-[21]，外形遵循流線型設(shè)計(jì)原則，最大程度的減小仿生魚所受的流體阻力。本文仿生魚截面最大尺寸設(shè)計(jì)為82mm，總長(zhǎng)為443.6mm,仿生魚整體主要由分魚頭和魚尾兩個(gè)部分組成。魚頭部分總長(zhǎng)155mm由魚頭和電路倉組成。魚尾長(zhǎng)度288.6mm包括兩個(gè)舵機(jī)、尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)、尾鰭。圖3.2仿生魚整體設(shè)計(jì)3.3.2節(jié)點(diǎn)選擇尾部關(guān)節(jié)數(shù)量的不同直接影響到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的靈活性、巡航速度、傳動(dòng)效率。單關(guān)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可靠性高。但對(duì)于較硬的尾鰭，尾鰭側(cè)向位移和擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)難以有效結(jié)合，尾鰭推進(jìn)效率低于許多多關(guān)節(jié)機(jī)器魚，關(guān)節(jié)過多會(huì)增加機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致推進(jìn)力不足。另外，關(guān)節(jié)數(shù)目對(duì)推進(jìn)速度也有直接影響，關(guān)節(jié)數(shù)目和推進(jìn)速度之間的關(guān)系為：其中，v為仿生魚游動(dòng)速度；a為關(guān)系系數(shù)；xn為仿生魚關(guān)節(jié)數(shù)，n為最佳節(jié)點(diǎn)數(shù)，且不能整數(shù)；M為理想最大速度，且M上述公式表明，在相同頻率下，增加機(jī)械魚的節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際上可以提高巡航速度，但增加節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)彎半徑等影響不大。總之，考慮到仿生魚推進(jìn)系統(tǒng)在推進(jìn)力、機(jī)械復(fù)雜性和控制方面的要求，以及節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)尾鰭推進(jìn)速度、推進(jìn)效率和機(jī)動(dòng)性等推進(jìn)性能的影響，改進(jìn)仿生魚推進(jìn)系統(tǒng)的可能性值得考慮。綜上，考慮到仿生魚類推進(jìn)系統(tǒng)所需的推進(jìn)力、機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和可控性，以及節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)尾鰭推進(jìn)速度、推進(jìn)效率和機(jī)動(dòng)性等推進(jìn)性能的影響，本文采用四節(jié)點(diǎn)模型來構(gòu)建尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)。定義為ABCD，如圖3.3所示。圖3.3尾鰭節(jié)點(diǎn)示意圖3.3.3尾鰭設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)，金槍魚鰭的形狀是典型的新月形鰭，其特點(diǎn)是推進(jìn)效率高。以金槍魚鰭為仿生對(duì)象，按照一定比例設(shè)計(jì)一個(gè)符合新月尾鰭特征模型。尾鰭長(zhǎng)68.3mm，投影面積4355mm^2,通過螺栓連接于魚尾推進(jìn)機(jī)構(gòu)上，如圖3.4所示。圖3.4尾鰭三維模型示意圖3.3.4尾鰭推進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在選用舵機(jī)作為控制裝置的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了如下空間尾鰭推進(jìn)結(jié)構(gòu)尾鰭的空間擺動(dòng)推進(jìn)機(jī)構(gòu)，如圖3.5所示，主要由擺動(dòng)關(guān)節(jié)、換向關(guān)節(jié)、魚尾連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成。其中與電路倉連接架相接的為換向關(guān)節(jié)，通過調(diào)節(jié)換向關(guān)節(jié)舵機(jī)，可以控制尾鰭擺動(dòng)軸所在平面，從而實(shí)現(xiàn)尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)平動(dòng)和上下擺動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。圖3.5尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)三維模型示意圖與轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)舵機(jī)相接的是四個(gè)擺動(dòng)關(guān)節(jié)，每個(gè)擺動(dòng)關(guān)節(jié)的右側(cè)連桿上有一塊圍板，如圖3.6所示。調(diào)節(jié)擺動(dòng)關(guān)節(jié)舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角度的大小可以帶動(dòng)魚尾連桿機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)。通過第二章對(duì)尾鰭運(yùn)動(dòng)分析可知，當(dāng)魚尾擊水角超過40°時(shí)，尾鰭起阻礙推進(jìn)作用，因此設(shè)計(jì)連桿中心與圍板之間的夾角為30圖3.6尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)三維模型示意圖轉(zhuǎn)向舵機(jī)通過兩側(cè)的螺栓和螺母固定在舵機(jī)架上，轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)盤用螺釘和擺動(dòng)關(guān)節(jié)舵機(jī)的舵機(jī)架底板相連接；擺動(dòng)關(guān)節(jié)舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)盤用螺釘和第一個(gè)擺動(dòng)關(guān)節(jié)的左側(cè)連桿相連接，第二個(gè)擺動(dòng)關(guān)節(jié)的活動(dòng)連桿則通過螺栓連接在前一個(gè)關(guān)節(jié)的右側(cè)連桿上，后兩個(gè)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)按同樣的連接方式連接。3．4本章小結(jié)本章主要以尾鰭空間擺動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)要求為研究目的，首先介紹了仿生魚的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)三種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分析介紹，并對(duì)各個(gè)驅(qū)動(dòng)方式的適應(yīng)范圍優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行概述，最終選擇以組合舵機(jī)作為尾擺推進(jìn)的驅(qū)動(dòng)方式，并參照尾鰭生物樣本比例設(shè)計(jì)了尾鰭三維模型，對(duì)整體推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。4尾鰭推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真4.1引言利用UG的機(jī)電概念設(shè)計(jì)模塊對(duì)空間尾鰭擺進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)，達(dá)到對(duì)所需仿真的機(jī)構(gòu)進(jìn)行干涉分析與動(dòng)畫分析。針對(duì)空間尾鰭推進(jìn)仿生魚結(jié)構(gòu)的具體功能，對(duì)尾鰭推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。首先，需要使用UG軟件建立尾鰭推進(jìn)系統(tǒng)的三維模型，創(chuàng)建新的機(jī)電概念設(shè)計(jì)模塊，并導(dǎo)入裝配好的三維模型。接下來，尾鰭推進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)電概念（MCD）需要定義剛體，確定運(yùn)動(dòng)部件之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，分別添加傳感器和執(zhí)行器，最后在MCD中使用仿真序列對(duì)尾鰭推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真控制和分析。通過對(duì)所需元件的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行追蹤,對(duì)部件速度、加速度、位移等一系列條件進(jìn)行輸出,達(dá)到驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)是否合理。4.2建立尾鰭推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型在上述模型中，尾鰭推進(jìn)流程已經(jīng)建模完成，接下來，對(duì)尾鰭推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)電概念設(shè)計(jì)（MCD）。首先是設(shè)置剛體，剛體可以讓這個(gè)實(shí)體有物理性質(zhì)，有質(zhì)量、慣性、可以受重力影響等如圖4.1所示。圖4.1剛體在MCD設(shè)計(jì)中主要是通過對(duì)尾鰭推進(jìn)流程來分析其運(yùn)動(dòng)副關(guān)系，并設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副。如圖4.2所示，尾鰭推進(jìn)仿生魚結(jié)構(gòu)在舵機(jī)2的帶動(dòng)下垂直往復(fù)擺動(dòng)，當(dāng)仿生魚在特定場(chǎng)合時(shí)，舵機(jī)1旋轉(zhuǎn)90°，尾鰭即可在舵機(jī)2的帶動(dòng)下水平往復(fù)平動(dòng)。從空間尾鰭推進(jìn)仿生魚的整個(gè)推進(jìn)流程來看，兩個(gè)舵機(jī)和尾鰭部分4個(gè)擺動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以利用MCD中的位置控制來設(shè)置其運(yùn)行的速度和擺動(dòng)的方向。其次就是確定各部件之間的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系。從其工作流程來看，都是旋轉(zhuǎn)的鉸鏈副，其運(yùn)動(dòng)副關(guān)系如圖4.3所示。圖4.2尾鰭推進(jìn)流程圖4.3運(yùn)動(dòng)副關(guān)系在確定好運(yùn)動(dòng)副關(guān)系后就可以為各個(gè)部件添加驅(qū)動(dòng)控制，即位置控制如圖4.4所示。依次設(shè)置好持續(xù)時(shí)間以及旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)，舵機(jī)1涉及到仿生魚轉(zhuǎn)身，需要旋轉(zhuǎn)90°如圖4.5所示，其余部件的擺動(dòng)角度可以根據(jù)需要擺動(dòng)的幅度設(shè)置一致。圖4.4各部件位置控制圖4.5舵機(jī)1位置控制參數(shù)最后對(duì)這些驅(qū)動(dòng)控制設(shè)置仿真時(shí)序，為了保證仿真的連續(xù)性，根據(jù)邏輯流程對(duì)仿真時(shí)序圖進(jìn)行相應(yīng)連接如圖4.6所示，達(dá)到實(shí)現(xiàn)空間尾鰭擺進(jìn)仿生魚推進(jìn)系統(tǒng)仿真的目的。圖4.6仿真時(shí)序圖4.3尾鰭推進(jìn)系統(tǒng)UG仿真分析以上仿真模型建立完成后，在NXMCD點(diǎn)擊播放，此時(shí)空間尾鰭擺進(jìn)仿生魚結(jié)構(gòu)開始運(yùn)行，此時(shí)可以觀察得到MCD中的仿真序列所控制的尾鰭推進(jìn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)垂直往復(fù)擺動(dòng)如圖4.7所示和水平往復(fù)平動(dòng)4.8兩種推進(jìn)模式的融合，運(yùn)動(dòng)軌跡與設(shè)計(jì)預(yù)期一致。尾鰭上擺尾鰭下擺圖4.7尾鰭上下擺動(dòng)尾鰭右擺尾鰭左擺圖4.8尾鰭左右擺動(dòng)4.4尾鰭推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析為了檢驗(yàn)仿生魚的舵盤是否能夠承載舵機(jī)最大扭矩的作用,使用ANSYS軟件對(duì)仿生魚舵機(jī)的舵盤進(jìn)行靜力學(xué)仿真,仿真結(jié)果如下圖4.9、4.10所示。其材料參數(shù)及載荷情況在表4.1中給出。表4.1舵盤材料及載荷材料屬性載荷ρ=7.85eE=250MPa，μ=0.3受舵機(jī)扭矩15kg·cm圖4.9舵盤等效應(yīng)力圖圖4.10舵盤總變形圖經(jīng)過ANSYS靜力學(xué)仿真可得到，舵機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)舵盤造成的最大變形為6.792e?5mm,最大應(yīng)力為26.164MPa設(shè)計(jì)總結(jié)鯵科新月形擺尾型機(jī)器魚以其高效、靈活、大范圍的推進(jìn)能力而成為目前國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，包括對(duì)其運(yùn)動(dòng)模式、推進(jìn)機(jī)理等的理論研究。通過分析鯵科魚類的生理結(jié)構(gòu)和游動(dòng)特征，基于當(dāng)前仿生魚的相關(guān)研究，采用組合仿生理念，在推進(jìn)模式方向上進(jìn)行了創(chuàng)新。本文將鲹科新月形的兩種尾擺推進(jìn)模式進(jìn)行融合。通過采用兩個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)換向和驅(qū)動(dòng)，為仿生魚提供推力。論文的主要設(shè)計(jì)總結(jié)如下：闡明了鲹科魚和鯨豚類兩種生物原型的運(yùn)動(dòng)和擺進(jìn)機(jī)理，明確了兩種生物游動(dòng)模式和其運(yùn)動(dòng)優(yōu)勢(shì)之間的關(guān)系；基于組合仿生思想，建立了具有適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性、推進(jìn)效率高的尾鰭空間擺進(jìn)游動(dòng)模型。在UG軟件中通過草圖方式，設(shè)計(jì)了空間尾鰭擺進(jìn)仿生魚的基本零部件結(jié)構(gòu)，完成零部件模型三維實(shí)體的設(shè)計(jì)并進(jìn)行裝配。采用UG軟件的機(jī)電概念設(shè)計(jì)功能，對(duì)裝配體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉檢查及可靠性試驗(yàn)，從而完成空間尾鰭擺進(jìn)仿生魚的基本設(shè)計(jì)。此外，還可以用Ansys對(duì)所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度及變形分析。這種基于仿真的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單、結(jié)果可靠、設(shè)計(jì)周期短，可廣泛應(yīng)用于新產(chǎn)品的開發(fā)。參考文獻(xiàn)張開升,楊明明,王強(qiáng)等.仿生機(jī)器魚尾鰭推進(jìn)效率的多參數(shù)優(yōu)化研究[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2019,49(07):118-124.DOI:10.16441/ki.hdxb.20170123魏清平,王碩,譚民等.仿生機(jī)器魚研究的進(jìn)展與分析[J].系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué),2012,32(10):1274-1286.孫維維.仿生機(jī)器魚尾鰭推進(jìn)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].燕山大學(xué),2009.成巍.仿生水下機(jī)器人仿真與控制技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2004.梁建宏;鄒丹;王松;王野.SPC-II機(jī)器魚平臺(tái)及其自主航行實(shí)驗(yàn)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2005,(07):709-713.許偉偉.仿生機(jī)器魚模型及雙魚協(xié)調(diào)策略研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2021.DOI:10.27101/ki.ghfgu.2021.001822.李志成.仿生機(jī)器魚建模與軟硬件實(shí)現(xiàn)的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.商志全.基于舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的仿生海豚尾部擺動(dòng)機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2021.DOI:10.27060/ki.ghbcu.2021.001665Techet

A

H,

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S,

Triantafyllou

M

S.

Separation

and

turbulence

control

in

biomimetic

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Turbulence

and

Combustion,

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