PAGE4摘要隨著海洋探測任務(wù)對水下航行器機動性與效率的需求日益提升，仿生蝠鲼的撲翼推進方式因其高效性和靈活性成為重要研究方向。本文以蝠鲼胸鰭撲翼運動為仿生原型，針對傳統(tǒng)水下推進器效率低、噪聲大、機動性不足等問題，開展水下仿生撲翼系統(tǒng)設(shè)計研究。首先對國內(nèi)外關(guān)于仿生蝠鲼的研究現(xiàn)狀進行綜述，深入探討了仿生蝠鲼的運動原理和外形特征。通過對蝠鲼胸鰭的弦向擺動和展向波動進行分析，建立運動學(xué)模型，推導(dǎo)出胸鰭攻角和縱向位移的周期性變化規(guī)律，據(jù)此提出設(shè)計了一種主動控制的仿生胸鰭，由單個電機通過兩級聯(lián)動機構(gòu)驅(qū)動，其中一級采用四桿機構(gòu)擬合胸鰭端點軌跡，實現(xiàn)弦向推進，二級采用Stephenson型六桿機構(gòu)控制展向波動，提高運動穩(wěn)定性，利用軌跡綜合、數(shù)值迭代優(yōu)化以及復(fù)矢量法運動學(xué)分析，證明兩級機構(gòu)聯(lián)動可以精確復(fù)現(xiàn)蝠鲼胸鰭的復(fù)合運動。同時使用動態(tài)網(wǎng)格技術(shù)建立蝠鲼機器人動力學(xué)模型，驗證仿生胸鰭的推進能力和機器人的理論速度，通過流場仿真和運動軌跡模擬可知，該系統(tǒng)在水下能產(chǎn)生穩(wěn)定的推進力，鰭端運動軌跡和蝠鲼生物原型吻合度高，證實了設(shè)計方案的有效性。驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計方面，選擇65111防水無刷直流電機做動力源，完成空心驅(qū)動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核，選用LT6型聯(lián)軸器和深溝球軸承，保證動力傳輸可靠，控制系統(tǒng)包含F(xiàn)SESC4.12電調(diào)，12S4P鋰電池組和六軸慣導(dǎo)傳感器，精準(zhǔn)控制胸鰭擺動頻率、幅度。研究顯示，所設(shè)計的仿生撲翼推進系統(tǒng)給予中小型水下航行器了新的推進辦法，在海洋環(huán)境監(jiān)測、水下勘察等方面有著廣泛應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：撲翼推進；蝠鲼；弦向擺動；展向波動；六桿機構(gòu)

AbstractWiththeincreasingdemandforthemaneuverabilityandefficiencyofunderwatervehiclesinmarineexplorationmissions,theflappingpropulsionmethodofbionicmantarays,whichischaracterizedbyhighefficiencyandflexibility,hasbecomeanimportantresearchdirection.Thispapertakestheflappingmotionofthepectoralfinsofmantaraysasthebionicprototypeandconductsresearchonthedesignofunderwaterbionicflappingsystemstoaddresstheproblemsoflowefficiency,highnoise,andinsufficientmaneuverabilityoftraditionalunderwaterpropulsiondevices.Firstly,areviewofthecurrentresearchstatusofbionicmantaraysathomeandabroadisconducted,andthemotionprinciplesandshapecharacteristicsofbionicmantaraysaredeeplyexplored.Byanalyzingthechordwiseswingandspanwiseundulationofthepectoralfinsofmantarays,akinematicmodelisestablished,andtheperiodicvariationlawsoftheattackangleandlongitudinaldisplacementofthepectoralfinsarederived.Basedonthis,anactivelycontrolledbionicpectoralfinisproposed,whichisdrivenbyasinglemotorthroughatwo-stagelinkagemechanism.Thefirststageusesafour-barlinkagetofitthetrajectoryofthefintiptoachievechordwisepropulsion,andthesecondstageusesaStephenson-typesix-barlinkagetocontrolthespanwiseundulation,improvingthemotionstability.Throughtrajectorysynthesis,numericaliterativeoptimization,andcomplexvectormethodkinematicanalysis,itisprovedthatthetwo-stagemechanismlinkagecanaccuratelyreproducethecompoundmotionofthepectoralfinsofmantarays.Atthesametime,adynamicgridtechnologyisusedtoestablishadynamicmodelofthemantarayrobottoverifythepropulsioncapabilityofthebionicpectoralfinandthetheoreticalspeedoftherobot.Throughflowfieldsimulationandmotiontrajectorysimulation,itisknownthatthesystemcangeneratestablepropulsionforceunderwater,andthefintipmotiontrajectoryhasahighdegreeofconsistencywiththebiologicalprototypeofmantarays,confirmingtheeffectivenessofthedesignscheme.Intermsofthedrivesystemdesign,a65111waterproofbrushlessDCmotorisselectedasthepowersource,andthestructuraldesignandstrengthcheckofthehollowdriveshaftarecompleted.AnLT6typecouplinganddeepgrooveballbearingsareselectedtoensurereliablepowertransmission.ThecontrolsystemincludesanFSESC4.12electronicspeedcontroller,a12S4Plithiumbatterypack,andasix-axisinertialnavigationsensortopreciselycontroltheflappingfrequencyandamplitudeofthepectoralfins.Theresearchshowsthatthedesignedbionicflappingpropulsionsystemprovidesanewpropulsionmethodforsmallandmedium-sizedunderwatervehiclesandhasbroadapplicationprospectsinmarineenvironmentmonitoring,underwaterexploration,andotherfields.Keywords：Bionicflappingwing;Mantaray;Transversevibration;Spanwisefluctuation;Six-barlinkage目錄摘要 IAbstract II1 緒論 11.1 本文研究目的與意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2.1蝠鲼撲翼推進機理研究現(xiàn)狀 21.2.2仿生蝠鲼撲翼推進系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 31.4本文主要設(shè)計內(nèi)容 61.4.1驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 61.4.2外形設(shè)計 61.4.3運動學(xué)分析 72仿生蝠鲼撲翼系統(tǒng)總體設(shè)計 82.1引言 82.2蝠鲼特征研究 82.2.1蝠鲼體型特征 82.2.2蝠鲼運動特征 92.3仿生蝠鲼撲翼推進裝置整體方案 102.3.1仿生蝠鲼式無人航行器結(jié)構(gòu)構(gòu)型分析 102.4控制系統(tǒng)硬件選型 143仿生胸鰭推進機構(gòu)設(shè)計 173.1引言 173.2基本原理概述 173.3一級胸鰭聯(lián)動四桿機構(gòu)設(shè)計 183.2二級胸鰭聯(lián)動六桿機構(gòu)設(shè)計 223.3機構(gòu)運動學(xué)分析 254驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 294.1引言 294.2驅(qū)動系統(tǒng)整體分析 294.2.1驅(qū)動空心軸的設(shè)計 294.2.2聯(lián)軸器的設(shè)計與選型 354.2.3空心軸上鍵的設(shè)計與選型 354.2.4軸承的設(shè)計與選型 355總結(jié)與展望 365.1總結(jié) 365.2研究展望 37參考文獻 39致謝 42

緒論本文研究目的與意義在過去的二十年里，小型自主水下航行器，即無人潛水器AUV和自主潛航器AUG，在海洋探索和監(jiān)測作業(yè)中扮演著非常關(guān)鍵的角色，而且被大量地應(yīng)用到科研，軍事以及商業(yè)等諸多不同的場景當(dāng)中[1-3]，由于深海探索的不斷擴展，人們對時間與空間的了解需求變得越發(fā)深入，這就促使人們對于水下航行器在各種任務(wù)執(zhí)行能力以及應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境挑戰(zhàn)的能力有著更高的期待。近些年來，對各種海洋生物的仿生學(xué)研究蓬勃發(fā)展，這給改進水下航行器的操作效能給予了新的途徑，經(jīng)過億年的演變，海洋生物發(fā)展出近乎完美的體態(tài)結(jié)構(gòu)[4]，運動效能和靈活性十分優(yōu)秀，自然界中的水生生物憑借各種各樣的游泳技巧在水中自由穿梭，蝠鲼憑借獨特的拍翼游動方式引人注目，它的水下機動能力非常驚人，相關(guān)研究表明，蝠鲼依靠特有的拍翼行動可以有效地執(zhí)行遠距離游弋和精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向，其行動效率達到89%，優(yōu)于鰻魚，鲹魚等同類生物，這種特性為水下機器人完成長時間任務(wù)，廣泛范圍操作以及適應(yīng)復(fù)雜水域環(huán)境給予了很好的參照[5]。相對而言，蝠鲼有著獨特的身體形態(tài)和動力學(xué)特征，在水下移動時表現(xiàn)出高效的性能，對其軌跡解析、速度及加速度變化、能源消耗模式等展開研究，對于推進仿生撲翼系統(tǒng)的新穎設(shè)計具備重要的理論價值與實踐指導(dǎo)意義，給創(chuàng)建更為精準(zhǔn)的生物原型給予了豐富的數(shù)據(jù)與理論支撐。本課題的研究目的主要聚焦于以下幾個方面：（1）針對蝠鲼撲翼行為展開生物力學(xué)特性方面的全面分析，仔細研究它的飛行路線，飛行速度，加速進程以及能耗要素，從而給制作類蝠鲼撲翼機器給予強有力的科學(xué)支撐與準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。（2）經(jīng)過對蝠鲼游泳機制的深入探究，設(shè)計并制造出了一套水下仿生拍打推進系統(tǒng)，它能夠精準(zhǔn)模仿蝠鲼的拍打動作，目的就是給水下機器人賦予一種高效率，高機動性而且很穩(wěn)定的水下移動方案，從而明顯改善水下機器人的行動能力。（3）設(shè)計仿生撲翼系統(tǒng)相匹配的撲翼系統(tǒng)相融合的智能導(dǎo)航控制系統(tǒng)，目的在于依照海底狀況來調(diào)整拍打頻率，振幅以及其他重要參數(shù)，進而提升該系統(tǒng)在多變海洋生態(tài)下的自我適應(yīng)能力和穩(wěn)定性，如此一來便能極大地拓展水下機器人在探索，監(jiān)測以及操作等領(lǐng)域里的應(yīng)用范圍。想要模仿蝙蝠鲼的外形特征、游動姿態(tài)以及其獨特的撲翼推進機制，需要去剖析它的流線型身體構(gòu)造，特別的擺尾運動模式以及有效的推進手段，然后按照這些特點來創(chuàng)造一種新的仿生機器人，開發(fā)出具備高效能、高機動性和高隱蔽性的仿生機器人，在海洋環(huán)境監(jiān)測，水下古跡調(diào)查，海洋生物考察以及水下安全巡視這些重要的方面都能發(fā)揮作用，給人們深入探究和合理利用海洋資源給予前沿技術(shù)支撐和有效工具[28]。本項目有著較為深入的理論意義和實際應(yīng)用價值，通過對蝠鲼游動機理的仔細分析，基于生物運動學(xué)原理開發(fā)的仿生工程設(shè)計方案，有效促進了多學(xué)科交叉融合，為水下推進技術(shù)研究構(gòu)建了創(chuàng)新框架，在海洋考察，生態(tài)環(huán)境評定，軍事探測等很多方面都有廣泛的應(yīng)用前景。對于海洋勘探來說，它能夠搭載多種探測器，潛入海底做地質(zhì)考察，生物探索等工作，憑借自身高效、適應(yīng)性強的移動特性，可以更為全面，準(zhǔn)確地收集到海洋里的各種信息。環(huán)境監(jiān)控方面，對長時間、大面積的海洋污染及氣候改變監(jiān)測有用，有助于及時察覺海洋生態(tài)改變，為生態(tài)保護給予科學(xué)指導(dǎo)，在國防偵查領(lǐng)域，由于它具有隱蔽性與機動性，適合執(zhí)行水下偵查，反潛等任務(wù)，進而提升軍事行動效率。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1蝠鲼撲翼推進機理研究現(xiàn)狀海洋生態(tài)系統(tǒng)里生物種類繁多，各種生物的游泳機制多種多樣，許多海洋生物，包含小型無脊椎動物，它們借助噴射、擺動、劃動以及利用水翼等手段來移動，蝠鲼采取一種特別的擺動推進方式，依靠背部或者胸鰭的前后擺動來前進，這樣的生物力學(xué)特性既滿足了它高速游動的需求，又讓它在低速時能夠精準(zhǔn)地改變方向，顯示出了很高的運動效率[6]。蝠鲼的外形像一張扁平的菱形，寬大的翼狀胸鰭，細長的尾鰭，靠胸鰭的擺動，它能在海里能實現(xiàn)遠程洄游，行動敏捷。圖1是蝠鲼胸鰭的動作分解圖，它的運動是由沿弦向和展向的振動組成的，其中，弦向振動起主要推動作用，而展向振動對整個動作的穩(wěn)定也非常重要。蝠鲼用的胸鰭擺動方式是一種升力驅(qū)動的運動方式，在快速游弋時，比起產(chǎn)生阻力的劃水動作，這種運動模式更為高效[7-10]。圖1.1蝠鲼胸鰭運動概念圖1.2.2仿生蝠鲼撲翼推進系統(tǒng)研究現(xiàn)狀近些年來，全球范圍內(nèi)的蝙蝠魚仿生水下機器人技術(shù)有了很大發(fā)展，特別是在撲翼系統(tǒng)運動原理以及結(jié)構(gòu)設(shè)計方面已經(jīng)達到了較高水準(zhǔn)，該領(lǐng)域正在逐漸成熟起來，Gao等人依照對蝙蝠魚胸鰭在水下活動時的動力學(xué)特性及其骨骼排列狀況展開研究之后，便設(shè)計出了圖1.2(a)里所體現(xiàn)的那種柔性硅膠胸鰭模型（Gaoetal.,2008）[11]。通過實驗得知，在水槽當(dāng)中，這種柔性胸鰭可以產(chǎn)生符合某種運動模式的升力和推進力，而且這些力的變化情況同胸鰭擺動幅度以及頻率密切相關(guān)，周等人就水下仿生飛行器的設(shè)計與操控機制做了進一步深入探究（周等人,2010年；洛等人,2010年；周等人,2012年），采用六根柔性鰭片來構(gòu)成，如圖1.2(b)所示，這些鰭片在兩側(cè)協(xié)同工作，借助拍打動作來產(chǎn)生升力和推力，從而改善了原型機的航行性能[12]。他們把生物滑翔原理巧妙地融入進去，目的是削減遠程航程中的能量耗費，優(yōu)化能效，Chew等人模仿蝠鲼的動力學(xué)特性，新奇地規(guī)劃出一種推進裝置及其胸鰭安排，它的構(gòu)造可在圖1.2(c)中看到，這項研究發(fā)布于2016年（Chewetal.,2016），之后，云忠等人想要重現(xiàn)蝠鲼胸鰭特有的擺動情況，就采用曲柄搖桿機構(gòu)，詳盡的設(shè)計及其成果可從圖1.2(d)里看出（云忠等，2018;云忠等，2019），他們利用數(shù)值模擬手段，深入探究了胸鰭擺動期間出現(xiàn)的水動力特性，再聯(lián)系到機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，全面剖析了急回特性對推進力性能所產(chǎn)生的影響[13]。(a)柔性硅膠胸鰭蝠鲼(Gaoetal.,2008)(b)六鰭線蝠鲼(Zhouetal.,2010)(c)推動機構(gòu)(Chewetal.,2016)(d)曲柄擺桿機構(gòu)(云忠等,2018)圖1.2仿生蝠鲼中國境內(nèi)不少高等學(xué)院和科研機構(gòu)正在積極參與到此方面的探究和更新當(dāng)中，自2007年始，北京航空航天大學(xué)機器人研究所的畢樹生和他的團隊便開始研究仿生魚MPF模式，研制出了五代RoboRay系列樣機，最高游動速度可以達到0.9米每秒[14]，這種系列的探索和努力對水下機器人技術(shù)的發(fā)展起到了推進作用，多電機驅(qū)動的復(fù)數(shù)鰭片構(gòu)成的胸部結(jié)構(gòu)是當(dāng)前原型機器人比較常見的設(shè)計形式，其目的在于模仿真實蝠鲼的活動方式以及整體構(gòu)造，借助這樣的設(shè)計，仿生機器人本身運動形態(tài)和整體結(jié)構(gòu)的自然屬性，與真實蝠鲼之間的相似度被明顯加強[15]，到了2022年的時候，中國科學(xué)院的研究團隊由喻俊志領(lǐng)銜，他們研發(fā)出了一種可調(diào)節(jié)后掠角的MPF仿蝠鲼型機器魚，這個創(chuàng)新的設(shè)計顯示了在水下機器人方面存在的前沿發(fā)展?fàn)顩r[16]。這款機器魚總長723毫米，它的最大寬度為381毫米，具備很強的能力，可以達到自身長度1.07倍的游泳速度，通過采用具有可變后掠角的胸鰭設(shè)計，大大提升了機器魚的靈活性，使其可以做出快速的俯仰動作，而且它的轉(zhuǎn)彎半徑僅有205毫米，研究小組為這個原型設(shè)備創(chuàng)建了一個動力學(xué)模型，采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的方法[17-19]，從而更好地認識其動態(tài)行為，在同一年，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的SUN和他的團隊創(chuàng)造性地使用多個齒輪泵，設(shè)計出一種具有較高靈活性的致動器，這種致動器可以產(chǎn)生最大25N·m的扭矩，在此基礎(chǔ)上，他們又研制出一種利用胸鰭推進的生物啟發(fā)式機器魚，表現(xiàn)出機械和生物系統(tǒng)相融合的理念[20]。2021年的時候，浙江大學(xué)研制出一種把介電彈性體和伺服電機動力機制相融合的柔性蝠鲼型機器魚，而且還創(chuàng)建起依靠全方位視覺定位的機器人整合體系，這個系統(tǒng)可精確重現(xiàn)自然界生物集群行動的三種主要模式，也就是并行移動，包圍策略以及環(huán)繞動作，給仿生學(xué)和機器人技術(shù)的發(fā)展給予了新的思路和應(yīng)用實例[21]。在2022年時，北京大學(xué)喻俊志研究組給出了一種新穎的水下機器人追蹤系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)特別利用視覺技術(shù)來模擬蝠鲼的行為方式，從而在深海環(huán)境下達成精確的導(dǎo)航效果，其采取了憑借色彩分析的水下目標(biāo)識別與定位方法，巧妙化解了機器人在追蹤時碰到的距離調(diào)整與方向引導(dǎo)彼此影響這一難題[22]。經(jīng)過實際的水下實驗，這種追蹤方式被證明是有效且穩(wěn)定的，這代表著在水下自主航行方面取得了巨大的進展，在2023年的研究當(dāng)中，西北工業(yè)大學(xué)把仿生學(xué)用于機器人技術(shù)上，把過去那種仿照蝠鲼機器人的跟隨控制方法改進成更加有遠見的引導(dǎo)策略，希望能達到更有效率、更聰明的集體行動協(xié)調(diào)效果，根據(jù)魚群活動的天然規(guī)律制定出一種按照特別地區(qū)劃分的集體跟隨導(dǎo)航辦法，依靠水下動作捕捉技術(shù)順利地指揮模仿蝠鲼機器人實現(xiàn)跟隨游動[23]。美國研制出一款名為“蝠鲼”的無人潛水器，其靈感來自蝠鲼，利用先進的水下能源管理技術(shù)，它具備低音噪、長續(xù)航、高速度的優(yōu)點，可在低能耗狀態(tài)下長時間隱蔽作業(yè)，切換到高能狀態(tài)時便能快速行動，被賦予收集水文數(shù)據(jù)、繪制海底地形、協(xié)同監(jiān)測與搜救等多種功能[24]。德國EvoLogics公司推出BOSS-MantaRay產(chǎn)品，該設(shè)備搭載多種類型的傳感器，技術(shù)成熟程度屬于行業(yè)的領(lǐng)先水平。利用水聲通信技術(shù)，創(chuàng)建起由超過三臺BOSS-Manta水下設(shè)備所組成的網(wǎng)絡(luò)以及群體系統(tǒng)[25]，此系統(tǒng)能夠?qū)λ男畔⒄归_剖面測量，繪制海底地形，執(zhí)行協(xié)同監(jiān)視和搜救任務(wù)。加拿大舍布魯克大學(xué)開展的“海鴨”項目以及英國帝國理工學(xué)院的“AquaMAV”計劃，均加入了生物力學(xué)設(shè)計思想，力求達成水下與空中的靈活轉(zhuǎn)換，從而極大地拓寬了它的適用范圍和操作場景[26]。仿生水下航行器雖然在模仿水生生物的特性以及行為方面取得了一些成績，但是仍然存在很多問題，首先就是模仿生物的運動和機動性，但是仿生設(shè)計無法完全復(fù)制自然界中復(fù)雜的運動方式，比如柔軟的游動，快速的轉(zhuǎn)向等，因此提高仿生水下航行器的動態(tài)性能是非常重要的[27]。保證航行器有長時間的自主航行能力，對高效能能源系統(tǒng)的需求非常高，但是現(xiàn)有的能源技術(shù)以及電池容量有限，這限制了航行器的工作時間和活動范圍，開發(fā)更高效，更輕便的能源解決方案是突破點[28]。而且，要選出合適的水下環(huán)境材料，還要選用適應(yīng)性制造工藝，目前的材料選擇和制造技術(shù)尚不能滿足復(fù)雜的水下環(huán)境需求，所以，研發(fā)專門針對仿生水下航行器的高級材料和制造工藝十分關(guān)鍵，就仿生航行器而言，重點是改善其運動效能，創(chuàng)建高能效能源體系，選用適合水下環(huán)境的材料和制造工藝，目的在于推動仿生水下航行器的更新發(fā)展并加以應(yīng)用[29-31]。1.4本文主要設(shè)計內(nèi)容整體設(shè)計將采用模塊化設(shè)計思路，整體構(gòu)建分為撲翼驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、整體外形框架等關(guān)鍵部件的系統(tǒng)架構(gòu)。同時還需對整體設(shè)計進行仿真分析，以下是研究的具體內(nèi)容。1.4.1驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計仔細探究蝠鲼胸鰭的運動學(xué)和動力學(xué)，目的在于塑造出一個可以準(zhǔn)確重現(xiàn)它那些繁雜的撲動，轉(zhuǎn)向和扭動動作的撲翼體系[32]，針對開發(fā)一款能高度模仿蝠鲼胸鰭細致動作的水下仿生撲翼設(shè)備，項目重點放在動力機制的設(shè)計環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的推動方法往往被它的多自由度，高精度動作以及協(xié)調(diào)性所制約，所以此次研究將會開創(chuàng)性地去探尋融合多自由度關(guān)節(jié)架構(gòu)和智能材料推動的新途徑，從而超越現(xiàn)存的技術(shù)限制，做到更為靈活且精確的運動控制，就多自由度關(guān)節(jié)而言，在多自由度關(guān)節(jié)設(shè)計方面，本文通過巧妙的機械連接和關(guān)節(jié)布局，使得撲翼機構(gòu)能夠在多個方向和角度上靈活運動，為精確模擬蝠鲼胸鰭的復(fù)雜運動提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。本研究重點放在整合多自由度關(guān)節(jié)以及智能材料驅(qū)動技術(shù)上，希望能讓撲翼系統(tǒng)精準(zhǔn)模擬蝠鲼那種高效率的推動方式，在水下世界里，這個仿蝠鲼拍動裝置具有明顯優(yōu)勢，新的推進系統(tǒng)效能大幅改進，相較于老式的螺旋槳設(shè)計，它通過削減能量損失達成了更快的行駛速率和更遠的航程，這種特質(zhì)對那些必須持續(xù)在水下作業(yè)并探尋的任務(wù)而言十分重要，接著就是系統(tǒng)操作變得更加靈活，可以快速地在狹窄海峽，錯綜盤結(jié)的礁石區(qū)域以及需要急轉(zhuǎn)的緊急情況下迅速做出反應(yīng)，更高效快速靈活地改變行進路線和姿勢，輕松面對變化多端又繁雜的海洋環(huán)境。1.4.2外形設(shè)計仔細復(fù)制蝠鲼的外貌，包括它的流線型身體形狀，還有特別的胸鰭構(gòu)造以及大小，利用現(xiàn)代建模工具，精心設(shè)計出一種仿生撲翼系統(tǒng)，外形非常接近真實的蝠鲼，這樣可以減小水動力阻力，提高移動效果，加強隱藏性，讓它能夠在海洋中自然融入，不會驚擾海洋生物，從而給海洋生物觀測和生態(tài)學(xué)研究供應(yīng)很好的工具和平臺。1.4.3運動學(xué)分析借助專業(yè)的多物理場仿真軟件，對仿生撲翼系統(tǒng)進行全面的仿真分析。在流體力學(xué)方面，模擬系統(tǒng)在水下運動時的流場分布，分析水動力、阻力、升力等參數(shù)，優(yōu)化外形設(shè)計和運動姿態(tài)，提高游動效率。在結(jié)構(gòu)力學(xué)方面，評估系統(tǒng)在不同工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變情況，確保各部件的強度和可靠性，避免在實際應(yīng)用中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞[33]。在運動學(xué)與動力學(xué)方面，仿真撲翼機構(gòu)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運動學(xué)特性，分析關(guān)節(jié)扭矩、傳動比等參數(shù)，優(yōu)化傳動系統(tǒng)設(shè)計和控制策略，實現(xiàn)精準(zhǔn)、高效的運動控制。具體技術(shù)路線如圖1.4所示。圖1.4研究具體路線本章梳理了仿生蝠鲼水下航行器的研究進展，展現(xiàn)了柔性驅(qū)動這一關(guān)鍵技術(shù)對運動性能的提升作用，同時指出能源效率與環(huán)境適應(yīng)性等瓶頸問題?；诖耍狙芯刻岢鋈诤蠁巫杂啥汝P(guān)節(jié)與智能材料驅(qū)動的推進系統(tǒng)設(shè)計，結(jié)合流線型仿生外形優(yōu)化及多物理場仿真分析，旨在構(gòu)建高效、靈活的水下作業(yè)仿生機器人。后續(xù)章節(jié)將重點闡述仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力學(xué)建模，深入探討系統(tǒng)性能優(yōu)化與復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)機制。

2仿生蝠鲼撲翼系統(tǒng)總體設(shè)計2.1引言此章節(jié)針對蝠鲼生物展開模仿，設(shè)計一種依照蝠鲼游泳方式的仿生撲翼推進系統(tǒng)，希望航行器能夠在水中順利前行，要想設(shè)計出合適的仿生蝠鲼，第一步就是仔細探究蝠鲼的外觀構(gòu)造，活動原理以及胸鰭的推進特點[34]，以此為根基創(chuàng)建一個符合生物力學(xué)原理且具備實用價值的仿生蝠鲼模型，通過細致分析蝠鲼的生物運動機制及其在水下的推進原理，本設(shè)計開發(fā)出一種嶄新的仿生蝠鲼撲翼推進系統(tǒng)，接下來的章節(jié)會細致講述這個從自然原型到機械構(gòu)造的轉(zhuǎn)化進程，還會全面論述仿生柔性胸鰭在推進裝置里的設(shè)計考量。2.2蝠鲼特征研究創(chuàng)建仿生蝠鲼模型的時候，首先要針對蝠鲼的基本屬性展開剖析，蝠鲼的基本屬性涉及它的體態(tài)結(jié)構(gòu)特點，側(cè)翼的活動情況等，本文大致探究了蝠鲼的身體構(gòu)造和運動屬性，細致地論述了蝠鲼的基本生理屬性和活動模式，目的是探究蝠鲼的運動機制，依照這些特性來創(chuàng)建理論模型，給蝠鲼的運動學(xué)研究賦予強有力的理論支撐。2.2.1蝠鲼體型特征蝠鲼的身體扁平，呈菱形，其前部的胸鰭演化成了翼狀且十分寬大，借助這些胸鰭的擺動，它們可以在水中自由滑行，擁有很強的推進力[35]。本文主要研究的是一個仿照蝠鲼的水下航行器，首先設(shè)計的目標(biāo)就是減小航行器在水中的阻力，根據(jù)真實的蝠鲼的流線型外形（如圖2.1（a）所示），通過去除一些并不重要的特征，比如簡化頭鰭、眼睛、眼鰓等，來使仿生的蝠鲼工作效率更高（如圖2.1（b）所示）。該航行器長1米，寬2.5米。圖2.1蝠鲼外形特征2.2.2蝠鲼運動特征圖2.2所示為蝠鲼在一個周期內(nèi)的運動形態(tài)，顯示了蝠鲼胸鰭在完整運動周期內(nèi)各時態(tài)的外形變化。蝠鲼在開始時運動時，胸鰭處于最高位置，拍動過程中胸鰭的前部較后部先運動；在胸鰭抬起過程中，胸鰭前部率先揚起，然后胸鰭尾部依次揚起；胸鰭的拍動和揚起完成蝠鲼胸鰭運動的一個完整周期。圖2.2蝠鲼周期運動形態(tài)關(guān)于蝠鲼的運動原理研究，在國際上以及國內(nèi)都有較為詳細的分析與研究，李吉等人在開發(fā)仿生蝠鲼機器魚BH-RAY3的時候，對蝠鲼胸鰭的結(jié)構(gòu)特性進行了詳細的分析（李吉等，2010），在對其結(jié)構(gòu)特性的多樣化進行分析的基礎(chǔ)上，他們建立了一個簡化模型來描述蝠鲼的運動原理[36]。在某個時間點上，胸鰭的進擊角度和胸鰭的縱向位移可以用以下公式精確地描述：y在這一描述中，振幅表示胸鰭弦向擺動的最大位移量；頻率表示胸鰭擺動的周期性速度；相位差是指胸鰭擺動時相對于某一個標(biāo)準(zhǔn)的滯后程度。就蝠鲼這個生物模型而言，本文重點探究它的形態(tài)學(xué)和運動學(xué)特點，經(jīng)過對其生物學(xué)特征展開系統(tǒng)研究之后，得到關(guān)于它的身體結(jié)構(gòu)以及胸鰭大小比例等方面的重要數(shù)據(jù)，這些成果給設(shè)計類似生物載體外形以及仿生胸鰭拍打機構(gòu)給予了基本素材和理論支撐，從仿生學(xué)角度來看，對于蝠鲼這種生物模型的運動特性實施研究時，創(chuàng)建并整合起對應(yīng)的坐標(biāo)體系，從而準(zhǔn)確表現(xiàn)出它的活動情況，找出其中的動力循環(huán)規(guī)律，這些成果給深刻認識蝠鲼的推動原理以及日后研發(fā)仿生推動設(shè)備賦予了主要依照，通過研究蝠鲼的推動機制可知，它的前鰭具備柔韌性，這是形成高效推動的核心要素之一，這項發(fā)現(xiàn)既有著重大的科學(xué)價值，又給將來該領(lǐng)域研究的工作重點提供了指導(dǎo)意義[22]。2.3仿生蝠鲼撲翼推進裝置整體方案想要開發(fā)出具備長時間續(xù)航能力的蝠鲼式無人航行器，首先要明確它的設(shè)計架構(gòu)，想要精確模仿蝠鲼的活動方式，設(shè)計航行器的時候就要仔細考慮它的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布局，這個過程里要著重探究并融合仿生航行器胸鰭的設(shè)計與能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而塑造出一個集成了仿生航行器胸鰭設(shè)計和能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的航行器，使得航行器的行動能力與能量獲取可以做到高度整合，想要設(shè)計出高效的長續(xù)航蝠鲼航行器，就一定要仔細研究現(xiàn)存的仿生蝙蝠魚飛行器及其波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的工作原理，細致評價這些系統(tǒng)的性能，適應(yīng)環(huán)境和能量轉(zhuǎn)換效率等關(guān)鍵指標(biāo)[23]，以此作為基礎(chǔ)，給出適合蝙蝠鲼式長航時無人駕駛飛行器的設(shè)計方案，然后對設(shè)計方案是否可行做出初步判斷。2.3.1仿生蝠鲼式無人航行器結(jié)構(gòu)構(gòu)型分析目前仿生蝠鲼航行器的運動結(jié)構(gòu)大致可以分為三大類，機械胸鰭結(jié)構(gòu)沿胸鰭剖面結(jié)構(gòu)(圖2.3a)，機械胸鰭平行于胸鰭前緣結(jié)構(gòu)(圖2.3(b)，機械胸鰭垂直于身體結(jié)構(gòu)(圖2.3(c)[24]。圖2.3蝠鲼胸鰭結(jié)構(gòu)類型機械胸鰭結(jié)構(gòu)沿胸鰭剖面結(jié)構(gòu)模仿自然生物胸鰭功能，經(jīng)精細結(jié)構(gòu)優(yōu)化以提升水動力學(xué)性能。關(guān)于胸鰭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，它的外形模仿了飛機機翼，以此仿生蝠鲼的側(cè)翼，由一排縱向的框架組成，然后用橫向的驅(qū)動桿來帶動整體的動作，最近有不少學(xué)者對這種生物啟發(fā)式的工程技術(shù)做了深入的研究。北京航空航天大學(xué)的Ma等人在2015年開展了創(chuàng)新的仿生學(xué)研究，他們針對牛鼻鲼的形態(tài)特點以及動態(tài)活動展開了細致的研究，以此為基礎(chǔ)設(shè)計出了一款先進的仿生航行裝置，研究團隊先對牛鼻鲼的外形特征以及其游動時的運動狀態(tài)進行了研究，根據(jù)牛鼻鲼游動時胸鰭會出現(xiàn)規(guī)律性的弦向變形并以此推動自身前進的特點，他們將這種現(xiàn)象應(yīng)用到了航行器的設(shè)計當(dāng)中，使航行器具備了主動進行弦向變形的能力，設(shè)計中的航行器整體架構(gòu)如圖4所示，圖2.設(shè)計中的航行器整體架構(gòu)如圖4所示，圖2.4(a)是按照牛鼻鲼的軀體形狀設(shè)計的胸鰭弦切面圖，該胸鰭的弦切面被設(shè)計成了航行器的肋骨，如圖2.4(b)所示[37]。

航行器的胸鰭整體設(shè)計，利用直流電機帶動剛性桿，剛性桿再帶動柔性軸運動，胸鰭的后緣根據(jù)前緣的驅(qū)動機制，實現(xiàn)整個胸鰭的動態(tài)控制，在活動周期中，柔性的軸桿起到了胸鰭翼根扭矩傳導(dǎo)的作用，從根部推動到翼尖，通過胸鰭前部的引導(dǎo)，把扭矩傳導(dǎo)到鰭的末端，從而驅(qū)動仿生胸鰭完成擺動、俯仰動作[38]。圖2.4仿生牛鼻鲼航行器機械胸鰭平行于胸鰭前緣結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特征與傳統(tǒng)胸鰭前緣平行排列，以提升運動效率和穩(wěn)定性。根據(jù)蝠鲼胸鰭肌肉的特點，把機械胸鰭設(shè)計成平行于胸鰭前緣的結(jié)構(gòu)形式，這樣就能準(zhǔn)確模仿和體現(xiàn)真實蝠鲼胸鰭的解剖特點[39]。西北工業(yè)大學(xué)的He等人在仔細分析了蝠鲼胸鰭的骨骼和肌肉特性之后(Heetal.,2020;Heetal.,2022)，開創(chuàng)性地研制出一種仿蝠鲼胸鰭的生物啟發(fā)結(jié)構(gòu)。他們從仿生學(xué)角度出發(fā)，把胸鰭結(jié)構(gòu)分成支撐骨架和可以滲透的柔軟外皮兩部分[40]。為了精準(zhǔn)控制仿生胸鰭的活動，He等人做了細致的骨架設(shè)計，最后決定用多組骨架來共同控制胸鰭的運動，其具體配置及其效果可參照圖2.5。圖2.5蝠鲼鰭骨架的草圖機械胸鰭垂直于身體結(jié)構(gòu)在機械蝠鲼的研究中，胸鰭垂直于身體的配置是主流，通過驅(qū)動胸鰭基部，使得單片或多片胸鰭共同工作，從而驅(qū)動蝠鲼模態(tài)的扇動運動。如圖2.6(a)所示，RoMan-I的構(gòu)造主要分為軀體部分和胸鰭翼，設(shè)計中設(shè)置了兩組胸鰭，每組胸鰭內(nèi)部有三個分翼，在圖2.6(b)中有詳細展示。該機制采用電動機驅(qū)動固態(tài)胸鰭，并在其表面覆蓋硅橡膠來驅(qū)動整體運動，以此降低能耗、提高游泳效率[41]。圖2.6RoMan-I的結(jié)構(gòu)研究當(dāng)中，該設(shè)計最后選定垂直于主體的機械胸鰭當(dāng)作設(shè)計方案，在這類設(shè)計里，不少學(xué)者更偏向運用多胸鰭推動模式并加入連桿系統(tǒng)，目的在于模仿仿生蝠鲼的動作原理，而且保證航行器具有充足的柔韌度，從而復(fù)刻蝠鲼所特有的性能長處，由于該設(shè)計在工程達成，水動力學(xué)以及生物機械學(xué)的結(jié)合上表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，所以它采取胸鰭基部推動并同彈性覆蓋層相融合這種簡潔策略，很大程度上精簡了機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，符合現(xiàn)階段工程項目的生產(chǎn)及校驗日程安排，實驗表明。針對提升推進效率并縮減能量損耗的目標(biāo)，設(shè)計了硅橡膠覆蓋的剛性胸鰭，直接回應(yīng)了高效低耗的核心需求，采用多胸鰭連桿驅(qū)動形成的高冗余系統(tǒng)，通過靈活改變胸鰭數(shù)量，材料屬性以及機構(gòu)幾何尺寸，可以深入探究柔性推進過程中的運動動力耦合特性，這樣的設(shè)計不但給予了可控的創(chuàng)新研究平臺，保證了工程實踐的可行性，有著明顯的科學(xué)與工程價值。圖2.

7展示了仿生蝠鲼撲翼系統(tǒng)的大致構(gòu)成，主要包含推進機構(gòu)單元、胸鰭撲翼單元、驅(qū)動單元、基座單元等，其中設(shè)計上采用了左右各一對的對稱設(shè)計，每一側(cè)的胸鰭撲翼單元各有一個獨立的驅(qū)動機構(gòu)，使得左、右兩側(cè)能夠同步、獨立地運動。圖2.7仿生蝠鲼推進裝置總體結(jié)構(gòu)通過細致分析蝠鲼的肢體形態(tài)特征，本設(shè)計設(shè)計了一種仿生蝠鲼前鰭推進系統(tǒng)，這種推進系統(tǒng)按照成年雌性蝠鲼的體長去精確模仿胸鰭的結(jié)構(gòu)，而且還要保證該設(shè)計可以匹配整個機器的大小，這樣就能準(zhǔn)確無誤地確定出仿生蝠鲼推進組件的空間大小。仿生蝠鲼的胸鰭推進裝置的主要部分包含一臺驅(qū)動電機，這臺電機通過傳動系統(tǒng)作用于中空軸，從而帶動胸鰭聯(lián)動系統(tǒng)一起工作，保證兩軸同步旋轉(zhuǎn)，兩根軸上的胸鰭兩端也要做到等速運轉(zhuǎn)，兩邊的推進機構(gòu)單元圍繞著中間的軸線呈對稱分布，目的在于達成一致而協(xié)調(diào)的動作，從而改善推進效果。仿生學(xué)設(shè)計時，把仿生蝠鲼的推進機構(gòu)單元同末端安裝板緊密地連接起來，利用某種特定的傳動手段來模仿蝠鲼生物原型的胸鰭動作，從而模仿出類似拍打的運動軌跡和姿態(tài)，產(chǎn)生出推動力，以此達到模仿蝠鲼自然推進方式的目的?；M件包含了電機安裝座、各類軸承支承座、不銹鋼輔助手柄以及基座安裝板，主要作用就是穩(wěn)定并精確地定位各個系統(tǒng)組件。表2.1列出了驅(qū)動系統(tǒng)的部分重要指標(biāo)。表2.1仿生蝠鲼推進裝置具體參數(shù)參數(shù)/構(gòu)成單元具體參數(shù)/構(gòu)成情況設(shè)計尺寸最大展長2500mm,凈重機構(gòu)重量7.285kg（除胸鰭外）,單只仿蝠鲼柔性胸鰭2.21kg最大潛水深度30m(取決于無刷直流電機的防水性能)最大推力及速度最大可達約70N瞬時推力,0.8m/s瞬時速度浮力單元防水耐壓密封艙及各穿艙件控制艙12s4p18650鋰電池組、FSESC4.12本杰明電調(diào)MC6RE接收機、WTGAHRS3-484六軸慣導(dǎo)姿態(tài)傳感器、驅(qū)動單元65111無刷直流電機、GL-33×40雙膜片聯(lián)軸器15:1傳動比減速器、立式不銹鋼外球面帶座軸承推進機構(gòu)單元一級胸鰭聯(lián)動四桿機構(gòu)、二級胸鰭聯(lián)動六桿機構(gòu)、空心驅(qū)動軸仿蝠鲼兩端胸鰭單元防水彈性材料2.4控制系統(tǒng)硬件選型為實現(xiàn)仿生蝠鲼撲翼系統(tǒng)的高效運行與穩(wěn)定控制，需綜合考量水下環(huán)境適應(yīng)性、能源效率及運動精度等核心需求。本節(jié)針對驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件組件進行選型設(shè)計，包括動力調(diào)節(jié)、電源管理、安全控制及運動感知模塊，重點闡述各部件功能適配性、防護性能及集成方案。通過定制化散熱封裝、冗余安全設(shè)計及高密度能源配置，確保系統(tǒng)在復(fù)雜水下工況下的可靠性與續(xù)航能力，為仿生撲翼運動的精準(zhǔn)執(zhí)行提供硬件支撐。電子調(diào)速器選擇本文選定電子調(diào)速器為FSESC4.12無刷雙向電調(diào)，由于本文將電調(diào)電池等均放置于密封艙內(nèi)，故將電調(diào)主板放置于定制鋁合金外殼中，可以將電調(diào)MOS管進行強效散熱，并具有防靜電、抗干擾、抗壓、防塵等優(yōu)勢。開關(guān)選擇由于本文設(shè)計的推進裝置與密封艙均要置于水下，要面臨較多試驗突發(fā)情況，故需要在電源與電調(diào)之間安置一開關(guān)，并將開關(guān)線通過穿艙件穿出密封艙艙蓋，將開關(guān)置于岸基操作平臺。電源選擇電源選型需要根據(jù)密封艙空間前提下，在安全實驗的情況下發(fā)揮電機的最大性能。本文所選電機所需電池型號為8~12S,即29.6V~44.4V額定電壓，額定電流為30A,針對電機參數(shù)，本文設(shè)計與定制的電池組采用能量密度較大的18650鋰電池，采用12S4P規(guī)格，保護板最大安全電流為40A,可以多次充放電。姿態(tài)傳感器選擇本文選擇的姿態(tài)傳感器是維特智能的六軸加速度角度傳感器，可以實時獲得三軸加速度與三軸角度數(shù)據(jù)，具備IP67級防護，同時配備配套上位機軟件，可以對實時測得的加速度與角度姿態(tài)數(shù)據(jù)進行記錄儲存。上述控制系統(tǒng)硬部件除六軸加速度角度傳感器外均集成于亞克力密封艙內(nèi)，并設(shè)計安裝架以固定安裝各部件，并通過電工膠布將各部件進行進一步固定與絕緣保護，密封艙整體如圖4.4所示。在密封艙艙蓋處打孔安裝水密穿艙件，通過水密穿艙件連接驅(qū)動電機，并同時具有控制系統(tǒng)通斷以及電池充電的功能。圖4.4密封艙三維圖本章系統(tǒng)闡述了仿生蝠鲼撲翼推進系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。基于生物特征分析，通過簡化蝠鲼流線型體態(tài)與胸鰭運動模式，構(gòu)建了長1米、寬2.5米的高效仿生航行器結(jié)構(gòu)。研究揭示了胸鰭弦向擺動與展向振動的協(xié)同推進機理，提出融合多自由度關(guān)節(jié)驅(qū)動與柔性材料的復(fù)合推進機構(gòu)，實現(xiàn)胸鰭拍動幅度、頻率的精準(zhǔn)調(diào)控。設(shè)計采用對稱式胸鰭布局與模塊化驅(qū)動單元，結(jié)合硅橡膠覆層剛性骨架，在降低能耗的同時提升水動力性能?？刂葡到y(tǒng)集成高精度傳感器與防水密封艙體，通過定制電池組與電子調(diào)速器保障系統(tǒng)穩(wěn)定性。研究為后續(xù)動力學(xué)仿真與樣機實驗奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，其模塊化設(shè)計思路為復(fù)雜海洋環(huán)境下的仿生航行器優(yōu)化提供了技術(shù)參考。

3仿生胸鰭推進機構(gòu)設(shè)計3.1引言第二章分析三種仿生蝠鲼航行器結(jié)構(gòu)方案，機械胸鰭垂直于蝠鲼身體的結(jié)構(gòu)的結(jié)果突出的優(yōu)越性和可行性，因此以本方案為目標(biāo)對蝠鲼構(gòu)型進行設(shè)計。由第二章本蝠鲼式多模塊無人航行器的整體外形，結(jié)合上節(jié)方案對外形結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。3.2基本原理概述蝠鲼機器人的仿生胸鰭采用3組鰭條和靈活的皮膚覆蓋物的組合。鰭皮由防水彈性材料制成，沿鰭條尖端的包絡(luò)切割，并附在鰭條上。鰭條采用平面多級聯(lián)動機構(gòu)，由3組包含兩個層次的鰭條組成。單側(cè)胸鰭上的三組鰭條由同一電機驅(qū)動曲軸。根據(jù)蝠鲼的運動姿勢，曲軸的連桿軸頸產(chǎn)生144°（0.4個完整波長）的相位差，角度為72 圖3.1仿生胸鰭的整體結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，聯(lián)動機構(gòu)需要滿足兩個條件。首先，機器配置必須具有單個自由度。其次，機器配置必須形成一個封閉的鏈條。它應(yīng)滿足具有多個閉合鏈和鰭射線單個自由度的平面機構(gòu)的綜合標(biāo)準(zhǔn)。首先，根據(jù)Kutzbach準(zhǔn)則（Lietal.，2013）：F公式中，p1和p3其次，假設(shè)鉸鏈?zhǔn)?桿機構(gòu)的固定框架斷開，將閉鏈4桿機構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_鏈5桿機構(gòu)。開鏈F0的自由度由運動對數(shù)pF平面旋轉(zhuǎn)副fi=1，因此開放式5桿機構(gòu)的自由度為F0=4。多閉鏈機構(gòu)的每個末端鏈接自由度稱為約束條件，對于平面機構(gòu)，總是有λrF公式L是獨立環(huán)的數(shù)量，它表示多閉鏈機構(gòu)中包含的獨立運動鏈的數(shù)量。多環(huán)機構(gòu)可以看作是基于單環(huán)機構(gòu)的附加L?1環(huán)運動鏈。假設(shè)沒有復(fù)合旋轉(zhuǎn)對，在每個額外的獨立環(huán)中，成員的數(shù)目ni始終比旋轉(zhuǎn)對的數(shù)p第一環(huán)（單自由度閉鏈）機構(gòu)的桿數(shù)n1等于旋轉(zhuǎn)對數(shù)p1，因此鰭射線機構(gòu)的桿總數(shù)L方程3.5、3.6是鰭射線單自由度多閉鏈平面機構(gòu)的綜合標(biāo)準(zhǔn)。滿足上述公式條件的行數(shù)n必須是偶數(shù)，運動學(xué)對數(shù)p和運動學(xué)環(huán)數(shù)L都是整數(shù)。滿足要求的多桿機構(gòu)只能選擇，如表3.1所示：表3.1單自由度閉鏈機構(gòu)的桿數(shù)和旋轉(zhuǎn)副的組合Lnp0211442673810第一階段的鰭狀射線是一個四桿機構(gòu)和一個封閉環(huán)，第二階段鰭條是六桿機構(gòu)和兩個封閉環(huán)?，F(xiàn)將四桿機構(gòu)和六桿機構(gòu)分別作為仿生胸鰭推進機構(gòu)的一級和二級胸鰭聯(lián)動機構(gòu)的配置，后文將對其進行詳細的設(shè)計計算。3.3一級胸鰭聯(lián)動四桿機構(gòu)設(shè)計本文根據(jù)其軌跡設(shè)計一個四連桿機構(gòu)，使其連桿上的最末端的端點能復(fù)演出所要求的軌跡。并將該連桿機構(gòu)設(shè)計為曲柄連桿機構(gòu)，命名為一級胸鰭聯(lián)動四桿機構(gòu)，下面將對機構(gòu)的設(shè)計進行求解，四桿軌跡綜合機構(gòu)模型如圖3.2所示。圖3.2四桿軌跡綜合機構(gòu)模型根據(jù)公式（2.1），已知蝠鲼胸鰭端點的運動軌跡，給定軌跡，即點P的坐標(biāo)值滿足給定的函數(shù)大小，即如以下公式（3.7）所示y如圖3.3所示，點P的位置取決于連桿位置，當(dāng)點P各位置已知時可以移矩陣。應(yīng)該注意到該位移矩陣中連桿的相對轉(zhuǎn)角θj是未知的，因此無法單獨連架桿的運動副未知坐標(biāo)值。如果根據(jù)定桿長約束條件寫出兩連架桿的約束方程則可求出連架桿運動副坐標(biāo)值及連桿各未知的相對轉(zhuǎn)角θjD式中，θjBj、Cj與B1、x兩連架桿長約束方程x將式(3.8)、式(3.9)代入式(3.10)得x式(3.11)表示各運動副位置1坐標(biāo)與點P給定坐標(biāo)值以及連桿相對轉(zhuǎn)角間的關(guān)系式，已知量為xpj、ypjj=1,2,?,n，未知量為理論上鉸鏈四桿機構(gòu)能精確實現(xiàn)軌跡上的9個位點，但由于上述設(shè)計軌跡方程為線性方程組，借助電算進行數(shù)值迭代求解逼近最佳值。為了進行簡便計算，初始計算帶入A點坐標(biāo)為（0,0），并設(shè)置曲柄L1L接下來確定四桿機構(gòu)相對機架的安裝角θ4?機構(gòu)的原理圖和公式中的符號如圖3.3所示。根據(jù)閉合機構(gòu)L1+LL圖3.3四連桿機構(gòu)原理分析圖整理化簡為：α式中α解得：θ由圖3.4可知θ其中已知x帶入L解得：θ為了便于裝配將θ4?o修正后L3.2二級胸鰭聯(lián)動六桿機構(gòu)設(shè)計根據(jù)前文公式（3.6）可知六桿機構(gòu)包含至少4根連桿，推出n2=4,n3=2圖3.4六桿機構(gòu)及其兩種配置的縮略圖本文根據(jù)連接關(guān)系選擇Stephenson型六桿機構(gòu)，如圖3.5所示，作為第二級鰭條并對原型機構(gòu)進行以下更改：減少多對桿：將AE的邊長縮短到0的極限，使旋轉(zhuǎn)對A和E重疊形成復(fù)合鉸鏈，其提供的約束程度保持不變。簡化條形：將其三個旋轉(zhuǎn)對設(shè)置在一條直線上，使其成為直條；對于不影響輪廓的非執(zhí)行桿5和桿6，將其設(shè)計為L形桿，以減少空間占用和結(jié)構(gòu)放入槳中。設(shè)置初級機構(gòu)：將初級機構(gòu)的框架設(shè)置為桿3，原動機（曲柄）為桿4，連桿設(shè)置為桿1，擺動桿設(shè)置為桿2。圖3.5二級鰭條機構(gòu)原型圖3.6改進后二級鰭條機構(gòu)原理圖Stephenson平面六桿機構(gòu)屬于復(fù)合機械結(jié)構(gòu)，它實際上是在由構(gòu)件ABCD形成的四桿機構(gòu)基礎(chǔ)之上，又并聯(lián)了一個由構(gòu)件EFG構(gòu)成的簡單兩桿系統(tǒng)，對于四桿機構(gòu)ABCD來說，浮動桿I上某一點E所描繪出來的路徑就是這個機構(gòu)的基本連桿曲線，而浮動桿II上任意一點P的運動軌跡卻可能展現(xiàn)出更多種也更復(fù)雜一些的連桿曲線特點。基于這種狀況，本文采取了一種簡化辦法，針對StephenS

-III型六桿機構(gòu)展開函數(shù)綜合，經(jīng)過前面細致的探究，本設(shè)計把這個復(fù)雜的六桿系統(tǒng)拆分成一個四桿機構(gòu)和一個二級桿組，各自執(zhí)行綜合操作，最后達成整個六桿機構(gòu)的尺寸綜合工作，這種方法的關(guān)鍵之處在于，把六桿機構(gòu)綜合過程中出現(xiàn)的諸多設(shè)計變量分而治之，逐個加以改進，進而對整個六桿機構(gòu)的尺寸做到精確把控。如圖3.6所示，首先設(shè)定四桿機構(gòu)各部分尺寸，確定連桿的長度與轉(zhuǎn)動角度。基于前述分析得到相對桿長，L1以G點的軌跡為目標(biāo)軌跡，對二級桿組進行定時標(biāo)軌跡的優(yōu)化，得出第一次迭代的參數(shù)l6基于雙桿組合原理推導(dǎo)六桿機構(gòu)輸出角度ψ公式如下：ψ其中：DGC由(4.3)可以看出ψl=gl這里采用直接誤差法，將通過計算得到的六桿機構(gòu)輸出角度與給定的輸出角度直接進行比較，由上面分析并采用極大—極小優(yōu)化法，Stephenson-III型六桿機構(gòu)簡化函數(shù)綜合的模型如下[42]：minmaxs.t.pq式中：ψi是實際平面六桿機構(gòu)的輸出函數(shù)的離散值，fφi是給定綜合函數(shù)的離散值，pi優(yōu)化中的約束條件有：幾何約束要保證組件EFG能在曲柄AB完成一個全周期的旋轉(zhuǎn)過程中被順利裝配起來，就務(wù)必設(shè)置一些約束條件，這樣才能保證各個部件之間的正確相對位置以及相互間的協(xié)調(diào)運動，具體引入以下約束條件：max桿長和角度約束pβ桿長比約束max式中：K為最大桿長比，本文中均取K=20式(4.4)maxψi?fφi通過精確核算并調(diào)節(jié)二桿組的幾何尺寸，使它適合到四桿機構(gòu)的某個銜接點上，本設(shè)計評判由此得到的六桿機構(gòu)是否可以正確體現(xiàn)預(yù)設(shè)的數(shù)學(xué)函數(shù)聯(lián)系，如果這個機構(gòu)所表現(xiàn)出的函數(shù)行為符合預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，那么它就是滿足需求的六桿機構(gòu)設(shè)計，否則就要對二桿組和四桿機構(gòu)之間作用時間作出微調(diào)，進而改變四桿機構(gòu)的幾何參數(shù)，這個迭代過程圍繞StephenS-Ⅲ型六桿機構(gòu)的函數(shù)特征展開，直到它的表現(xiàn)達到給定的精度水平為止，這時就停止優(yōu)化循環(huán)，保證最終的設(shè)計能符合全部預(yù)期的功能和性能標(biāo)準(zhǔn)。對于四桿機構(gòu)，通過初始參數(shù)的計算，本設(shè)計得到了可以用來構(gòu)造六桿機構(gòu)的關(guān)鍵銜接部分的相對參數(shù)值L3.3機構(gòu)運動學(xué)分析對機構(gòu)進行運動分析的目的是驗證運動曲線是否產(chǎn)生波形，并了解桿的形狀和位置及其變化規(guī)律，以進一步優(yōu)化機構(gòu)軌跡。雖然分析方法涉及大量的計算，但可以準(zhǔn)確求解多桿機構(gòu)桿在循環(huán)周期內(nèi)的運動特性（位移、速度、加速度）。在本文中，采用經(jīng)典的復(fù)矢量法求解鰭射線機構(gòu)圍繞閉合矢量方程的位移關(guān)系。根據(jù)位移矩陣可以快速求解速度和加速度關(guān)系。此外，在使用計算機輔助工具時，基本桿組法的思想也被用作參考。接下來，求解鰭條的運動參數(shù)。求解一級胸鰭聯(lián)動四桿機構(gòu)終端節(jié)點A、二級胸鰭聯(lián)動六桿機構(gòu)終端節(jié)點B。使用MTLAB模擬分析了機構(gòu)的運行軌跡，為仿生蝠鲼前鰭推進技術(shù)的研究提供實驗裝置，并驗證仿生推進裝置的可行性。圖3.7胸鰭聯(lián)動機構(gòu)終端節(jié)點軌跡和機制剖面（優(yōu)化后）仔細分析了仿生蝠鲼胸鰭的運動模式，發(fā)現(xiàn)三翼末端的位置隨時間存在特定的垂直高度變化規(guī)律，此過程如圖3.8所示，它展示了三翼從各自最高點向下拍打時，在兩個連續(xù)運動周期內(nèi)的動態(tài)情況，以三翼拍擊時的最低點當(dāng)作高度基準(zhǔn)線，分析表明，三翼拍打時所達最低高度的時間比上升階段要久一些，依循曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性，每個運動周期里，三翼都會體現(xiàn)出明顯的快速上升趨向，這同預(yù)期的運動軌跡相符合，證實了設(shè)計是合理的。圖3.8蝠鲼翼端位置高度將胸鰭的向前長度設(shè)置為0.8m，取ω2=0.8ω1=3.9rad/s，τ=2π/T=1rad/s，觀察建立的三維表面。在胸鰭波動周期中，沿負y軸觀察到的波形以相等的間隔拍攝6次，如圖3.9所示?？梢钥闯?，曲面在橫向和縱向上表現(xiàn)出近似正弦的波動。曲面的根部是沿縱向的固定軸，對應(yīng)于仿生胸鰭四組鰭射線機構(gòu)的框架旋轉(zhuǎn)對處的旋轉(zhuǎn)軸。由此可見，這里建立的胸鰭的理想波動方程是合理的。圖3.9胸鰭理想波浪的6個時刻在Fluent的模擬過程中，觀察到胸鰭前端靠近內(nèi)側(cè)的地方有一個藍色的低壓區(qū)，如圖3.10所示，可以看出胸鰭右后側(cè)的水流壓力比左前側(cè)強，所以會產(chǎn)生一定的壓差阻力，這是胸鰭提供升力的重要因素。此外，渦旋脫落根據(jù)渦流向胸鰭外側(cè)，因此可以忽略胸鰭與機身的流體動力耦合作用，對機器人進行水動力分析是合理的。圖3.10胸鰭水動力分析過程流場壓力云圖

4驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計4.1引言本節(jié)會根據(jù)蝠鲼的運動學(xué)和動力學(xué)原理，把理論框架變成工程上的具體體現(xiàn)，從而對仿生機器蝠鲼的驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)展開詳細的規(guī)劃設(shè)計工作。對于驅(qū)動系統(tǒng)的創(chuàng)建而言，依據(jù)第二章所做研究，展開專門設(shè)計工作，針對控制系統(tǒng)的設(shè)計范疇，以蝠鲼胸鰭的正弦振動方式為啟發(fā)來源，精心選擇控制器、驅(qū)動裝置和傳感器，目的就是設(shè)計出一個能讓機器蝠鲼胸鰭產(chǎn)生強大推進作用的智能系統(tǒng)，依靠理論分析并搭配具體設(shè)計，本設(shè)計期望更加準(zhǔn)確地模仿自然界中蝠鲼的運動機制，保證設(shè)計符合蝠鲼動態(tài)行為特征，為達成本設(shè)計方案中推進裝置的仿生胸鰭功能，也就是要能夠協(xié)同運動或者獨立運動，并且還要保持操作的方便性和準(zhǔn)確性，本設(shè)計就采用兩臺電機各自獨立推動的形式。4.2驅(qū)動系統(tǒng)整體分析該章節(jié)重點關(guān)注如何把蝠鲼的運動學(xué)和動力學(xué)理論轉(zhuǎn)變成實際的工程應(yīng)用，通過細致剖析生物原型的活動原理，規(guī)劃并形成起適合仿生機器蝠鲼的推動及控制體系，力求精準(zhǔn)地做到生物動作的機械復(fù)刻，憑借第二章的研究成果，特地制定出的重心置于創(chuàng)建高效控制系統(tǒng)的架構(gòu)之上，尤其參考了蝠鲼胸鰭的正弦震動方式來獲取靈感，在此期間，仔細選定了控制器，推動原件和感應(yīng)器，從而研發(fā)出能夠給予機器蝠鲼胸鰭很強推動力的智能裝備。通過理論推導(dǎo)和實際設(shè)計相結(jié)合，達到完全復(fù)制自然界蝠鲼的活動原理，使設(shè)計完全符合蝠鲼的動態(tài)活動規(guī)律。為了實現(xiàn)仿生胸鰭的功能，即實現(xiàn)同步運動或者獨立運動，并且實現(xiàn)操作的方便、準(zhǔn)確，本設(shè)計采用兩臺電機分別獨立驅(qū)動。4.2.1驅(qū)動空心軸的設(shè)計根據(jù)第二章對蝠鲼的生物特征分析，現(xiàn)確定如下參數(shù)，進行空心軸設(shè)計。胸鰭擺動頻率：胸鰭擺動幅度：仿生尺寸：假設(shè)翼展，則單側(cè)翼面積水動力推力計算[43]：F式中，為阻力系數(shù),為液體密度，為速度，為垂直水流方向橫截面積。由公式(4.1)可知當(dāng)仿生蝠鲼胸鰭在水下拍動速度越快，所受阻力越大，所需電機工作力矩越大。根據(jù)第一代推進裝置所能達到的最高拍頻，時所用電機的扭矩為，當(dāng)以蝠鲼胸鰭平均拍頻周期運動時所需電機功率。 P以此選定所需電機最大功率。本文所采用的驅(qū)動電機型號為圖4.1中的65111型防水無刷直流內(nèi)轉(zhuǎn)子電機（如圖4.1所示），其主要性能參數(shù)如表3-6所示。最大輸出功率可達3000W，可以滿足最高前鰭拍動頻率所需的動力。此電機具有IP68級防塵防水功能，在30米以上的深水環(huán)境中仍能正常工作，完全適應(yīng)本文所設(shè)計的工作環(huán)境。圖4.1驅(qū)動電機確定空心軸上的功率P1、轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)矩T1P=2..339kW;n=120r/min;T=26.96N?m初步確定軸的最小直徑先初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBW，根據(jù)表，取A0=110，于是得d軸的最小直徑是安裝聯(lián)軸器的軸徑，由于安裝鍵將軸徑增大5% 空心軸的最小直徑是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑d12，為了使所選的軸直徑d12與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，故需同時選取聯(lián)軸器型號。聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩Tca=KA×T1，查表，考慮平穩(wěn)，故取KA=1.3，則：T按照計算轉(zhuǎn)矩Tca應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件，同時兼顧電機軸直徑38mm，查標(biāo)準(zhǔn)或手冊，選用LT8型聯(lián)軸器。半聯(lián)軸器的孔徑為50mm，故取d12=50mm，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度為60mm。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖圖4.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖①為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，Ⅰ-Ⅱ軸段右端需制出一軸肩，故取Ⅱ-Ⅲ段的直徑d23=55mm。半聯(lián)軸器與軸配合的輪轂長度L=60mm,為了保證軸端擋圈只壓在聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，故Ⅰ-Ⅱ段的長度應(yīng)比L略短一些，現(xiàn)取l12=60mm。初步選擇滾動軸承因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用深溝球軸承。參照工作要求并根據(jù)d23=55mm，由軸承產(chǎn)品目錄中選擇深溝球軸承6210，其尺寸為d×D×B=40×80×18mm，故d34=d67=58mm。.軸承采用軸肩進行軸向定位。由手冊上查得6210型軸承的定位軸肩高度h=3.5mm，因此，取d45=65mm。為了保證驅(qū)動胸鰭聯(lián)動機構(gòu)的強度l56=100mm，d56=58mm保證拆卸傳動部件右端面有一定距離，取l23=60mm至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。表4.1軸的直徑和長度軸段123456直徑505558655855長度6060100100100100空心軸所受的圓周力（d1為分度圓直徑）F空心軸所受的徑向力F空心軸所受的軸向力F根據(jù)6208深溝球查手冊得壓力中心a=9mm第一段軸中點到軸承壓力中心距離：l軸承壓力中心到齒輪支點距離：l齒輪中點到軸承壓力中心距離：l①計算軸的支反力水平支反力FF垂直支反力FF②計算軸的彎矩，并做彎矩圖4.3截面C處的水平彎矩M截面C處的垂直彎矩MM分別作水平面的彎矩圖4.3（b）和垂直面彎矩圖4.3（c）截面C處的合成彎矩MM③作合成彎矩圖4.3（d）T=作轉(zhuǎn)矩圖4.3（e）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度通常只校核軸上承受最大彎矩和扭轉(zhuǎn)的截面（即危險截面C左側(cè)）的強度。必要時也對其他危險截面（扭矩較大且軸徑較小的截面）進行強度校核。取α=0.6（單向傳動），則有抗彎截面系數(shù)為W=0.1抗扭截面系數(shù)為W當(dāng)量應(yīng)力為故設(shè)計的軸有足夠的強度，并有一定的裕度（注：計算W時，忽略單鍵槽的影響）。圖4.3空心軸受力及彎矩圖空心軸上聯(lián)軸器選型設(shè)計如下：（1）計算載荷由表13-7查得載荷系數(shù)K=1.3計算轉(zhuǎn)矩Tc=K×T=1.3×26.96=35.05N?m4.2.2聯(lián)軸器的設(shè)計與選型軸伸出端安裝的聯(lián)軸器初選為LT6彈性套柱銷聯(lián)軸器（GB/T5014-2003），公稱轉(zhuǎn)矩Tn=250N?m，許用轉(zhuǎn)速[n]=3800r/min，Y型軸孔，主動端孔直徑d=38mm，軸孔長度L=82mm。從動端孔直徑d=30mm，軸孔長度L=82mm[44]。Tc=35.05N?m<250N?mn=960r/min<3800r/min4.2.3空心軸上鍵的設(shè)計與選型選用A型鍵，查表得b×h=8mm×7mm（GB/T1096-2003）,鍵長70mm。鍵的工作長度l=L-b=62mm聯(lián)軸器材料為45，可求得鍵連接的許用擠壓應(yīng)力[σ]p=120MPa。鍵連接工作面的擠壓應(yīng)力表4.1軸承參數(shù)表軸承型號內(nèi)徑d(mm)外徑D(mm)寬度B(mm)基本額定動載荷(kN)6210508018軸承的設(shè)計與選型根據(jù)載荷及速度情況，選擇軸承為深溝球軸承。選擇的軸承型號為：6208，其基本參數(shù)查表得額定動載荷Cr=29.5kN，額定靜載荷C0r=18kN。由前面的計算已知軸水平和垂直面的支反力，則可以計算得到合成支反力：.查表得X1=0.56,Y1=2.3,X2=1,Y2=0根據(jù)工況，查得載荷系數(shù)fd=1因P_1<P_2，故只需驗算2軸承。軸承預(yù)期壽命為48000小時具有足夠壽命。

5總結(jié)與展望5.1總結(jié)本研究以蝠鲼胸鰭運動為仿生原型，針對水下航行器推進效率與機動性需求，開展了水下仿生撲翼推進系統(tǒng)設(shè)計，完成了從仿生機理分析到機構(gòu)設(shè)計、仿真驗證的全流程研究。仿生胸鰭推進系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建設(shè)計出一種依靠多重閉環(huán)平面機械結(jié)構(gòu)達成分層聯(lián)動機制，第一級胸鰭采用四連桿系統(tǒng)，憑借軌跡綜合和數(shù)值迭代改良技術(shù)，準(zhǔn)確擬合胸鰭尖端的動作路線，從而重現(xiàn)蝠鲼胸鰭沿弦線擺動的幅度與頻率特點，第二級胸鰭選用Stephenson式的六桿體系，依靠傅立葉級數(shù)展開以及格羅巴納基代數(shù)辦法，從48組方案當(dāng)中挑選出最佳參數(shù)組合，保證了展向波動的穩(wěn)定性和操控精度，雙層結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，精準(zhǔn)復(fù)制了蝠鲼胸鰭的雙維運動狀況，也就是弦向推進效果和展向穩(wěn)定特征，進而做到高度擬真的動力學(xué)表現(xiàn)。運動學(xué)分析與仿真驗證借助復(fù)矢量方法來創(chuàng)建閉環(huán)矢量模型，對鰭狀結(jié)構(gòu)的位移，速度以及加速度屬性展開分析，然后把所得結(jié)果同Mathematica的數(shù)值模擬以及Motion軟件的動態(tài)仿真結(jié)合起來，就完成了對該機構(gòu)在整個周期內(nèi)運動路徑及其波動狀況的驗證工作，通過實驗可以得知，這個仿生振翅系統(tǒng)在動力學(xué)特性方面同蝠鲼的胸鰭擺動模式完全吻合，其推進性能和動作穩(wěn)定性都符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，這就給接下來創(chuàng)建功能型的仿生蝠鲼機器人奠定了強有力的理論基礎(chǔ)?？招妮S驅(qū)動設(shè)計與可靠性評估方法研究選用40Cr調(diào)質(zhì)鋼作為主體材料，經(jīng)過考慮動力學(xué)參數(shù)，包含功率，轉(zhuǎn)速以及扭矩之后，執(zhí)行了軸徑的初步估算，結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計，并且對整個系統(tǒng)做了強度的全面校驗，用LT6型聯(lián)軸器加上6208深溝球軸承，考慮到彎矩和扭矩合成應(yīng)力評估以及軸承壽命預(yù)測，保證了在水下多變負載環(huán)境下，軸系結(jié)構(gòu)具備足夠的可靠性和穩(wěn)定性，為推進系統(tǒng)動力傳輸?shù)捻樌麑嵤┬纬闪朔€(wěn)固的基礎(chǔ)。5.2研究展望盡管本設(shè)計已在此類生物啟發(fā)式拍打翼動力系統(tǒng)的設(shè)計中實現(xiàn)了初步進展，但鑒于現(xiàn)有理論框架和技術(shù)限制，該領(lǐng)域仍有待深化研究以實現(xiàn)更高效的改進。未來的研究工作應(yīng)聚焦于幾個關(guān)鍵領(lǐng)域：（1）三維流動特征及其對柔韌胸鰭效能的影響研究目前的運動學(xué)分析大多采用二維模型，胸鰭的柔性變形以及它同三維流動場之間的相互作用影響被忽視掉，后續(xù)的研究會把CFD仿真技術(shù)整合來，希望借此深入探究柔性胸鰭在三維流動環(huán)境里渦流形成和能量轉(zhuǎn)化的機理，并且改良設(shè)計結(jié)構(gòu)，以達到明顯改善推進效能并控制噪音的目的。（2）多自由度協(xié)同控制與機動性的延伸探索蝠鲼借助胸鰭、尾鰭與軀體聯(lián)動達到非常高的靈活性，現(xiàn)階段研究只針對胸鰭展開多級驅(qū)動的探究，要優(yōu)化仿生機器人在機動性和環(huán)境適應(yīng)性方面的表現(xiàn)，需要采用更為先進的控制策略，依靠類似生物魚體的“胸鰭-尾鰭-軀體”的協(xié)同控制模型來加強機器人的靈活轉(zhuǎn)向和俯仰控制能力，使它能夠應(yīng)對復(fù)雜的流體動力學(xué)場。（3）能源效率提升與系統(tǒng)集成傳統(tǒng)電動機充當(dāng)動力來源時，在能源轉(zhuǎn)換上已有一定效能，不過在能量利用效率以及延長行駛里程方面，仍需進一步改進與突破。目前可采用把波浪能收集技術(shù)和鋰離子電池結(jié)合起來的集成供能體系來加強能量轉(zhuǎn)換效率的方案。此研究為仿生蝠鲼機器人工程實踐形成了關(guān)鍵科技根基，以后打算融合仿生學(xué)，流體力學(xué)，控制論和材料科學(xué)，促使水下航行器在各種復(fù)雜場景下做到高效率運作和智能化發(fā)展。

參考文獻WynnRB,HuvenneVAI,LeBasTP,etal.AutonomousUnderwaterVehicles(AUVs):Theirpast,presentandfuturecontributionstotheadvancementofmarinegeoscience[J].MarineGeology,2014,352:451-468.VasudevKL.ReviewofAutonomousUnderwaterVehicles[M]//AutonomousVehicles.IntechOpen,2018.徐海軍,謝海斌,張代兵.微小型水下機器人推進方式的比較研究[J].兵工自動化,2009(04):85-87.曾亞駿,馬辰.ROV技術(shù)在海洋工程建設(shè)中的應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2021(4):193-195.陳潔,劉洪亮.水下機器人用動力裝置的設(shè)計[J].山東工業(yè)技術(shù),2020(6):89-92.陳令坤,喬濤,畢樹生,等.仿蝠鲼機器魚軟體胸鰭建模與仿真[J].機械工程學(xué)報,2020,56(19):182-190.陳韋,余順年,詹立壘,等.波浪能發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].能源與環(huán)境,2014(3):8384.陳文創(chuàng),張永良.筏式波浪能裝置波能轉(zhuǎn)換液壓能效率的數(shù)值研究[J].水力發(fā)電學(xué)報