魚(yú)類的形體結(jié)構(gòu)與機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),魚(yú)類的形體結(jié)構(gòu)與機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),魚(yú)類,形體,結(jié)構(gòu),機(jī)器,游動(dòng),機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)綜述 第 5 頁(yè) 魚(yú)類形體結(jié)構(gòu)與機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要：21世紀(jì)是海洋的世紀(jì),加上由于各種技術(shù)的全面發(fā)展帶動(dòng)了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于在海洋開(kāi)發(fā)和相關(guān)領(lǐng)域中運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)已引起了各方面的重視。并且隨著海洋開(kāi)發(fā)的進(jìn)展，一般的潛水技術(shù)已無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代高深度綜合考察和研究、完成各種作業(yè)的需要。但在現(xiàn)實(shí)中都是利用螺旋槳來(lái)推動(dòng)船前進(jìn)，而是否能利用魚(yú)類的游動(dòng)原理來(lái)做出比具有螺旋槳更快和更低噪聲的水下推行器，突破當(dāng)今專一的運(yùn)輸方式和水下推進(jìn)方式，已成為一個(gè)熱門(mén)研究課題。 研制機(jī)器魚(yú)具有廣泛的現(xiàn)實(shí)意義，它可以更逼真的模擬魚(yú)的游動(dòng)原理，使水下的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)更符合流體力學(xué)原理，具有更好的加速和轉(zhuǎn)向能力，利用它們可以探測(cè)海洋，尋找和檢測(cè)海域中受污染的地方，也可以用來(lái)勘探地形；可以通過(guò)研制機(jī)器魚(yú)這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)研究魚(yú)的運(yùn)動(dòng)原理和魚(yú)類運(yùn)動(dòng)所依附的流體力學(xué)原理；而且它以泳動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)，解決了螺旋槳的噪聲問(wèn)題；構(gòu)造要比一般的水下推進(jìn)器簡(jiǎn)單，制作和使用成本都較低；能源利用率高，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)；當(dāng)給相同的電能時(shí)，機(jī)器魚(yú)能夠比自制的潛艇游的更遠(yuǎn)；無(wú)需生命維持保障設(shè)備，可以小型化；且對(duì)人沒(méi)有任何危險(xiǎn).等。另外在娛樂(lè)方面具有良好的發(fā)展前景, 例如水族館等。機(jī)器魚(yú)的應(yīng)用領(lǐng)域有：魚(yú)類展覽；相關(guān)的機(jī)器人競(jìng)賽（robofishcup）；配合其它器件，可用于勘探和救生；相關(guān)科研領(lǐng)域等。 關(guān)鍵詞：機(jī)器人技術(shù)，機(jī)器魚(yú)，科研領(lǐng)域 前 言 水下推進(jìn)器在海洋生物觀察、海底探險(xiǎn)、海洋救撈、管道檢測(cè)、以及軍事方面的應(yīng)用日益增加。傳統(tǒng)的螺旋槳在水中游動(dòng)時(shí)，在它的側(cè)面會(huì)產(chǎn)生渦流，會(huì)降低物體的運(yùn)動(dòng)速度，增加動(dòng)力的損耗，且有噪聲。與水下推進(jìn)器相比，魚(yú)有驚人的游動(dòng)能力。觀察發(fā)現(xiàn)，魚(yú)的游動(dòng)具有無(wú)噪聲、高推進(jìn)效率、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 20世紀(jì)90年代以來(lái)，出現(xiàn)了模仿魚(yú)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器魚(yú)。從1994年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的Triantafyllou成功研制了世界上第一條真正意義的仿生金槍魚(yú)到2005年英國(guó)Essex大學(xué)胡豁勝教授研制了世界第一條具有自主控制能力的機(jī)器魚(yú)，機(jī)器魚(yú)不僅有阻力小的外形、小半徑轉(zhuǎn)彎、自主蔽障等能力，而且解決了很多機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題。因此，以魚(yú)的推進(jìn)模式運(yùn)動(dòng)的機(jī)器魚(yú)被認(rèn)為是未來(lái)水下運(yùn)載器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并日益引起各國(guó)的重視，以美國(guó)、日本和英國(guó)為代表，許多國(guó)家積極開(kāi)展對(duì)機(jī)器魚(yú)的研究，使得機(jī)器魚(yú)飛速發(fā)展。但是距機(jī)器魚(yú)走到實(shí)用階段還存在一些問(wèn)題。首先，目前還沒(méi)有一個(gè)像魚(yú)柔軟而有力的驅(qū)動(dòng)器，在機(jī)動(dòng)性方面，機(jī)器魚(yú)不能S形轉(zhuǎn)彎、快速啟動(dòng)、快速制動(dòng)，在下潛過(guò)程中不能快速穩(wěn)定的懸浮在水中，在推進(jìn)效率方面因?yàn)椴恢~(yú)是怎樣控制渦流推進(jìn)，不能預(yù)測(cè)給定一個(gè)命令機(jī)器魚(yú)將會(huì)做什么樣動(dòng)作。要應(yīng)用到實(shí)用階段，除了解決以上問(wèn)題，機(jī)器魚(yú)還須有很高的智能。 1 仿生機(jī)器魚(yú)與傳統(tǒng)水下推進(jìn)器相比幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì) ⑴推進(jìn)效率高。試驗(yàn)表明仿魚(yú)水下推進(jìn)器比常規(guī)螺旋槳推進(jìn)器推進(jìn)效率可提高30%以上。 ⑵機(jī)動(dòng)性好。仿生魚(yú)可高速啟動(dòng)并擁有更好的加速性能，在小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不減速轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。 ⑶噪聲低，隱蔽性高。仿生魚(yú)物理特性與魚(yú)類特性幾乎相同，其產(chǎn)生的噪聲譜與海洋噪聲譜十分相近，形體隱蔽，不易被察覺(jué)。 ⑷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕?？蓪?shí)現(xiàn)舵獎(jiǎng)合一，簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)，簡(jiǎn)化制造工藝，降低成本，有利于實(shí)現(xiàn)水下運(yùn)載器和水下機(jī)器人的小型化、微型化。 ⑸可采用多種驅(qū)動(dòng)方式。大型仿生魚(yú)運(yùn)載器可采用電磁馬達(dá)、液壓馬達(dá)或氣壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，以及混合驅(qū)動(dòng)方式；小型或微型仿生魚(yú)，可采用形狀記憶合金、人造肌肉、超聲波馬達(dá)以及壓電陶瓷等多種驅(qū)動(dòng)元件。 2 設(shè)計(jì)原理 仿生機(jī)器魚(yú)主要是模仿機(jī)器魚(yú)的外形和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，盡心環(huán)境數(shù)據(jù)收集。其模仿魚(yú)類外形和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的目的是為了實(shí)現(xiàn)魚(yú)類高效的游動(dòng)效率和良好的機(jī)動(dòng)性。所以在仿生方面尤其注意魚(yú)體和魚(yú)鰭的模仿和控制。魚(yú)主要有背鰭、胸鰭、腹鰭、臀鰭和尾鰭： ①胸鰭：它的基本功能為運(yùn)動(dòng)、平衡和掌握運(yùn)動(dòng)方向。 ②腹鰭：主要協(xié)助背鰭、臀鰭維持魚(yú)體的平衡，并有輔助魚(yú)體升降和拐彎功能。 ③尾鰭：有平衡、推進(jìn)和轉(zhuǎn)向的作用，尾的扭曲和伸直使魚(yú)體產(chǎn)生前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。 魚(yú)類的運(yùn)動(dòng)方式主要為波浪式運(yùn)動(dòng)，或稱游泳。借助于連續(xù)的肌節(jié)收縮與舒張，從頭部開(kāi)始的收縮在身體兩側(cè)交替進(jìn)行，形成波浪式的傳遞，使收縮波傳向尾部，身體則向收縮的一側(cè)彎曲使成S型。收縮在尾部結(jié)束，尾部將收縮的力傳給水，這個(gè)力被水以同等大小、但方向相反的反作用力作用于尾部。這個(gè)力向前的分力是魚(yú)體向前運(yùn)動(dòng)的主要推進(jìn)力。 3 機(jī)器魚(yú)推動(dòng)原理 根據(jù)推進(jìn)模式訪生機(jī)器魚(yú)的推進(jìn)方式可分為三類：身體波動(dòng)式，(魚(yú)+參)科及(魚(yú)+參)科加新月形尾鰭模式和胸鰭模式： ⑴身體波動(dòng)式?是模仿鱔魚(yú)等鰻鱺目魚(yú)類的游動(dòng)方式，整個(gè)身體都參與大振幅波動(dòng)運(yùn)動(dòng)，推進(jìn)波的速度大于魚(yú)的游動(dòng)速度，并與魚(yú)的游動(dòng)方向相反地在身體上傳播產(chǎn)生推進(jìn)力。此類仿生機(jī)器魚(yú)多采用多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，每個(gè)關(guān)節(jié)安裝一個(gè)小型伺服電機(jī)配合作用進(jìn)行扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)推進(jìn)。也可采用形狀記憶合金做魚(yú)身，采用電激勵(lì)或其他形式激勵(lì)，控制合金的溫度變化從而產(chǎn)生形變帶動(dòng)身體擺動(dòng)。其實(shí)人們所熟悉的機(jī)器蛇在水中若能浮起就變成了機(jī)器魚(yú)。此類機(jī)器魚(yú)由于身體細(xì)長(zhǎng)，柔韌性好，所以機(jī)動(dòng)性極好，但一般只能飄浮，無(wú)法進(jìn)行沉浮。 ⑵(魚(yú)+參)科及(魚(yú)+參)科加新月形尾鰭模式是大部分魚(yú)類（如海豚、鯊魚(yú)、金槍魚(yú)等）采用的推進(jìn)模式。由于身體剛度較大，波動(dòng)主要集中在身體后部分，推進(jìn)力主要由具有一定剛度的尾鰭提供，其推進(jìn)速度和推進(jìn)效率比身體波動(dòng)式高。(魚(yú)+參)科模式的推進(jìn)部分是魚(yú)體的后2／3部分，而(魚(yú)+參)科加新月形尾鰭模式身體剛度更大，推進(jìn)部分為身體后1／3部分，側(cè)向位移主要產(chǎn)生在后頸部和尾鰭，尾鰭產(chǎn)生90％的推進(jìn)力，身體前2／3部分保持剛性。目前，(魚(yú)+參)科及(魚(yú)+參)科加新月形屋鰭模式的機(jī)器魚(yú)研究較多，可以采用具有一定剛度的材料做前魚(yú)體和尾鰭，魚(yú)尾采用剛性或彈性材料，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行擺動(dòng)。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同，最簡(jiǎn)單的可以由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)一根剛性桿狀魚(yú)尾擺動(dòng)，復(fù)雜的可做成類似身體波動(dòng)式的多關(guān)節(jié)或彈性魚(yú)尾，由一部或多部電機(jī)配合驅(qū)動(dòng)或采用形狀記憶合金做魚(yú)尾。(魚(yú)+參)科加新月形尾鰭模式是速度最快、效率最高的模式，用于快速高效水下推進(jìn)器設(shè)計(jì)，美軍甚至提出仿魚(yú)推進(jìn)潛艇的概念。目前研究結(jié)果表明，此種仿生機(jī)器魚(yú)巡航速度為每秒1～3倍體長(zhǎng)，最大爆發(fā)速度可達(dá)每秒27倍體長(zhǎng)，而且這種模式的仿生機(jī)器魚(yú)可以有較大體積和載荷，可實(shí)現(xiàn)沉浮，是主要研究方向。 ⑶胸鰭模式?主要是模仿黑色鱸魚(yú)、熱帶魚(yú)等魚(yú)類的推進(jìn)方式，通過(guò)胸鰭的擺動(dòng)或波動(dòng)提供推進(jìn)力，大部分魚(yú)類用這種方式提高機(jī)動(dòng)性能或作為輔助推進(jìn)運(yùn)動(dòng)。胸鰭模式推進(jìn)力和推進(jìn)效率最低，所做研究也較少，主要是采用壓電陶瓷或離子交換膜，通過(guò)改變輸入電壓頻率改變其微位移控制剛性鰭擺動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力。改變其微位移控制剛性鰭擺動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力。 4 常見(jiàn)故障 ⑴機(jī)器不能傳動(dòng) ①?zèng)]電流：檢查激光電源電源是否接通、高壓線是否松動(dòng)或脫落，信號(hào)線是否松動(dòng)； ②有電流：檢查鏡片是否破碎、光路是否嚴(yán)重偏移； ⑵檢查水循環(huán)系統(tǒng)是否正常： ①不通水：檢查水泵是否損壞或沒(méi)通電；? ②通水：檢查進(jìn)水口、出水口是否接反或水管破裂； ⑶電腦不能輸出 ①檢查軟件參數(shù)設(shè)置是否正常（重新設(shè)置）； ②雕刻機(jī)是否先按定位起動(dòng)再輸出（重新輸出）； ③檢查機(jī)器是否事先沒(méi)復(fù)位（重新更正）； ④檢查輸出串口是否與軟件設(shè)置串口一致（重新設(shè)置）； ⑤檢查地線是否可靠，靜電是否干擾數(shù)據(jù)線（重新接地）； ⑥更換電腦串口輸出測(cè)試； ⑦重新安裝軟件并重新設(shè)置測(cè)試； ⑧格式化電腦系統(tǒng)盤(pán)重新安裝軟件測(cè)試； ⑨主板串口損壞需維修或更換。  參考文獻(xiàn) [1] 鞏云鵬，田萬(wàn)祿等主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，2000. [2] 孫志禮，冷興聚，魏嚴(yán)剛等主編.機(jī)械設(shè)計(jì).沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，2000. [3] 劉鴻文主編.材料力學(xué).北京：高等教育出版社，1991. [4] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研組編.理論力學(xué).北京：高等教育出版社，1997. [5] 大連理工大學(xué)工程畫(huà)教研室編.機(jī)械制圖.北京：高等教育出版社，1993. [6] 孫桓，陳作模主編.機(jī)械原理.北京：高等教育出版社，2000. [7] 高澤遠(yuǎn)，王金主編.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì).沈陽(yáng)：東北工學(xué)院出版社，1987. [8] 喻子建，張磊，邵偉平，喻子建主編.機(jī)械設(shè)計(jì)習(xí)題與解題分析.沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版 社，2000. [9] 張玉，劉平主編.幾何量公差與測(cè)量技術(shù).沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，1999.