仿生机器鱼的运动规律研究

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1、仿生机器鱼的运动规律研究47卷第3期(总第174期)2006年9月中国造船SHIPBUILDING0FCHINAVo1.47No.3(SerialNo.174)Sep.2006文章编号:10004882(2006)03—0090—05仿生机器鱼的运动规律研究张义明,战兴群,张炎华(上海交通大学空天科学技术研究院,上海200030)摘要仿生机器鱼技术为研究高效,高机动性和低噪声的水下运载器提供了新的思路,是近几年水下机器人领域的研究热点之一.基于仿生机器鱼的运动模型,研究了它的运动规律,并进行了计算机仿真研究.仿真结果表明,尾鳍摆动频率和两关节相位差对推进速度有较大的影响.

2、关键词:船舶,舰船工程;仿生机器鱼;运动模型;运动规律中图分类号:TP24文献标识码:A1前言目前,仿生机器人的研究已成为机器人研究领域的热点_1].鱼类是最古老的真骨类脊椎动物之一,经历了漫长的适应环境的自然选择过程,因此进化了各具特色的水中运动的非凡能力.它们既可以在持久游速下保持低能耗,高效率,也可以在拉力或爆发游速下实现高机动性E.它们具有的显着能力给予人们发明的灵感,故而促使人们进行仿生机器鱼的研制I3].鲨鱼,金枪鱼等采用的科推进模式被认为是效率最高,速度最快的推进模式,这种推进模式还被认为是未来水下运载器的最终设计目标.随着海洋开发需求的增长及技术的进步,适

3、应各种非结构化环境的水下机器人将会得到迅猛发展l_6].加快仿生机器鱼的研制工作,缩小与国外研究水平的差距,无论是在军事领域还是民用领域,都具有重要的意义.基于仿生机器鱼的运动模型,本文研究了它的一些运动规律,主要包括尾鳍摆动频率,尾鳍面积,两关节的相位差以及两关节摆幅对推进速度的影响.,2运动模型建立仿生机器鱼的运动模型是对其运动规律研究的基础.本文主要参考美国加州理工大学R.Ma—son和J.Burdick研究的模型_7].该模型是一个三链的鳕科鱼简化模型,三个链是通过具有连接角为和:的旋转关节连接在一起的,如图1所示.针对该模型,作如下假设:?忽略三维效应,将其视为

4、平面问题;?将大尾鳍视为一矩形平板(尽管真正鳕科鱼类尾部通常是新月形的);?尾鳍主要受到水动力升力;?在水动力上,尾柄的作用可忽略不计.设:仿生机器鱼的质量中心与尾柄的距离为Z;尾柄的长度为z;尾鳍弦长为z;尾鳍面积为.令f为指向尾鳍前缘方向的单位向收稿日期:2004一i0—09;修改稿收稿日期:2006—04—05基金项目:船舶基金资助项目(03J6.3.6)图I觞科鱼的简化模型47卷第3期(总第174期)张义明等:仿生机器鱼的运动规律研究量.在与鱼体主轴成一直线的坐标系下,则:,一一Ecos02,sin02,01(1)沿着纵轴与横轴,鱼体的瞬时移动速度分别为主和,瞬时

5、转动速度为声.令为尾鳍四分之一弦长处的速度:l’.f主一声(sin01+(/4)sin02)一01sin01—02(/4)sin02+声(pcos01+(/4)cos02)+01cosO1+02(/4)cos020如图2,应用Kutta—Joukowski定理,并假设尾翼是在准稳定等速流中以薄板四分之一弦长处的瞬时速度游动着的,则作用在尾鳍上的升力为:L—sign(cos(argl一argvq))npA(vq×f)×’,q(3)式(3)中第一项的作用是处理当尾鳍攻角在7/2和37/2弧度之间,以及尾鳍的后缘事实上成为尾鳍的前缘的,情况,P为流体的密度.针对研究目的,假设机

6、器鱼的身体被限制在仅能在纵向运动,并且和恒等于零.这就使得(2)图2理想化的仿生机器鱼模型与运动有关的方程仅仅在方向上,从而抓住主要因素来研究问题.仿生机器鱼刚体的移动惯量为(包括从鱼体周围的流体中得到的附加质量效应),拖曳参数为c,,则:Ixx—L一c,xll(4)需要说明的是,这里得到的模型是非常简化的,有许多因素尚未考虑,如:作用在尾鳍上的附加质量的作用力;由身体和尾鳍产生的涡效应;尾鳍周围固有的不稳状态;流体的近体墙和表面效应等.毫无疑问,这些效应中的一个或全部对机器鱼的控制都有着一定的影响,这将是下一步工作的主要研究内容.3尾鳍运动在鲣科推进模式的鱼类游动推进过

7、程中,尾鳍对推进力的产生以及机动性能等起着非常重要的作用.仿生机器鱼在游动过程中,尾鳍做平动与摆动的复合运动,身体前2/3部分几乎保持刚性,特别明显的侧向位移仅仅发生在尾鳍以及尾鳍与身体相连的尾柄处.仿生机器鱼良好的流线型身体可极大地减小形体阻力,其尾鳍产生超过90的推进力.仿生机器鱼的尾鳍摆动轴轨迹近似为正弦曲线,其尾鳍的运动轨迹如图3所示.在图3中,仿生机器鱼的尾鳍随其一起以从左向右的速度作往复的俯仰升沉.保证尾鳍在向上击水时有一负的攻角,向下击水时有一正的攻角,使作用在尾鳍上的升力总是促进仿生机器鱼前进并保持其游速.当尾