第九章 仿動物水中游動的機械及設計

第三篇仿生機械設計與分析BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY第九章仿動物水中游動的機械及其設計BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY3第九章仿動物水中游動的機械及設計一、游動類型第一節(jié)水中游動的動物概述第一節(jié)水中游動的動物概述魚類能游泳，主要是靠身體兩側肌肉的收縮和魚鰭擺動的協(xié)調。以圖示鯽魚為例，魚鰭分為胸鰭、腹鰭、背鰭、臀鰭和尾鰭；每條魚都有兩個胸鰭和兩個腹鰭，對稱地長在身體兩側，主要用來控制方向和剎車。而背鰭、臂鰭和尾鰭都只有一個，用來保持身體的平衡。4第九章仿動物水中游動的機械及設計魚鰭的功能：了解魚鰭功能，對于設計仿生機械魚有重要意義。第一節(jié)水中游動的動物概述胸鰭一對：位于身體兩側，用控制方向、制動，也可緩慢運動。魚鰭的功能腹鰭一對，位于身體下方，相當于后肢，保持身體的穩(wěn)定性尾鰭一個：主要推動身體前進臀鰭一個，位于身體后下方，保持身體平衡背鰭一個：位于身體上方，防止身體行傾斜側翻，用于控制位姿。臀鰭腹鰭尾鰭背鰭胸鰭5第九章仿動物水中游動的機械及設計不同種類的水中動物，由于在水中生活環(huán)境的不同，其魚鰭的分布相差很大。第一節(jié)水中游動的動物概述6第九章仿動物水中游動的機械及設計2、鯨豚類第一節(jié)水中游動的動物概述鯨、海豚等哺乳動物是水生動物，但不屬于魚類，和魚的游泳姿勢也不相同。如圖所示的海豚，僅有背鰭一個，前鰭一對，尾鰭一個。臀鰭已經(jīng)退化。尾鰭與其軸面垂直，上下擺動身體可實現(xiàn)直線游動。其他鰭的功能與魚類相同。7第九章仿動物水中游動的機械及設計3、水母類第一節(jié)水中游動的動物概述水母鐘狀身體下面有一些特殊的肌肉，能擴張和收縮；或者說，水母通過收縮外殼擠壓內腔的方式，改變內腔體積，噴出腔內的水，通過噴水推進的方式進行移動。內腔擴張，水流慢慢吸入，充滿內腔；然后，內腔迅速收縮，將水流擠出腔體，水流噴出產(chǎn)生的推力使水母沿身體軸向的方向運動。8第九章仿動物水中游動的機械及設計一、游動方式第一節(jié)水中游動的動物概述擺動身體為主的推進游動方式噴射水流推進擺動尾鰭為主的推進游動方式主要有三種類型擺動身體噴射水流擺動尾鰭擺動尾鰭9第九章仿動物水中游動的機械及設計第一節(jié)水中游動的動物概述體型平扁的鰩類和魟類，它們的胸鰭演化為身體邊緣的體盤，如圖所示。當胸鰭上下扇動成波浪形運動可使身體前進。但在一些長形的魚類，如帶魚的背鰭、電鰻的臀鰭，海鰻的背鰭和臀鰭都很長，當急速前進時，它們和整個軀體的波動一致。推動魚體緩慢游動時，則靠單獨波動來推動身體。一些體型短小的魚類，如圖所示的比目魚，也通過長形的背鰭與臀鰭前后波動幫助魚體徐徐前進，而圖示的海馬體型特殊，運動能力弱，主要以細小的背鰭起推動作用。10第九章仿動物水中游動的機械及設計一、卡門渦街現(xiàn)象第二節(jié)游動機理分析第二節(jié)游動機理分析

流體在以適當?shù)乃俣攘鹘?jīng)物體后，其中一側的旋渦順時針方向轉動，另一旋渦則反方向旋轉，這兩排旋渦相互交錯排列，開始時，這兩列線渦分別保持自身的運動特性，接著它們互相干擾，互相吸引，而且干擾越來越大，形成非線性的所謂渦街,稱之為卡門渦街。11第九章仿動物水中游動的機械及設計卡門渦街現(xiàn)象

ρ：為流體密度

v：為前方來流的流速

μ：為流體運動粘性系數(shù)L：為物體尺寸，如障礙物為球體，則為直徑，若為飛機，則為機翼長度等。第二節(jié)游動機理分析12第九章仿動物水中游動的機械及設計二維圓柱低速定常繞流的流型只與Re數(shù)有關。(a)在Re≤1時，流場中的慣性力與粘性力相比居次要地位，圓柱上下游的流線前后對稱，此Re數(shù)范圍的繞流稱為斯托克斯區(qū)。

第二節(jié)游動機理分析13第九章仿動物水中游動的機械及設計

卡門渦街現(xiàn)象使障礙物后方流體形成一個反向流動，根據(jù)作用于反作用原理，障礙物自然受到與水流相反的作用力。第二節(jié)游動機理分析14第九章仿動物水中游動的機械及設計二、反卡門渦街現(xiàn)象卡門渦街生物旋渦產(chǎn)生向前的水流，如果把旋渦反向，旋渦可產(chǎn)生向后的水流。魚尾的擺動就是制造反卡門渦街，產(chǎn)生向后的水流，從而推動身體前進。身后水流方向身后水流方向卡門渦街反卡門渦街障礙物魚第二節(jié)游動機理分析15第九章仿動物水中游動的機械及設計三、擺動身體前進機理分析

第二節(jié)游動機理分析16第九章仿動物水中游動的機械及設計四、魚類游動的推動力前進方向Fxy魚類游動的推動力有三種：1、尾鰭擺動產(chǎn)生的尾渦推動力2、慣性推動力：當魚體擺動時，除自身動量改變外，還帶動周圍流體改變動量，這

部分動量會產(chǎn)生附加慣性力，大小為：m—被帶動流體的附加質量v—魚體橫向擺動速度第二節(jié)游動機理分析17第九章仿動物水中游動的機械及設計3、魚體前緣吸力當水流過魚體上曲率很大的鈍前緣和尾鰭前緣時,局部流速增大,形成低壓區(qū),產(chǎn)生前緣吸力,也構成一部分推力，占總推力的10%左右。魚在游動時，真正的推動力是這三部分作用力之和。第二節(jié)游動機理分析前進方向xy前緣負壓區(qū)18第九章仿動物水中游動的機械及設計第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析一、機構簡圖設計第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析1、魚體的體型設計魚類大致有如下四種體型：（1）紡錘型(又稱梭型)：這種體型的魚類，頭、尾稍尖，身體中段較粗大，其橫斷面呈橢圓形，側視呈紡錘狀。如所示錦鯉即為梭形體型。（2）側扁型：魚體較短，兩側很扁而背腹軸高，側視略呈菱形。圖示鳊魚為側扁形體形。19第九章仿動物水中游動的機械及設計第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析1、魚體的體型設計（3）平扁型：這類魚的形體特點是魚體背腹平扁，左右軸明顯地比背腹軸長。這種體型剛好和側扁型相反，從前方看去魚體像一條橫線，如圖所示鰩魚為平扁形體型。（4）圓筒型(棍棒型):魚體較長，其橫斷面呈圓形，側視呈棍棒狀，如鰻鱺、黃鱔等屬此種類型。圖示黃鱔即為圓筒形體型。20第九章仿動物水中游動的機械及設計二、魚類骨骼結構與機構簡圖第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析魚的外骨骼包括鱗甲、鰭條和棘刺等；內骨骼包括頭骨、脊柱和附肢骨骼。脊柱由體椎和尾椎兩種脊椎骨組成。體椎附有肋骨，尾椎無肋骨。每個脊椎的椎體前后兩面都是凹形的，故稱之為雙凹椎體，這是魚類所特有的骨骼結構。附肢骨骼是指支持魚鰭的骨骼。支持背鰭、臀鰭和尾鰭的骨骼是不成對的奇鰭骨骼；支持胸鰭和腹鰭的骨骼為成對的偶鰭骨骼。21第九章仿動物水中游動的機械及設計第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析圖中背鰭、臀鰭和尾鰭都是一個，而且是單自由度的轉動構件，二個胸鰭和腹鰭都是2個單自由度的運動副組合構件，滿足胸鰭、腹鰭向外和前后方向的劃水動作。脊椎骨關節(jié)也用轉動副代替，工程設計中，一般小于10個。采用3～6個骨關節(jié)的居多。根據(jù)魚類的骨骼結構可畫出對應機構簡圖該魚類的機構簡圖具有通用性22第九章仿動物水中游動的機械及設計鯨豚類的機構簡圖第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析鯨類、海豚類動物的脊椎骨與魚類有些差別，但基本組成很相近。圖示為海豚的骨骼結構圖。23第九章仿動物水中游動的機械及設計二、總體設計第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析魚類游動時，身體擺動部分主要依靠身體的后三分之一的擺動，所以仿生機器魚的骨關節(jié)一般小于6個關節(jié)，不超過四個關節(jié)。每個關節(jié)處安置一個舵機，頭部安裝電池，視覺傳感器以及控制電路，無線接收與發(fā)射裝置等，外部包裝減摩材料?？傮w設計的原理圖如圖所示。24第九章仿動物水中游動的機械及設計第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析各種仿生機器魚的游動機構基本相同，但鰭的數(shù)量卻相差很大。其原因是大都省略器平衡作用的背鰭、腹鰭和臀鰭，這是為了節(jié)省空間和減輕重量，僅保留非常必要的胸鰭和尾鰭。但是形象逼真、性能良好的仿生機器魚還是具有全部魚鰭的。圖示為幾種典型的仿生機械魚結構示意圖，25第九章仿動物水中游動的機械及設計第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析典型仿生機械魚的結構示意圖。26第九章仿動物水中游動的機械及設計典型仿生機械魚的結構示意圖。第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析27第九章仿動物水中游動的機械及設計外形圖第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析擺尾結構圖28第九章仿動物水中游動的機械及設計典型仿生機械魚的內部結構第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析29第九章仿動物水中游動的機械及設計仿生機器魚游動圖第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析30第九章仿動物水中游動的機械及設計四、魚的擺尾游動方程第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析

b:尾鰭豎直方向的最大高度，也稱展長

bbb

31第九章仿動物水中游動的機械及設計2、尾鰭擺動推進力方程第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析1997年，B．Ahlbom通過人工尾鰭推進裝置試驗研究得出，鰭部的推力F的方程為：k:液體的固有常數(shù)，對于水，k=40ρ：水密度h:尾鰭浸入水中高度A:魚鰭擺動幅度f:魚鰭擺動頻率32第九章仿動物水中游動的機械及設計3、魚體的水中阻力方程第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析魚在游動過程中受到的阻力主要有魚體表面和水的摩擦力，魚的形體阻力，以及魚鰭產(chǎn)生的渦流阻力。把一個與魚體等價的長形物體在水中拖動，使長形物體與魚體的雷諾數(shù)相同，這樣魚體在前進中受到的阻力等價于被拖動的物體在流體中受到的阻力。流體中的細長體受到的阻力與流體密度成正比與流體流動的速度的平方成正比，與過水面積成正比。即：33第九章仿動物水中游動的機械及設計第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析

34第九章仿動物水中游動的機械及設計4、尾鰭擺動角速度第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析尾鰭近似按照正弦規(guī)律擺動，最大擺動幅角為，擺動頻率為f。尾鰭擺動角；擺動角速度：擺動角加速度尾鰭在極限位置時，速度為零，加速度達到最大值；中間位置時，速度最大，加速

度為零。35第九章仿動物水中游動的機械及設計5、擺尾關節(jié)電機扭矩的計算第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析質心點的位移為對時間球導數(shù)，可求出質心速度。速度達到最大值，此時的最大速度為：當

最大水阻力由水阻力公式，36第九章仿動物水中游動的機械及設計則關節(jié)電機的驅動力矩為：第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析可求解最大水阻力當前進37第九章仿動物水中游動的機械及設計6、魚體波動方程第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析推進運動包含魚體的波動和尾鰭的擺動兩部分。魚類運動時魚體主干部分波幅很小，明顯的波動主要集中在身體后1/3部分，魚體波特征為一波幅逐漸加大，由頭部至尾鰭傳播的行波。在尾鰭與身體連接的狹窄區(qū)域(尾柄)達到最大值，特別明顯的側向位移僅僅發(fā)生在尾鰭及尾柄部分。在機器魚游動過程中魚體的頭部不產(chǎn)生波動，但不是靜止不動，而是做微小幅度的擺動，對推進運動起到平衡作用。38第九章仿動物水中游動的機械及設計第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析坐標原點尾鰭魚體波魚體波可以通過波幅包絡線與正弦曲線的合成來進行數(shù)學描述：x：X軸坐標值；：身體橫向位移（波幅),最大波幅為第九章仿動物水中游動的機械及設計第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析ω：身體波頻率，K：身體波波數(shù)，

，λ：身體波波長)；：線性波幅包絡線系數(shù)；：二次波幅包絡線系數(shù)；

當魚體的前部剛度很大，身體波幅限制在身體的后1/3部分，并且在末端達到最大值。所以在設計中不需要復雜機構來產(chǎn)生足夠的柔韌性來模擬魚體的多個魚體波。40第九章仿動物水中游動的機械及設計7、魚鰭擺動攻角的選擇：第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析魚類主要通過尾部脫卸出來的渦環(huán)或渦圈產(chǎn)生推進力，普通魚類尾部運動軌跡如圖所示，其中有兩個重要的角度參數(shù)：攻角α和角度ψ。角度ψ指尾鰭運動軌跡與魚類整體游動軌跡之間的夾角。41第九章仿動物水中游動的機械及設計第三節(jié)仿生機械魚的設計與分析

42第九章仿動物水中游動的機械及設計第四節(jié)仿生機械水母的設計與分析第四節(jié)仿生機械水母的設計與分析一、水母的基本結構水母可以分為三大部分：圓傘形或鐘狀的身體，觸器和口腕。水母通過內傘腔體產(chǎn)生收縮運動，由垂管（口）排出腔體內的水，從而向后噴射出水流來使水母向前推進。水母在舒張過程中由口中吸水，經(jīng)由輔管、環(huán)管到達內傘腔，從而完成吸水動作，準備進行下一次的噴水推進。通過這種噴水推進的方法，水母便能向相反的方向游動。水母的觸手可以捕食、改變運動方向。43第九章仿動物水中游動的機械及設計第四節(jié)仿生機械水母的設計與分析圖示為仿生水母整體的四分之一剖視圖和橫切面圖；鐘狀體結構即外傘，包覆和保護著水母內部的其他結構；而內傘腔體在水母的運動過程中充滿水，排水產(chǎn)生的體積變化是水母的主要推進方式。44第九章仿動物水中游動的機械及設計二、水母機構設計第四節(jié)仿生機械水母的設計與分析1、水母主體機構的設計水母主體機構指其運動推進系統(tǒng)。在仿生機械水母的設計中，經(jīng)常采用曲柄滑塊機構作為仿生水母的主體運動機構，這是受到雨傘機構的啟發(fā)。45第九章仿動物水中游動的機械及設計第四節(jié)仿生機械水母的設計與分析在仿生機械水母的設計中，也經(jīng)常采用曲柄滑塊機構和四桿機構的組合，作為仿生水母的主體運動機構。46第九章仿動物水中游動的機械及設計2、水母觸手機構的設計第四節(jié)仿生機械水母的設計與分析水母的觸手是水母的重要組成部分，可以捕食，幫助水母改變游動方向，分布在觸手上的傳感系統(tǒng)可以感知水流、波浪，甚至能預知天氣變化。圖示水母觸手機構中，ABCD為滑塊機構，DGFE為鉸鏈四桿機構，級桿組HIB連接到構件FG和構件BC上。其自由度為：第九章仿動物水中游動的機械及設計第四節(jié)仿生機械水母的設計與分析該觸手機構簡圖的對應的結構圖如下A固定硅膠孔JIHFGDECB48第九章仿動物水中游動的機械及設計第四節(jié)仿生機械水母的設計與分析水母觸手很多，為簡化觸手機構的自由度和控制，常用一個端面凸輪控制多個觸手。端面凸輪驅動的直動滾子從動件就是觸手機構的主動件。49第九章仿動物水中游動的機械及設計水母觸手機構的三維視圖如下：第四節(jié)仿生機械水母的設計與分析50第九章仿動物水中游動的機械及設計一、墨魚的結構：第五節(jié)仿生機械墨魚的設計與分析墨魚的身體可分為3部分：頭、足和軀干。頭呈球形，位于身體前端，口位于頭部頂端。足已經(jīng)進化為腕和漏斗；一般有5對腕，各腕內側帶有4行柄狀吸盤，其中一對腕特別長，稱為觸腕，用于捕食。第五節(jié)仿生機械墨魚的設計與分析頭足（腕）軀干51第九章仿動物水中游動的機械及設計第五節(jié)仿生機械墨魚的設計與分析墨魚的生態(tài)學方位是有口的一方為前方，軀干為后方。漏斗位于頭的腹側，用于噴射海水之用。其腹面兩側各有一橢圓形的軟骨凹陷，稱閉鎖槽，與外套膜腹側左右的閉鎖突相吻合，稱為閉鎖器，可控制外套膜孔的開閉，見圖所示。漏斗前端呈筒狀噴嘴，露在外套膜外，噴嘴內有舌瓣，可防止海水逆流。52第九章仿動物水中游動的機械及設計第五節(jié)仿生機械墨魚的設計與分析墨魚是依靠高效的噴射推進和高效率的鰭波動推進的復合方式來實現(xiàn)游動。可以實現(xiàn)快速地向前或者向后游動，而且可以瞬時改變游動方向。墨魚的噴射推進過程可分為充水和噴射兩個主要的階段充水過程：漏斗內的舌瓣閉合，外套膜與漏斗連接處的閉鎖器打開，外套膜擴張，利用外套膜腔內的負壓將海水從外套膜孔口處吸入，將外套膜腔充滿。二、墨魚的游動機理分析：53第九章仿動物水中游動的機械及設計第五節(jié)仿生機械墨魚的設計與分析噴射過程：外套膜和漏斗連接處的閉鎖器首先閉合，漏斗內的舌瓣張開，外套膜強有力地收縮，將外套膜腔內的水沿著漏斗噴出，墨魚依靠噴射的反作用力獲得推力。漏斗前部的噴嘴可以在腹面的半球內向任意方向轉動，從而控制噴射推力的方向，實現(xiàn)靈活、迅速的改變54第九章仿動物水中游動的機械及設計第五節(jié)仿生機械墨魚的設計與分析圖a示為外套膜放射性肌肉橫向伸張時，外套腔體積增大，從外套腔孔口吸入海水；圖b所示為外套膜放射狀肌肉橫向收縮，縱向伸張，外套膜腔體積變小，將海水從漏斗噴嘴噴射出來。圖c為外套膜充水過程，圖9d為外套膜放水過程，實現(xiàn)推進運動。(a)(b)(d)55第九章仿動物水中游動的機械及設計除去噴射推進外，另一個運動方式是鰭的波動推進，并提供80%左右的升力和50%的水平推力。第五節(jié)仿生機械墨魚的設計與分析墨魚的噴射推和擺鰭運動的疊加，實現(xiàn)了墨魚的前進、升降、偏航、翻滾和俯仰等多種運動方式。56第九章仿動物水中游動的機械及設計第五節(jié)仿生機械墨魚的設計與分析三、仿生機械墨魚的設計：仿生機械墨魚的游動主要依靠噴射和鰭的運動，因此仿生機器墨魚的設計重點是

鰭和推進系統(tǒng)的設計。鰭的設計墨魚鰭分布于外套膜外側周邊，鰭能夠實現(xiàn)高柔性、大變形的波動運動，呈曲面狀態(tài)運動。這是得益于其特殊的肌肉結構，用機械手段模仿墨魚鰭單元的結構和動作原理，可采用以圖示的下兩種方法。57第九章仿動物水中游動的機械及設計第五節(jié)仿生機械墨魚的設計與分析（1）連桿機構類的鰭在墨魚外套膜周邊設置多個單自由度的擺動副，可擺動的構件稱為鰭條，也稱致動器。鰭條之間用高強度的聚合物膜覆蓋，形成墨魚的柔性鰭。每個鰭條用微舵機驅動，控制各鰭條的擺動角度和擺動時序，可實現(xiàn)墨魚鰭的復雜曲面運動，進而實現(xiàn)墨魚的各種游泳姿態(tài)；控制擺動頻率，可控制游動速度。此類設計過程簡單，方法成熟，但仿生墨魚的重量過大。第九章仿動物水中游動的機械及設計第五節(jié)仿生機械墨魚的設計與分析（2）采用Ti-Ni基SMA絲Ti-Ni基SMA絲是指Ti-Nishapememoryalloys，是一種新型鈦鎳記憶合金材料，應用廣泛。Ti-Ni基SMA絲，通電后可以產(chǎn)生彎曲變形，用以作為鰭條的擺動，許多鰭條的不同擺動，從而帶動鰭膜作復雜曲面運動。SMA材料因形變回復量和回復應力大、能量密度高等優(yōu)點，較其它智能材料更適合作為模擬墨魚水平鰭橫肌纖維的致動器。在墨魚外套膜邊緣安置多個SMA絲，以皮蒙之，則形成柔性墨魚鰭。SMA安裝在墨魚外套膜上，并設有接線端子，采用直接通電加熱方式驅動。59第九章仿動物水中游動的機械及設計第五節(jié)仿生機械墨魚的設計與分析Ti-Ni基SMA絲的工作原理如下：當A面的SMA絲加熱收縮時，柔性鰭單元向A面方向彎曲，此時相反側B面的SMA絲被拉伸，并產(chǎn)生彈、塑性變形，同時在彈性體和蒙皮中存儲彈性能；當A面的SMA絲停止加熱時，柔性鰭單元利用彎曲過程中存儲的彈性能使鰭單元回復