仿生機(jī)器魚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及流場(chǎng)受力分析.pdf

1、海洋資源的開發(fā)受到越來(lái)越多的關(guān)注，水下機(jī)器人是實(shí)施海洋資源開發(fā)的基礎(chǔ)，所有海洋強(qiáng)國(guó)都對(duì)水下機(jī)器人的研究極為重視，仿生機(jī)器魚是水下機(jī)器人的重要一種。魚類在長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)化中已經(jīng)形成了非常高效的推進(jìn)實(shí)現(xiàn)方式，其中，鯉魚的形態(tài)特點(diǎn)便于布置機(jī)械機(jī)構(gòu)與無(wú)線控制模塊，由此作為本文仿生機(jī)器魚研究的參照目標(biāo)，設(shè)計(jì)了鯉魚外形與尾部擺動(dòng)推進(jìn)方式的仿魚機(jī)器人，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行三維建模與流體仿真分析，并針對(duì)建模與仿真結(jié)果進(jìn)行仿生機(jī)器魚設(shè)計(jì)優(yōu)化，進(jìn)而提高仿生機(jī)器魚各方面的

2、性能。
　　本文主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：
　?。?）選定設(shè)計(jì)參照對(duì)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(biāo)如魚體體長(zhǎng)、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(jī)械機(jī)構(gòu)的仿生實(shí)現(xiàn)性，對(duì)仿生機(jī)器魚在Solidworks下進(jìn)行三維建模，并將其部分建模特征尺寸標(biāo)準(zhǔn)化，以便于后期的二次開發(fā)以及優(yōu)化。
　?。?）對(duì)仿生機(jī)器

3、鯉魚的推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在有限的布置空間下，設(shè)計(jì)了以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的四連桿機(jī)構(gòu)，將電動(dòng)機(jī)所輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為仿生機(jī)器鯉魚魚尾的擺動(dòng)。并且在曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)由伺服電機(jī)所控制的調(diào)節(jié)齒輪，以調(diào)節(jié)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)改變仿生機(jī)器鯉魚尾部的擺動(dòng)對(duì)稱點(diǎn)，以達(dá)到仿生機(jī)器魚擺動(dòng)轉(zhuǎn)彎的效果。
　?。?）對(duì)仿生機(jī)器鯉魚的無(wú)線控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提出了控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，結(jié)合實(shí)現(xiàn)方案選取了已經(jīng)相對(duì)成熟的Zigbee低功耗通訊模式，并針對(duì)其該協(xié)議

4、選用了合理數(shù)量的通訊參考節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)位置分布。進(jìn)行了機(jī)器魚搭載Zigbee節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通訊調(diào)試，并針對(duì)調(diào)試情況對(duì)控制程序以及系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了修改，使得該系統(tǒng)得以正常高效運(yùn)行。基于所設(shè)計(jì)的機(jī)器魚機(jī)器控制系統(tǒng)，在青浦養(yǎng)殖基地進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試和應(yīng)用。
　?。?）對(duì)仿生機(jī)器鯉魚的三維模型的低質(zhì)面進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到轉(zhuǎn)化為IGES格式的要求。針對(duì)其IGES格式的模型各部分分別命名，并根據(jù)對(duì)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(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格化，并得到了合理的流場(chǎng)網(wǎng)格模型。
　?。?）對(duì)仿生機(jī)器鯉魚的流場(chǎng)網(wǎng)格模型進(jìn)行流場(chǎng)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(yùn)動(dòng)環(huán)境，設(shè)置合理的仿真模擬初始條件并對(duì)其進(jìn)行仿真。得到了仿生機(jī)器鯉魚在給定仿真條件下的所受來(lái)流造成的壓強(qiáng)云圖，并導(dǎo)出魚體各部分所受合力，得出了魚體各部分對(duì)魚體所受總合力的貢獻(xiàn)度。
　?。?）對(duì)仿生機(jī)