仿生鳐鱼水下机器人的设计及数值模拟研究

摘要

随着陆上资源的不断枯竭以及国家海洋战略的提出，对海洋的开发利用得到更多的关注，也促进了探索海洋环境的水下机器人的发展。而仿鱼类水下机器人由于其自身优越的运动性能，已成为机器人领域研究的热点。以鳐鱼为代表的胸鳍波动推进的鱼类具有优越的机动性和隐蔽性，而目前对鳐鱼的仿生学研究较少，本文以鳐鱼为仿生对象，开展其运动仿真研究。 本文根据鳐鱼胸鳍波动的运动模式，设计了一套仿生鳐鱼机械结构，利用ADAMS软件对机构进行运动学仿真，对机构的合理性进行验证。并结合鳐鱼的形状建立仿生鳐鱼的物理模型。接着在已有研究成果的基础上，建立了仿生鳐鱼的运动学模型，并仿真了鳐鱼胸鳍的运动，证明了模型的可行性。 在此基础上，本文提出了鳐鱼的动力学方程，并通过对其中未知量的公式推导，建立了鳐鱼的动力学模型。接下来，利用已建立的模型进行编程，在Fluent软件中完成其初步仿真，分析了鳐鱼运动速度和受力情况，证明了鳐鱼可实现在流体中的游动。 接下来，利用控制变量法，研究了波动频率、波长和波动振幅对鳐鱼运动性能的影响。通过对鳐鱼的表面压力、运动速度以及各方向的受力情况进行比较，得到了鳐鱼产生动力的来源，鳐鱼可实现在前进方向的稳定运动，说明了运动参数对鳐鱼运动的影响规律，为之后更深入的仿真研究以及鳐鱼实体样机的制作提供了理论参考。

目录

声明

1.绪论

1.1 仿生鳐鱼水下机器人的研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外仿鱼机器人研究现状

1.2.2 国内仿鱼机器人研究现状

1.3 现有研究存在的不足

1.4 本文主要研究内容

2 仿生鳐鱼结构设计与运动学模型的创建

2.1 鳐鱼简介

2.2 仿生鳐鱼机构的设计及运动学分析

2.2.1 仿生鳐鱼的机构设计

2.2.2 鳐鱼机构的运动学仿真

2.2.3 鳐鱼驱动装置的选择及机构运动分析

2.3 仿生鳐鱼运动学模型的创建

2.4 仿生鳐鱼运动学仿真

2.5 本章小结

3.1 引言

3.2 仿生鳐鱼的动力学模型

3.2.1 仿生鳐鱼的动力学方程

3.2.2 仿生鳐鱼质心的计算

3.2.3 仿生鳐鱼绕质心的转动惯量的计算

3.3 仿生鳐鱼的运动编程

3.3.1 仿生鳐鱼运动仿真的理论依据

3.3.2 仿生鳐鱼运动仿真的编程

3.4 仿生鳐鱼的初步运动仿真与分析

3.4.1 仿生鳐鱼运动过程的压力变化及分布

3.4.2 仿生鳐鱼运动过程的速度与受力分析

3.5 本章小结

4.1 运动参数的选择

4.2 波动频率对仿生鳐鱼运动的影响

4.2.1 波动频率对鳐鱼表面压力的影响

4.2.2 波动频率对鳐鱼运动速度及受力的影响

4.3 波长对仿生鳐鱼运动的影响

4.3.1 波数对鳐鱼表面压力的影响

4.3.2 波数对鳐鱼运动速度及受力的影响

4.4 波动振幅对仿生鳐鱼运动的影响

4.4.1 波动振幅对鳐鱼表面压力的影响

4.4.2 波动振幅对鳐鱼运动速度及受力的影响

4.5 本章小结

5.总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 后续工作及展望

参考文献

在学研究成果

致谢