基于魚體肌肉模型的虛擬仿魚機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真研究.pdf

1、仿魚機(jī)器人是參照魚類的游動推進(jìn)機(jī)理，利用機(jī)械和電子手段以及功能材料來模擬魚游動作，從而實(shí)現(xiàn)高效的水下運(yùn)動的一種機(jī)械裝置。與傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)器相比，具有高效率、高機(jī)動性和低噪音等優(yōu)點(diǎn)，故而成為近年來機(jī)器人研究的熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)的仿魚機(jī)器人研究主要采用的是自下而上的研究模式，各相關(guān)學(xué)科之間未能形成很好的交叉和互動。針對這一問題，本文嘗試一種由上而下的仿魚機(jī)器人研究模式。在對魚類的游動機(jī)理進(jìn)行深入探索的基礎(chǔ)上，借鑒魚類在功能、結(jié)構(gòu)以及游動機(jī)理等

2、方面給我們的啟發(fā)，在ADAMS環(huán)境中設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一條在結(jié)構(gòu)和功能上能夠逼真地模擬真實(shí)魚類游動的虛擬仿魚機(jī)器人，并利用該虛擬仿魚機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)等虛擬實(shí)驗(yàn)，為深入開展仿魚機(jī)器人研究打下了很好的基礎(chǔ)，也為實(shí)現(xiàn)各相關(guān)學(xué)科之間的交叉與互動提供了一個(gè)研究平臺。 本文首先對國內(nèi)外仿魚機(jī)器人研究和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧和總結(jié)。接著，從真實(shí)魚類的結(jié)構(gòu)和功能入手，在對其進(jìn)行分析和綜合的基礎(chǔ)上，得到了進(jìn)行仿魚機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循的

3、一些基本原則。 為了構(gòu)建模擬真實(shí)魚類游動的虛擬仿魚機(jī)器人，本文對仿魚機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型進(jìn)行了深入研究，提出了一種基于序列圖像的魚游運(yùn)動機(jī)理分析方法，并運(yùn)用該方法對魚游的運(yùn)動機(jī)理進(jìn)行了分析，探討了相關(guān)的運(yùn)動學(xué)建模問題。該方法首先利用魚體游動時(shí)相對于背景的運(yùn)動，通過圖像差分等運(yùn)算剔除不需要的背景、得到魚體的輪廓，然后利用能量函數(shù)自動抽取魚體的體干曲線。在此基礎(chǔ)上，利用樣條函數(shù)對抽取出來的體干曲線進(jìn)行擬合運(yùn)算以研究魚體游動時(shí)體干曲線的

4、變化，得到了魚體運(yùn)動的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和各種運(yùn)動學(xué)參數(shù)。相比于傳統(tǒng)方法，本文所提出的方法無需對實(shí)驗(yàn)環(huán)境和對象加以限制，可以自動、有效和準(zhǔn)確地獲取用于魚體運(yùn)動學(xué)建模的相關(guān)信息，避免了各種人為的測量誤差。利用上述方法，以中華鱘為實(shí)驗(yàn)對象對樣本魚的穩(wěn)態(tài)游動、C型起動、S型起動、轉(zhuǎn)彎、浮沉、直線加速及制動等動作進(jìn)行了分析，并據(jù)此構(gòu)建了由該類魚的各運(yùn)動學(xué)模型組成的亞鯵科魚游運(yùn)動基礎(chǔ)動作庫，為解決仿魚機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)建模和控制問題奠定了理論基礎(chǔ)。為了從結(jié)

5、構(gòu)和功能上實(shí)現(xiàn)更接近于真實(shí)魚類的仿魚機(jī)器人，本文對魚類的構(gòu)造和驅(qū)動方式進(jìn)行了深入研究。結(jié)合魚類生理學(xué)方面的研究成果，提煉出了魚類骨骼肌肉的機(jī)械模型和肌肉驅(qū)動的原理和準(zhǔn)則。相關(guān)成果對于在未來設(shè)計(jì)應(yīng)力更強(qiáng)、應(yīng)變更大、效率更高的新型驅(qū)動器驅(qū)動器具有指導(dǎo)意義。此外，本文還對魚游運(yùn)動基礎(chǔ)動作庫進(jìn)行了動力學(xué)建模，從而使虛擬仿魚機(jī)器人具備了進(jìn)行諸如導(dǎo)航、運(yùn)動控制和路徑規(guī)劃等虛擬實(shí)驗(yàn)的能力。 在上述成果的基礎(chǔ)上，本文在ADAMS環(huán)境中構(gòu)建了一條

6、可以逼真地模擬真實(shí)魚類的虛擬仿魚機(jī)器人。該虛擬仿魚機(jī)器人以魚類肌肉模型為驅(qū)動器，具有和實(shí)驗(yàn)用的真魚一樣的物理參數(shù)和運(yùn)動學(xué)參數(shù)，可以像真魚一樣運(yùn)動。利用該虛擬仿魚機(jī)器人，本文還對亞鲹科魚游運(yùn)動基礎(chǔ)動作庫中的各主要動作進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真。仿真結(jié)果表明，所建立的魚游運(yùn)動基礎(chǔ)動作的數(shù)學(xué)模型能夠準(zhǔn)確地描述相應(yīng)的動作，可以被用于仿魚機(jī)器人的運(yùn)動控制環(huán)節(jié)。此外，仿真結(jié)果還驗(yàn)證了我們所設(shè)計(jì)虛擬仿魚機(jī)器人在結(jié)構(gòu)和功能方面所表現(xiàn)出來的準(zhǔn)確性、合理性和