仿生墨魚機器人及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、21世紀(jì)被稱為海洋的世紀(jì)，人類開發(fā)海洋和利用海洋的腳步，隨著科技的發(fā)展逐漸加快。具有海洋勘測、海底探查、海洋救撈、海底管道等人造水下結(jié)構(gòu)物檢測、以及水下偵查和跟蹤功能的水下機器人（Unmanned Underwater Vehicle, UUV），已成為探索海洋、開發(fā)海洋和海洋防衛(wèi)的重要工具。本文以墨魚為研究對象，在分析其形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和游動推進機理的基礎(chǔ)上，研制形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡稱SMA)絲驅(qū)動的以鰭

2、波動方式和噴射方式復(fù)合推進的仿生墨魚機器人，并對各推進部件和仿生墨魚機器人樣機的性能進行實驗研究。為仿生水下機器人的研究提供了新型的仿生水平鰭和仿生噴射系統(tǒng)推進部件，并為仿生墨魚機器人的后續(xù)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
　　墨魚屬于軟體動物門頭足綱動物，依靠噴射和鰭波動復(fù)合推進這種特殊的方式來實現(xiàn)游動，不僅能像魚一樣靈活地游動，還能夠?qū)崿F(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎和快速后退等魚類難以實現(xiàn)的游動動作。通過對墨魚的游動方式和受力進行分析，建立了墨魚水平鰭鰭波動的運

3、動學(xué)模型和動力學(xué)模型，并對鰭波動運動的流體力學(xué)特性進行了分析。建立了墨魚外套膜橫截面的運動模型，分析了噴射推進過程中推力隨外套膜的收縮量和收縮速度的變化關(guān)系。以墨魚樣本為藍本，建立了墨魚的三維模型，并對其游動過程中的外形阻力進行了仿真分析。
　　分析了墨魚鰭肌肉結(jié)構(gòu)和動作過程，研制了更具動作對稱性的SMA絲驅(qū)動的柔性鰭單元，并對其擺動輸出力進行了實驗研究。在實驗基礎(chǔ)上，理論計算表明鰭單元最大擺動輸出力3.75N，最大彎曲角速度14

4、1.74rad/s。研制了柔性鰭單元驅(qū)動的模仿鰩科模式游動的仿生蝠鲼。該機器魚游動無噪聲，直線游動速度可達79mm/s，轉(zhuǎn)彎半徑118mm。通過模仿墨魚鰭的生理結(jié)構(gòu)和運動方式，研制了柔性鰭單元驅(qū)動的仿生水平鰭。通過仿真分析明確了影響仿生水平鰭推進力的影響因素。實驗表明仿生水平鰭能夠通過柔性鰭單元的運動帶動柔性鰭面形成推進波，推進力呈周期性變化，瞬時推進力最大值169mN，此時平均推力80mN。研制了仿生水平鰭推進器，該推進器能實現(xiàn)以仿生

5、水平鰭的鰭波動運動推進游動，最高游動速度35mm/s。
　　通過對墨魚外套膜肌肉結(jié)構(gòu)和動作過程進行分析，模仿墨魚生理結(jié)構(gòu)研制了仿生噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括SMA絲驅(qū)動仿生外套膜、SMA絲驅(qū)動仿生噴嘴和被動式仿生進水膜。仿生外套膜能實現(xiàn)柔性的均勻收縮，嵌入內(nèi)部的SMA絲最大收縮應(yīng)變2.59％，最大貯水截面應(yīng)變17.55%。仿生噴嘴能實現(xiàn)多方向彎曲運動，最大彎曲角度為22°。實驗表明依靠仿生外套膜的收縮和擴張運動能夠推動仿生噴射系統(tǒng)實現(xiàn)與

6、墨魚噴射運動相似的游動運動，噴射推力主要受仿生外套膜內(nèi)SMA絲的驅(qū)動電壓和驅(qū)動脈沖寬度、水溫和噴嘴噴口直徑影響。仿生噴射系統(tǒng)的最大瞬時推力為600mN，最大游動速度87.6mm/s。
　　模仿墨魚的外形，綜合考慮各推進裝置和控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計了仿生墨魚機器人，并研制了基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)和仿生墨魚機器人樣機。該機器人樣機以鰭波動運動和噴射推進運動復(fù)合方式游動，能實現(xiàn)向前、向后和轉(zhuǎn)彎游動。最大游動速度35mm/s與墨魚