对象研制了世界上第一条仿生鱼RoboTuna。课题背景二、国外现状MIT后续研发了多个版本，此为1998年的RoboTuna的最高版本。课题背景二、国外现状1999年日本东京工业大学研制的机器海豚课题背景三、国内现状北航的SPC-II型仿生鱼课题背景三、国内现状北京大学研制的机器海豚、中科院自动化所研制的机器海豚海豚可以跃出水面,在空中能完成跃水、乘浪、滑水、空中转体等复杂动作,这些高难度动作是鱼类所不能实现的。由于人类尚不完全清楚鱼类和海豚的运动机理,所以仿真效果至今不理想。由于机器海豚开发研制的诸多困难,针对机器海豚的理论和技术研究尚处于起步阶段。研究目标以白鳍豚为仿生对象，对仿生海豚进行机械结构设计，并进行了运动学分析和运动仿真的研究。基础理论一、鱼类推进模式MPF（中央鳍/对鳍模式）BCF（身体/尾鳍模式）基础理论BCF可以细分为五种推进模式(1)鳗鲤式推进是整个鱼体都做大幅值波动，波动幅值基本不变，行进单位距离所消耗的能量最少，但推进效率不高；基础理论（2）亚鲹科式推进与鳗鲤式推进相似，只是鱼体前半部分波幅较小，后半部分波幅不断增加，鳟鱼是典型的代表；（3）鲹科式推进是鱼体前2/3部分不变形，仅靠鱼体的后1/3摆动，鲹科鱼类具有瘦长的尾柄、深分叉的尾鳍，可形成强劲的尾部推力从而快速游动，推进速度和推进效率比鳗鲡式推进高，常见的海洋生物中，蓝圆鲹即是典型的代表；（4）鲹科加月牙尾式推进是在鲹科式推进的基础上发展的一种大展弦比月牙尾鳍的推进方式，通过鱼体的后1/3部分的尾鳍的大范围的摆动。同时，鱼体的运动由波动和尾鳍摆动复合而成。这样可产生超过90%的推力。海洋中的金枪鱼、鲨鱼和哺乳动物等，他们的推进方式就是鲹科加月牙尾式，因此具有快速游动和高效推进的特点。在BCF推进模式中，鲹科加月牙尾式的效率是最高的。（5）箱鲀科模式是完全振动的BCF推进，但效率很低。基础理论通过以上对BCF模式的分析可知：鲹科加月牙尾式在游动速速、推进效率和快速启动方面有着卓越的性能，因此是仿生机器人研究的热点。海豚的游动方式并不能简单的归为某一类，但是与鲹科加月牙尾式推进极其相似。海豚肌肉发达，依靠尾鳍的上下摆动，在胸鳍的配合下，最高速度可达8~11m/s。基础理论海豚在水中的游动是按照背腹式方式进行的。海豚尾部经过的轨迹可视为按正弦规律变化的曲线。尾鳍的运动是有沉浮运动和俯仰运动合成的。沉浮运动主要使尾部和尾鳍产生击水动作，俯仰运动为击水运动提供合适的攻角。海豚的新月形尾鳍相当于一个非定常机翼，利用非定常机翼的高升原理在游动方向上获得高升力。基础理论攻角（英文：AttackAngle），也称迎角，为一流体力学名词。对于翼形来说，攻角定义为翼弦与来流速度之间的夹角，抬头为正，低头为负，常用符号α表示。基础理论二、鱼类浮沉运动的方式（1）利用鱼鳔实现绝大多数的鱼类都具有鱼漂，鱼漂在鱼类的沉浮运动过程中起到很重要的作用。当鱼需要下沉时，由于深度的增加，鱼体排开水的体积变大，浮力会阻碍鱼体下沉，因此，需要将鱼漂内的气体排出一部分，从而使浮力减小，加速下沉。当鱼需要上浮时，通过向鱼鳔内充气而使浮力变大，实现上浮运动。（2）快速改变身体重心实现有些鲭类海洋鱼类的鱼鳔已经退化，他们主要用快速游泳控制游动的深度。通过调节重心，使得鱼体前倾或上仰，然后尾鳍快速摆动产生推力使鱼体下潜或上浮。（3）利用胸鳍实现鲹科中的多数鱼类，由于需要快速游动，鱼鳔的作用便不明显，因此通过改变胸鳍的摆动频率和俯仰角度来实现沉浮运动。基础理论工程上实现机器鱼实现浮沉运动的方案有储水仓法、胸鳍法、尾鳍摆动法和改变重心法。基础理论如图，重心调节机构主要调整重心在竖直方向的位置，同时可调整重心在水平方向的位置，安装板固定在刚性海豚头部上，FUTABA舵机安装在电机安装板上，摆动支架固连在竖直电机输出轴上，配重块安装在摆动架上，随摆动架的摆动一起运动，且配重块材质为密度较大的铅块。基础理论当机器海豚下沉时，通过调节舵机使配重块移动到最左端的水平位置如图(a)所示，当水平游动时，配重块处在竖直位置如(b)所示，当上浮时，通过调节舵机使配重块移动到最右端的水平位置如(c)所示。同时，再配合胸鳍机构的摆动，最终能实现沉浮运动。实现过程一、外形设计机器海豚外壳设计采用仿生学原理，但是为了减小沉浮和游动时外壳受到的水阻和压强，没有采用骨架和柔性身体的方案，而采用刚性头部和身体外壳、胸鳍和尾鳍。实现过程鲸豚类可以通过使身体的外形及胸鳍尾鳍变成流线型来使水的阻力降到最小。目前发现的最有效的流线型轮廓形状的是梭状纺锤型，其特点是鱼体类似泪珠状的形状，在身体的前端是圆形的前沿，然后延伸到最大厚度处，最后缓慢地过渡到尖细的尾鳍。而评价纺锤形流线外形有几个重要的指标：(1)细长比(finenessratio:FR)是一个表征流线型程度的指标，其定义为FR=BL/T，其中BL为体长,T为最大厚度处。研究表明细长比FR为4.5时的流线型形体具有最小的阻力和表面积，同时具有最大的体积，并且能够减少75%的阻力系数。(2)肩宽位置(shoulderposition:SP)定义为从前缘到最大厚度占总体长的百分比。海豚肩宽位置越向后，流体可以流过身体的绝大部分，因为胸鳍所在的最大厚度处可能产生层流和紊流的分离，导致游动速度变得更快。而一般海豚的肩宽位置为34％~45％BL，而肩宽位置为45%时的推进速度是最大的。实现过程考虑到白鳍豚的外形特征，应用仿生学的原理，将机器海豚的外形设计如下：机器海豚体长BL=1360mm，取细长比FR=4.5，可得机器海豚的最大厚度：T=BL/FR=1360/4.=300mm，肩宽位置为：SP=380/1360=0.35.同时，由于白鳍豚嘴部特别狭长，在本设计中将机器海豚的嘴部确定为205mm,约占体长的15%。二、推进设计如图所示是海豚尾部的推进机构，推进机构的设计是背腹式运动和仿生设计的重点。整个尾部包括伺服电机、正弦推进机构、连接弹簧、调幅机构、尾鳍机构。实现过程EC45伺服电机通过减速器减速，减速器输出轴通过联轴器带动小齿轮转动，小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮带动传动轴转动，传动轴的输出端通过调幅机构安装板带动调幅机构一起转动，调幅机构的螺纹连杆输出端在滑槽里做滑动，滑槽与直齿条垂直固连，从而带动直齿条以正弦规律沿着直齿条滑槽做上下滑动运动，使与直齿条啮合的扇齿上下摆动，进而带动摆动连杆实现正弦规律的摆动，摆动连杆作为动力输出端与尾鳍机构相连来模拟仿生机器海豚的背腹式运动。实现过程为了便于模拟海豚背腹式运动，将调幅机器装置进行简化，将调幅机器装置安装板直接简化成一个箱体类零件，将用于调幅的蜗轮蜗杆机器装置简化，保留蜗轮，压缩蜗杆。实现过程三、辅助推进设计如图所示，舵机安在舵机安装板上，舵机安装板固定在头部，胸鳍转动前后连杆座安在舵机输出轴上，胸鳍转动连杆与胸连接座相连，通过胸鳍电机的转动，使与胸鳍转动连杆、胸鳍转动前、后连杆座固连的胸鳍转动，实现胸鳍的拍水、击水转动。实现过程四、尾鳍设计尾鳍机构主要有七个零部件组成，尾鳍机构的作用是通过改变尾鳍的击水攻角，同时与正弦推进机构配合，实现机器海豚的背腹式运动。当舵机转动时，由于摆动连杆上、下连接套固定于摆动连杆，电机支架与身体与尾鳍连接弹簧相连，这样导致尾鳍支架上下摆动，最终带动尾鳍以不同击水攻角实现击水动作。实现过程实现过程五、转向机构设计海豚的转弯半径仅为体长的10%-17%，而转弯速度则高达453°/s，相比普通船舶在转弯和转向时的转弯半径最小要达到3-5倍的体长。转弯机构设置在海豚头部和海豚身体之间，通过连接弹簧固定在身体上，转弯机构由转弯舵机、舵机支架、头部连接杆、转弯支架、身体连接杆等组成。当转弯舵机转动时，转弯机构通过转弯电机驱动电机支架和转弯支架，然后带动头部连接杆和身体连接杆实现相反方向的转动，最终实现海豚的转弯。六、整体效果图实现过程七、实际样机实现过程机器海豚的运动分析1.机器海豚尾部的动力学分析仿生机器海豚的动力学模型对于控制系统的设计具有十分重要的作用，由于控制精度很大程度上取决于动力学模型的精确性，因此对于机器海豚动力学模型的分析尤为重要。从20世纪开始，研究人员已经对鱼类的游动模式进行了分析，比较有代表性的研究有：LighthillMJ在1971年提出的应用细长体理论来分析鱼类游动鰺科推进模式，并应用二维非定常刚性平板翼理论研究了月牙尾推进。WuTY提出了二维波动板理论来分析扁平状鱼类游动，并讨论了最佳运动模式。借鉴以上理论，结合海豚的背腹式运动特点，我们对海豚尾部和尾鳍的背腹式推进作简要动力学分析。经典力学最初的表达形式由牛顿给出，大量运用几何方法和矢量作为研究工具，因此它又被称为矢量力学（有时也叫“牛顿力学”）。拉格朗日、哈密顿、雅可比等人使用广义坐标和变分法，建立了一套同矢量力学等效的力学表述方法。同矢量力学相比，分析力学的表述方法具有更大的普遍性。很多在矢量力学中极为复杂的问题，运用分析力学可以较为简便的解决。分析力学的方法可以推广到量子力学系统和复杂动力学系统中，在量子力学和非线性动力学中都有重要应用。idQqLqLdt谢谢！