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一种仿生机器海豚的机械设计及其运动分析

作　者: 刘鹏
导　师: 胡泓
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械工程
关键词: 机器海豚仿生学机械设计动力学模态分析运动仿真
分类号: TP242.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着经济和贸易的发展，我国的港口水质污染日益加重，传统的人工监测方法无法满足快速、安全、实时监测港口水质的需求，本文针对这一现实问题，结合国内外仿生机器海豚研究的现状，初步设计了以白鳍豚为仿生对象的用于港口水质监测的机器海豚样机。具体的研究工作如下：本文设计的机器海豚以鲹科加月牙尾的推进模式作为机器海豚的推进模式，采用模块化的设计思想，充分考虑机器海豚的背腹式游动特点，设计了机器海豚的整个机械结构。针对调幅机构悬臂布置和电机转速过大的情况，对调幅机构进行了模态分析，并分析了不同性能的材料对固有频率及振型的影响。通过模态分析，确保调幅机构不会发生共振，提高机器海豚的整体推进性能。根据海豚的运动特点，对正弦推进系统进行了动力学分析，并建立了尾部推进系统动力学方程。以机器海豚整体为研究对象，对机器海豚空间运动进行建模，得到机器海豚空间运动方程。最后验证机器海豚的背腹式运动，即以正弦规律使尾部和尾鳍在垂直面内做摆动。利用COSMOSMotion对尾鳍进行了运动仿真分析，验证了机器海豚的推进机构的合理性以及可行性，为后续的机器海豚的控制系统的研究和水下试验，提供了可借鉴的仿真结果。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第1章绪论  8-16
  1.1 课题背景  8
  1.2 仿生机器鱼的国内外研究现状  8-13
    1.2.1 仿生机器鱼国外研究现状  9-12
    1.2.2 仿生机器鱼国内研究现状  12-13
  1.3 仿生机器海豚的国内外研究现状  13-14
  1.4 仿生机器海豚的应用前景  14
  1.5 论文的主要研究内容  14-16
第2章机器海豚的机械结构设计  16-33
  2.1 鱼类游动模式的简介  16-17
  2.2 海豚游动模式简介与分析  17-18
  2.3 机器海豚整体设计方案的确定  18-20
    2.3.1 机器海豚设计思想比较  18-19
    2.3.2 最终设计方案  19-20
  2.4 机器海豚外形设计  20-23
    2.4.1 机器海豚的外形设计  21-22
    2.4.2 胸鳍的外形设计  22
    2.4.3 尾鳍的外形设计  22
    2.4.4 海豚外壳的成形方法及效果图  22-23
  2.5 机器海豚尾部的设计  23-26
    2.5.1 机器海豚正弦推进机构的设计  24
    2.5.2 调节尾鳍摆动幅度机构的设计  24-25
    2.5.3 机器海豚尾鳍机构的设计  25-26
  2.6 机器海豚转弯机构设计  26-27
  2.7 机器海豚沉浮机构设计  27-30
    2.7.1 鱼类实现沉浮运动的方式  27
    2.7.2 实现沉浮运动的工程方法  27-30
  2.8 机器海豚胸鳍驱动机构的设计  30
  2.9 机器海豚电机及舵机的选取  30-32
  2.10 本章小结  32-33
第3章调幅机构模态分析  33-43
  3.1 模态分析简介  33
  3.2 模态分析振动方程的简介  33-34
  3.3 调幅机构模态分析  34-42
    3.3.1 调幅机构有限元模型的建立  35
    3.3.2 调幅机构模态分析的步骤  35-36
    3.3.3 调幅机构的模态分析结果  36-42
    3.3.4 计算共振频率  42
  3.4 本章小结  42-43
第4章机器海豚的运动分析及尾鳍的运动仿真研究  43-62
  4.1 机器海豚尾部的动力学分析  43-46
  4.2 机器海豚空间运动建模  46-54
    4.2.1 坐标系的建立  46-47
    4.2.2 机器海豚空间运动方程的建立  47-54
  4.3 尾鳍的运动仿真研究  54-60
    4.3.1 COSMOSMotion 简介  54
    4.3.2 机器海豚尾鳍运动模拟条件的设置  54-56
    4.3.3 螺纹连杆旋合高度10mm 时仿真结果分析  56-58
    4.3.4 螺纹连杆旋合高度20mm 时仿真结果分析  58
    4.3.5 不同旋合长度仿真结果比较分析  58-60
  4.4 样机的加工  60
  4.5 本章小结  60-62
结论  62-64
参考文献  64-68
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  68-70
致谢  70

一种仿生机器海豚的机械设计及其运动分析

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