仿生波動(dòng)推進(jìn)水下機(jī)器人

1、仿生推進(jìn)水文監(jiān)測(cè)機(jī)器人 指導(dǎo)老師：蘇 智 馬 勇 團(tuán)隊(duì)成員：徐文華 陳 雙 李大任 劉艷輝 哈爾濱工程大學(xué) 講解內(nèi)容 作品設(shè)計(jì)背景 設(shè)計(jì)原理 創(chuàng)新特色 應(yīng)用前景 一、作品設(shè)計(jì)背景 1.水體的監(jiān)測(cè)保護(hù)是我國(guó)急需解決的問(wèn)題： 我國(guó)水體污染日益嚴(yán)重，急需能在復(fù)雜水域進(jìn)行 樣本采集，生物習(xí)性觀測(cè)的水文監(jiān)測(cè)機(jī)器人。 2. 現(xiàn)有水文監(jiān)測(cè)機(jī)器人存在的問(wèn)題： 現(xiàn)有水下機(jī)器人大多采用螺旋槳推進(jìn)器。 螺旋槳推進(jìn)器易被水中流沙、纖維等雜質(zhì)破壞纏 繞，造成螺旋槳片體損壞、電機(jī)堵轉(zhuǎn)燒毀，在高雜質(zhì) 水域可靠性較差；且其推進(jìn)效率較低； 外形優(yōu)化效果較差，不利于隱蔽觀察水生生物生 活習(xí)性；航行阻力較大。 水生生物進(jìn)化出適應(yīng)水

2、中復(fù)雜水域環(huán)境的推進(jìn)方式。其中 烏賊的鰭波動(dòng)推進(jìn)水動(dòng)力效率高達(dá)80%左右,能夠適應(yīng)復(fù)雜水體 環(huán)境，靈活地規(guī)避雜質(zhì)與障礙，完成進(jìn)退，轉(zhuǎn)向，升降等運(yùn)動(dòng)。 我們針對(duì)現(xiàn)有螺旋槳推進(jìn)的缺陷結(jié)合仿生鰭波動(dòng)推進(jìn)的 優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)一種仿生推進(jìn)水文監(jiān)測(cè)機(jī)器人。 二、設(shè)計(jì)原理 （1）.建立波動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型 鰭的波動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)波。 兩側(cè)的波動(dòng)鰭可以產(chǎn)生前 后兩個(gè)方向的力，實(shí)現(xiàn)前 進(jìn)后退，原地轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。 2.1設(shè)計(jì)波動(dòng)推進(jìn)機(jī)構(gòu) 我們?cè)O(shè)計(jì)一種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)曲柄擺桿組的有序擺動(dòng)，實(shí) 現(xiàn)正弦規(guī)律的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)。 （2）.設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) （3）.實(shí)際運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 在擺動(dòng)桿組上加裝翼面，組成波動(dòng)鰭推進(jìn)系統(tǒng)。 加裝翼面 （4）.鰭波動(dòng)運(yùn)動(dòng) 2.2 外

3、殼的設(shè)計(jì) （1）.為了降低航行阻力，讓機(jī)器人與水體環(huán)境融為一體 ，方便觀察水生生物習(xí)性，我們根據(jù)仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)出一 種低阻力外殼，并通過(guò)CFD軟件進(jìn)行優(yōu)化。具有與內(nèi)部結(jié) 構(gòu)契合較好，與水體環(huán)境融合度較高，航行阻力較小的優(yōu) 點(diǎn)。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu) fluent阻力計(jì)算阻力計(jì)算 （2）.外殼材料選用有機(jī)玻璃板與pvc板，具有強(qiáng)度較高、表 面光滑、易于加工的優(yōu)點(diǎn)。外殼整體結(jié)構(gòu)輕便，結(jié)實(shí)而美觀。 CAD設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)圖紙 實(shí)際外殼實(shí)際外殼 2.3 外掛架的設(shè)計(jì) (1).外掛架可以作為載體加裝樣本采集，攝像頭，聲波探測(cè) 水質(zhì)分析等模塊； (2).外掛架可以為波動(dòng)鰭提供保護(hù)，避免外界物體對(duì)波動(dòng)鰭 的撞擊破壞

4、。 前掛架前掛架 后掛架后掛架 2.4 水文監(jiān)測(cè)功能設(shè)計(jì) 仿生推進(jìn)機(jī)器人是一種航行性能優(yōu)異而可靠的平臺(tái)，通 過(guò)在外掛架加裝防水?dāng)z像頭、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、樣本采集等裝 置，能夠?qū)崿F(xiàn)采集圖像、拍攝錄像和采集各種樣本，并將收 集到的信息傳輸?shù)疥懙靥幚碓O(shè)備等功能。 同時(shí)由于仿生機(jī)器人的低阻力翼型外殼和靈活的游動(dòng)姿 態(tài)，使其對(duì)水生生物的生活習(xí)慣和遷徙現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì) 更明顯，能夠采集更真實(shí)的信息，對(duì)水生生物自身和其活動(dòng) 所反映的污染現(xiàn)象的研究有更大的幫助。 2.6 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)演示 原地轉(zhuǎn)向與前進(jìn)原地轉(zhuǎn)向與前進(jìn) 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)演示 下潛下潛 三、創(chuàng)新特色 （1）.仿生波動(dòng)推進(jìn)相較于螺旋槳推進(jìn)更加能夠適應(yīng)于高雜

5、質(zhì)、高污染 海域，推進(jìn)系統(tǒng)不易被雜質(zhì)破壞、纏繞，更具可靠性； （2）.仿生波動(dòng)推進(jìn)方式靈活性更強(qiáng)，效率更高，水下工作時(shí)間更久； （3）.低阻力外殼水動(dòng)力學(xué)性能較好，可減小對(duì)周圍水生生物的影響， 最大化還原水體環(huán)境，更有利于研究水生生物生活習(xí)慣； （4）.可通過(guò)加裝攝像頭、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀等裝置能 夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)的綜合監(jiān)測(cè)。 四、應(yīng)用前景 本機(jī)器人，推進(jìn)方式靈活可靠、功能多樣化、造價(jià)低 、綠色環(huán)保。依托于探測(cè)母船，在一片水域投放數(shù)十個(gè)此種 機(jī)器人，可以快速對(duì)大片水域?qū)嵤┧那闆r探測(cè)、漁業(yè)資源 探測(cè)及開(kāi)展多種水生生物研究，契合生態(tài)水利的發(fā)展理念。 能夠在高污染、雜質(zhì)含量高等螺旋槳推進(jìn)器無(wú)法可靠工 作的水