仿魚機(jī)器人穩(wěn)態(tài)游動(dòng)的水動(dòng)力性能研究.pdf

1、近年來，隨著陸地資源的緊缺，人們將目光投向了海洋，引起了對(duì)海洋資源的開發(fā)熱潮，于是仿魚機(jī)器人的研制成為了機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。仿魚機(jī)器人具有效率高、機(jī)動(dòng)性好、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行長時(shí)間、大范圍、工況較復(fù)雜的水下作業(yè)，其中，鮪科推進(jìn)模式的仿魚機(jī)器人因其能源利用率高，推進(jìn)速度快等優(yōu)點(diǎn)，成為研究的重點(diǎn)。本文以機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題“魚體利用流場能量的推進(jìn)行為及新型仿魚機(jī)器人的研究”為背景，對(duì)鮪科模式仿魚機(jī)器人穩(wěn)態(tài)游動(dòng)

2、的水動(dòng)力性能進(jìn)行了基礎(chǔ)理論研究。
　　針對(duì)仿魚機(jī)器人的穩(wěn)態(tài)游動(dòng)，本文提出了基于三坐標(biāo)系的仿魚機(jī)器人穩(wěn)態(tài)游動(dòng)速度求解算法，從經(jīng)典力學(xué)出發(fā)，給出了仿魚機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)理論控制方程，并與流體動(dòng)力學(xué)方程聯(lián)立求解，實(shí)現(xiàn)了仿魚機(jī)器人的穩(wěn)態(tài)游動(dòng)；并以鮪科模式仿魚機(jī)器人為例，應(yīng)用此算法數(shù)值模擬了仿魚機(jī)器人的穩(wěn)態(tài)游動(dòng)全過程，驗(yàn)證了此算法的正確性。
　　基于上述算法，本文通過對(duì)仿魚機(jī)器人身體、尾鰭和頭部行為特征的分析，獲得了對(duì)穩(wěn)態(tài)游動(dòng)性能有重

3、要影響的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括身體波動(dòng)最大擺幅、頻率和波長；尾鰭最大擊水角度和平動(dòng)-擺動(dòng)相位差；頭部前端運(yùn)動(dòng)幅值和質(zhì)心運(yùn)動(dòng)幅值。通過對(duì)不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)下的仿魚機(jī)器人游動(dòng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，確定了其對(duì)穩(wěn)態(tài)游動(dòng)速度、推進(jìn)力、功率消耗和推進(jìn)效率的影響規(guī)律，并分別從運(yùn)動(dòng)學(xué)、力能學(xué)和流場結(jié)構(gòu)三方面，探討了仿魚機(jī)器人通過控制其自身運(yùn)動(dòng)與流場相互作用形成有機(jī)整體，充分吸收流場能量，提高游動(dòng)效率的內(nèi)在機(jī)理。
　　本文結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬研究，進(jìn)一步完善了仿魚