魚類的形體結構與機器魚的游動機構設計,魚類的形體結構與機器魚的游動機構設計,魚類,形體,結構,機器,游動,機構,設計 文獻綜述 第 5 頁 魚類形體結構與機器魚的游動機構設計 摘 要：21世紀是海洋的世紀,加上由于各種技術的全面發(fā)展帶動了機器人技術的發(fā)展，對于在海洋開發(fā)和相關領域中運用機器人技術已引起了各方面的重視。并且隨著海洋開發(fā)的進展，一般的潛水技術已無法適應現(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，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，突破當今專一的運輸方式和水下推進方式，已成為一個熱門研究課題。 研制機器魚具有廣泛的現(xiàn)實意義，它可以更逼真的模擬魚的游動原理，使水下的機器人運動更符合流體力學原理，具有更好的加速和轉向能力，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原理；而且它以泳動方式運動，解決了螺旋槳的噪聲問題；構造要比一般的水下推進器簡單，制作和使用成本都較低；能源利用率高，作業(yè)時間長；當給相同的電能時，機器魚能夠比自制的潛艇游的更遠；無需生命維持保障設備，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。機器魚的應用領域有：魚類展覽；相關的機器人競賽（robofishcup）；配合其它器件，可用于勘探和救生；相關科研領域等。 關鍵詞：機器人技術，機器魚，科研領域 前 言 水下推進器在海洋生物觀察、海底探險、海洋救撈、管道檢測、以及軍事方面的應用日益增加。傳統(tǒng)的螺旋槳在水中游動時，在它的側面會產(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、高推進效率、機動性強等優(yōu)點。 20世紀90年代以來，出現(xiàn)了模仿魚運動的機器魚。從1994年，美國麻省理工學院的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大學胡豁勝教授研制了世界第一條具有自主控制能力的機器魚，機器魚不僅有阻力小的外形、小半徑轉彎、自主蔽障等能力，而且解決了很多機械設計問題。因此，以魚的推進模式運動的機器魚被認為是未來水下運載器的設計目標，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器魚的研究，使得機器魚飛速發(fā)展。但是距機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動器，在機動性方面，機器魚不能S形轉彎、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，在推進效率方面因為不知魚是怎樣控制渦流推進，不能預測給定一個命令機器魚將會做什么樣動作。要應用到實用階段，除了解決以上問題，機器魚還須有很高的智能。 1 仿生機器魚與傳統(tǒng)水下推進器相比幾點優(yōu)勢 ⑴推進效率高。試驗表明仿魚水下推進器比常規(guī)螺旋槳推進器推進效率可提高30%以上。 ⑵機動性好。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結構簡單、體積小、重量輕?？蓪崿F(xiàn)舵獎合一，簡化機構和系統(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器人的小型化、微型化。 ⑸可采用多種驅動方式。大型仿生魚運載器可采用電磁馬達、液壓馬達或氣壓馬達驅動，以及混合驅動方式；小型或微型仿生魚，可采用形狀記憶合金、人造肌肉、超聲波馬達以及壓電陶瓷等多種驅動元件。 2 設計原理 仿生機器魚主要是模仿機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、推進和轉向的作用，尾的扭曲和伸直使魚體產(chǎn)生前進運動。 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交替進行，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彎曲使成S型。收縮在尾部結束，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力。 3 機器魚推動原理 根據(jù)推進模式訪生機器魚的推進方式可分為三類：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)生推進力。此類仿生機器魚多采用多關節(jié)機構，每個關節(jié)安裝一個小型伺服電機配合作用進行扭轉擺動推進。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器蛇在水中若能浮起就變成了機器魚。此類機器魚由于身體細長，柔韌性好，所以機動性極好，但一般只能飄浮，無法進行沉浮。 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）采用的推進模式。由于身體剛度較大，波動主要集中在身體后部分，推進力主要由具有一定剛度的尾鰭提供，其推進速度和推進效率比身體波動式高。(魚+參)科模式的推進部分是魚體的后2／3部分，而(魚+參)科加新月形尾鰭模式身體剛度更大，推進部分為身體后1／3部分，側向位移主要產(chǎn)生在后頸部和尾鰭，尾鰭產(chǎn)生90％的推進力，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，由電機驅動進行擺動。其結構復雜程度不同，最簡單的可以由電機直接驅動一根剛性桿狀魚尾擺動，復雜的可做成類似身體波動式的多關節(jié)或彈性魚尾，由一部或多部電機配合驅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器設計，美軍甚至提出仿魚推進潛艇的概念。目前研究結果表明，此種仿生機器魚巡航速度為每秒1～3倍體長，最大爆發(fā)速度可達每秒27倍體長，而且這種模式的仿生機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方式，通過胸鰭的擺動或波動提供推進力，大部分魚類用這種方式提高機動性能或作為輔助推進運動。胸鰭模式推進力和推進效率最低，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)生推進力。改變其微位移控制剛性鰭擺動產(chǎn)生推進力。 4 常見故障 ⑴機器不能傳動 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)設置是否正常（重新設置）； ②雕刻機是否先按定位起動再輸出（重新輸出）； ③檢查機器是否事先沒復位（重新更正）； ④檢查輸出串口是否與軟件設置串口一致（重新設置）； 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 [1] 鞏云鵬，田萬祿等主編. 機械設計課程設計.沈陽：東北大學出版社，2000. [2] 孫志禮，冷興聚，魏嚴剛等主編.機械設計.沈陽：東北大學出版社，2000. [3] 劉鴻文主編.材料力學.北京：高等教育出版社，1991. [4] 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研組編.理論力學.北京：高等教育出版社，1997. [5] 大連理工大學工程畫教研室編.機械制圖.北京：高等教育出版社，1993. [6] 孫桓，陳作模主編.機械原理.北京：高等教育出版社，2000. [7] 高澤遠，王金主編.機械設計基礎課程設計.沈陽：東北工學院出版社，1987. [8] 喻子建，張磊，邵偉平，喻子建主編.機械設計習題與解題分析.沈陽：東北大學出版 社，2000. [9] 張玉，劉平主編.幾何量公差與測量技術.沈陽：東北大學出版社，1999.