仿生機器魚結(jié)構(gòu)設(shè)計及流場受力分析.pdf

1、海洋資源的開發(fā)受到越來越多的關(guān)注，水下機器人是實施海洋資源開發(fā)的基礎(chǔ)，所有海洋強國都對水下機器人的研究極為重視，仿生機器魚是水下機器人的重要一種。魚類在長時間進化中已經(jīng)形成了非常高效的推進實現(xiàn)方式，其中，鯉魚的形態(tài)特點便于布置機械機構(gòu)與無線控制模塊，由此作為本文仿生機器魚研究的參照目標，設(shè)計了鯉魚外形與尾部擺動推進方式的仿魚機器人，同時對其進行三維建模與流體仿真分析，并針對建模與仿真結(jié)果進行仿生機器魚設(shè)計優(yōu)化，進而提高仿生機器魚各方面的

2、性能。
　　本文主要研究內(nèi)容和成果如下：
　?。?）選定設(shè)計參照對象為鯉魚，結(jié)合鯉魚外部形態(tài)特征，采集了鯉魚魚體的形態(tài)指標如魚體體長、魚體體寬、魚體體高、背鰭形態(tài)特征、尾鰭形態(tài)特征、臀鰭形態(tài)特征、胸鰭形態(tài)特征等，掌握了鯉魚外形特征采集的具體方法。結(jié)合魚體形態(tài)特征數(shù)據(jù)與機械機構(gòu)的仿生實現(xiàn)性，對仿生機器魚在Solidworks下進行三維建模，并將其部分建模特征尺寸標準化，以便于后期的二次開發(fā)以及優(yōu)化。
　?。?）對仿生機器

3、鯉魚的推進系統(tǒng)進行了設(shè)計，在有限的布置空間下，設(shè)計了以電動機作為動力源的四連桿機構(gòu)，將電動機所輸出的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為仿生機器鯉魚魚尾的擺動。并且在曲柄擺桿機構(gòu)的基礎(chǔ)上添加了一個由伺服電機所控制的調(diào)節(jié)齒輪，以調(diào)節(jié)齒輪的轉(zhuǎn)動來改變仿生機器鯉魚尾部的擺動對稱點，以達到仿生機器魚擺動轉(zhuǎn)彎的效果。
　?。?）對仿生機器鯉魚的無線控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，提出了控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，結(jié)合實現(xiàn)方案選取了已經(jīng)相對成熟的Zigbee低功耗通訊模式，并針對其該協(xié)議

4、選用了合理數(shù)量的通訊參考節(jié)點與參考節(jié)點位置分布。進行了機器魚搭載Zigbee節(jié)點的無線通訊調(diào)試，并針對調(diào)試情況對控制程序以及系統(tǒng)參數(shù)進行了修改，使得該系統(tǒng)得以正常高效運行。基于所設(shè)計的機器魚機器控制系統(tǒng)，在青浦養(yǎng)殖基地進行了實際測試和應(yīng)用。
　?。?）對仿生機器鯉魚的三維模型的低質(zhì)面進行優(yōu)化，以達到轉(zhuǎn)化為IGES格式的要求。針對其IGES格式的模型各部分分別命名，并根據(jù)對魚體各部分關(guān)注度的不同，分配以不同數(shù)量的網(wǎng)格。結(jié)合魚體模型特

5、征的曲面特性，使用ANSYS MESH非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對其進行網(wǎng)格化，并得到了合理的流場網(wǎng)格模型。
　?。?）對仿生機器鯉魚的流場網(wǎng)格模型進行流場仿真。將所生成的網(wǎng)格導(dǎo)入ANSYS FLUENT流體力學(xué)仿真模塊中，結(jié)合自然水體下的鯉魚運動環(huán)境，設(shè)置合理的仿真模擬初始條件并對其進行仿真。得到了仿生機器鯉魚在給定仿真條件下的所受來流造成的壓強云圖，并導(dǎo)出魚體各部分所受合力，得出了魚體各部分對魚體所受總合力的貢獻度。
　　（6）對仿生機