基于波浪能獲取的機(jī)器魚能源自給系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著社會的迅速發(fā)展，人類對于海洋資源的開發(fā)日益頻繁。由于生理結(jié)構(gòu)的限制，人類無法自行完成水下工作，因此只能依靠水下機(jī)器人來開展各項(xiàng)工作。然而，傳統(tǒng)的推進(jìn)方式制約了水下機(jī)器人的推進(jìn)能力、效率以及機(jī)動(dòng)性。因此，人們迫切需要尋找一種新的推進(jìn)方式來推進(jìn)水下機(jī)器人。魚類經(jīng)過上億年的進(jìn)化、演變，已與自然完美地融為一體，魚類游動(dòng)時(shí)其推進(jìn)效率可達(dá)80％，且兼有出色的機(jī)動(dòng)性能。因此仿照魚類游動(dòng)的推進(jìn)方式研制仿生機(jī)器魚具有重要意義。
　　 水下機(jī)器

2、人往往工作在海洋等野外環(huán)境中，人類無法為其補(bǔ)充能源，所以如何解決能源問題，成為水下機(jī)器人的一大難題。海洋蘊(yùn)藏著取之不盡的波浪能源，通過機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以獲取波浪能量，解決其能源問題也變得意義非凡。
　　 本文以鲹科魚類為藍(lán)本，設(shè)計(jì)多關(guān)節(jié)仿生機(jī)器魚，利用魚體關(guān)節(jié)獲取波浪能發(fā)電來解決機(jī)器魚發(fā)展的能源瓶頸。主要研究內(nèi)容如下:
　　 （一）機(jī)器魚能源自給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。首先，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室近年來的研究結(jié)果，對鲹科魚類的內(nèi)外結(jié)構(gòu)以

3、及推進(jìn)方式進(jìn)行了分析研究。研究結(jié)果表明，鲹科魚類魚體可近似看作為多旋轉(zhuǎn)副鏈接而成的多體系統(tǒng)，鲹科魚類正是依靠這樣的多體系統(tǒng)波動(dòng)來推進(jìn)的?；谝陨辖Y(jié)果，提出了將機(jī)器魚設(shè)計(jì)成多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)以提高推進(jìn)效率，同時(shí)提出將關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)成驅(qū)動(dòng)-獲能兩用模式以解決機(jī)器魚能源問題。接著對機(jī)器魚兩用多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)提出總體設(shè)計(jì)思路，給出了多關(guān)節(jié)仿生機(jī)器魚設(shè)計(jì)的基本原則，提出了一些可供參考的具體方法，對機(jī)器魚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的一些細(xì)節(jié)，如:機(jī)器魚關(guān)節(jié)長度、比例等的確定

4、方法，機(jī)器魚沉浮的調(diào)節(jié)方法以及機(jī)器魚的防水密封方法等作了研究。最后設(shè)計(jì)加工了多關(guān)節(jié)仿生機(jī)器魚原型與獲能測試關(guān)節(jié)模型。
　　 （二）機(jī)器魚能源自給系統(tǒng)的理論研究?；趧萘骼碚撆c微幅波假設(shè)，結(jié)合邊界條件，對微幅波浪的速度勢函數(shù)與波形方程進(jìn)行了求解，研究分析了流場中水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度與軌跡規(guī)律，給出了流場中任意一點(diǎn)的壓力以及水波所具有的能量?；陉P(guān)節(jié)浮體單元在波浪中的受力，建立了浮體單元的動(dòng)力學(xué)方程，對浮體單元在波浪中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了簡要分

5、析。對發(fā)電機(jī)的機(jī)電方程組進(jìn)行了推導(dǎo)，并進(jìn)行了適當(dāng)簡化。結(jié)合浮體單元的動(dòng)力學(xué)方程與發(fā)電機(jī)的機(jī)電方程組，建立了兩浮體單元的數(shù)學(xué)模型。
　　 （三）機(jī)器魚能源自給系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法研究。對計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了簡要分析。根據(jù)兩浮體單元的動(dòng)力學(xué)模型，采用有限微元法對浮體單元進(jìn)行劃分，結(jié)合經(jīng)典的計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，對機(jī)器魚能源自給系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真分析。根據(jù)該建模方法對不同物理學(xué)場景進(jìn)行了仿真分析測試。其中包括:靜水中

6、浮體在干擾力作用下的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)場景;浮體自由下落沖擊水面的直線運(yùn)動(dòng)場景;以及波浪中浮體的復(fù)合運(yùn)動(dòng)場景。對各場景仿真的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，并結(jié)合靜水中浮體受干擾力作用運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)以及波浪中浮體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)對仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。最后，基于該數(shù)值計(jì)算方法以及軟件仿真功能，對波浪頻率、波高等波浪特性參數(shù)及機(jī)器魚關(guān)節(jié)長度、寬度、傳動(dòng)比、配重塊位置等關(guān)節(jié)參數(shù)對機(jī)器魚獲能系統(tǒng)獲能特性的影響進(jìn)行了仿真計(jì)算分析。
　　 （四）機(jī)器魚能源自給系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。

7、對現(xiàn)有的常用造波系統(tǒng)進(jìn)行了比較分析，根據(jù)勢流理論對推板造波系統(tǒng)模型進(jìn)行了計(jì)算研究。根據(jù)計(jì)算分析的結(jié)果，搭建了推板造波實(shí)驗(yàn)平臺。根據(jù)機(jī)器魚能源自給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了機(jī)器魚獲能測試關(guān)節(jié)，并為關(guān)節(jié)配備了各類傳感器，搭建了信號采集平臺?；谠觳▽?shí)驗(yàn)平臺與關(guān)節(jié)模型對關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)性能及獲能特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。開展了電機(jī)克服流體阻力驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與擺速達(dá)到驅(qū)動(dòng)技術(shù)要求。通過高速攝像機(jī)對測試關(guān)節(jié)在波浪中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行攝像，根據(jù)攝像圖形