吉林大学学报(工学版) ›› 2019, Vol. 49 ›› Issue (4): 1246-1257.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20180180

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基于新月鱼尾推进理论的多连杆鱼骨仿生设计

陈东良1(),臧睿1,段鹏1,赵伟鹏1,翁旭涛1,孙杨1,唐艺鹏2   

  1. 1. 哈尔滨工程大学 机电工程学院, 哈尔滨 150001
    2. 浙江大学 机械工程学院, 杭州 310027
  • 收稿日期:2018-03-04 出版日期:2019-07-01 发布日期:2019-07-16
  • 作者简介:陈东良(1979?),男,副教授,博士. 研究方向:微小型仿生机器人. E?mail:chendongliang@hrbeu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(51205075)

Biomimetic design of multi⁃link fishbone based on crescent′s fishtail propulsion theory

Dong⁃liang CHEN1(),Rui ZANG1,Peng DUAN1,Wei⁃peng ZHAO1,Xu⁃tao WENG1,Yang SUN1,Yi⁃peng TANG2   

  1. 1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University,Harbin 150001, China
    2. College of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
  • Received:2018-03-04 Online:2019-07-01 Published:2019-07-16

摘要:

基于新月鱼尾推进相关理论,设计了一种新型的符合身体/尾鳍推进模式的仿生多连杆鱼骨。通过对新月鱼尾推进相关理论的分析,确定了影响鱼体推进的主要设计参数,即躯椎摆角、尾椎摆角及尾鳍摆角。以金枪鱼中体型较小的鲣鱼作为仿生原型,通过逆向工程技术,对其体厚方向轮廓进行曲线拟合并得到其拟合函数。将拟合函数作为鱼骨结构设计边界条件,结合设计参数,通过逆运动学原理设计了躯椎、尾椎、尾鳍、躯椎驱动、尾椎驱动、尾鳍驱动6部分连杆系统。利用仿真软件ADAMS对该机构可行性进行仿真试验,并进行了实物样机试验。试验结果表明:该多连杆鱼骨结构可以实现仿生鱼推进。

关键词: 工程仿生学, 仿生鱼骨, 逆运动学分析, 结构优化, 仿生设计, 仿真试验

Abstract:

Based on the theory of crescent?tail propulsion, a new type of bionic multi?link fishbone that conforms to the body and caudal fin (BCF) propulsion model is designed. First, the main design parameters, which influence the fish's propulsion are determined, including the swing angle of the body, the swing angle of caudal vertebra and the swing angle of tail. The skipjack, which has smaller body size among Tuna bream, is taken as the prototype of multi?link fishbone. Second, the fitting function of multi-link fishbone is obtained through reverse engineering technology. Third, the fitting function is used as the boundary condition of the design of fishbone structure. Finally, combined with the design parameters, the six?part connecting rod system, which includes the caudal vertebra, the caudal fin, the torso drive and the caudal vertebra, is designed by the inverse kinematics principle of the body. The feasibility of the mechanism is simulated by ADAMS software. The prototype experiment is carried out and the data obtained are analyzed. Experimental results show that the structure of multi?link fishbone can carry out the fish propulsion.

Key words: engineering bionics, bionic fish bone, inverse kinematics analysis, structural optimization, bionics design, bionics simulation

中图分类号: 

  • TB17

图1

击水角度"

图2

鱼体轮廓拟合曲线示意图"

图3

整体尺寸及运动示意图"

图4

鱼体游动过程"

图5

躯椎连杆系统"

图6

驱动连杆系统"

图7

躯椎连杆整体结构"

图8

躯椎连杆整体结构"

图9

L 4.2、L 1.2关系图"

图11

尾椎连杆整体结构"

图12

L 5.2、L 2.2关系图"

图13

尾椎连杆整体结构"

图14

尾鳍连杆系统"

图15

尾鳍连杆整体结构"

图16

L6.2 、L3.2 关系图"

图17

仿生鱼骨结构"

表1

各杆尺寸"

躯椎连杆 L 1=63 L 1.1=65.5 L 1.2=10 L 1.3=18
尾椎连杆 L 2=63 L 2.1=93 L 2.2=20 L 2.3=14
尾鳍连杆 L 3=50 L 3.1=59.7 L 3.2=20 L 3.3=14
躯椎驱动连杆 L 4.1=6.2 L 4.2=20.6
尾椎驱动连杆 L 5.1=7 L 5.2=15.9
尾鳍驱动连杆 L 6.1=9 L 6.2=18.3

图18

鱼骨仿真模型"

图19

? 1 、 ? 2 、 θ 仿真结果"

图20

试验平台与实物样机"

图21

水下试验"

图22

驱动电机转速w与游动速度U关系"

图23

尾鳍摆动频率f与斯特洛哈尔数St关系"

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