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鱼类机器人的 设计和动态分析 摘要 本文介绍设计与分析 “鱼样水下机器人 ” 。 为了发展游泳机器人像一 条 真正的鱼类，广泛的动力分析 引用在 研究鱼类 的 生物学特别是其机动性和推进作 用 。 模拟游泳是为了实现 游泳。 这是 快速 模拟游泳 用它的尾巴和脚 来进行推进。为了 产生 旋涡 的配置，提供高效率的旋涡推 动，已经应用 尾鳍 来 偏航和 冲击。 为了 潜水 ，保持身体平衡 ，使用 一对胸鳍 来运动。 我们已经推导出 两种方法。 在第一种方法 中 ，我们使用水下航行器的运动方程 关于 势流理论的力量推进。在第二种方法中，我们 使 用 水下机器人，机械手）的 运动方程 。然后，我们比较这些结果。 在许多方面鱼是非常令人印象深刻的运动员，游泳潜水机器人可以像鱼一样 比潜艇 更优于 使用 推动 。例如，鱼 类 机器人可能更安静，更灵活 ， 可能更节能。 大约 70 年前 ， 生 提出了所谓 悖论 ， 刺激大量的研究和争议 1， 2， 3 。悖论表明，如果一个 活跃 的 游泳海豚 的阻力 等于一个刚性模型拖 着 同样的速度，海豚肌肉必须能够产生比典型的哺乳动物肌肉 1至少 多 7 倍的能耗。在最近 多年来， et 3, 4, 5提出了一种 他提 出 ，鱼能够利用能源 ，在一个激流 存在的漩涡 中，通过贮藏涡 和鱼的振荡游泳运动 导致流动 力 13。 各种各样的推进计划 已经 进行了调查，大多数鱼类 的调查已经侧重于 泳 中 ， 当 推进机构运动主要局限于 身体后部 三分之一的尾巴 12 时， 鱼身体 前部 三分之二 就用一个刚性 方式 移动 。 准 16,17在 标 准控制仿射形式的方法 和 几何框架 上 通过降低拉格朗日 导出了一个下沉探测片 的运动方程。截至目前，许多实验和动态的分析 被浓缩 在鱼 类 机器人 10 ， 1 1 ， 15 正向 和回转运动 上。 在本文中，我们考虑设计一个 类 机器人及其三维动态分析。我们已经推导出鱼 类 机器人 的 运动方程的两种方法。我们 使用 势流理论的力量 和 水下机器人，机械手）尾的方法。然后，我们比较这些成果。其余的文件 被编 织 如下。 第 2节介绍了 鱼类机器人（ 设计 。 第 3节介绍了鱼 类 机器人 的 动态模型 。 第 4 节 包 含 一些结论性意见。 我们尝试建立一个高速，潜水鱼机器人。为 了 高速，我们模仿金枪鱼 的 弦月形的尾巴。金枪鱼的身体非常 坚 硬 和 精简 能 适用于高速。 为了潜水 我们使用一对升力的胸鳍 ，为了 转折点 我们使用 腹鳍。我们尝试发展股型鱼类机器人 ， 几个部分 作为 动力装置和一个控制单元。那个鱼 类 机器人名叫 5公斤的体重。图 1和图 2是一个 图片和示意图 。 它包括一个尾部装置，一套电池组，一个 R/一个胸鳍股。 为了 两个链接尾部装置有一个遥控汽车和 防 爆装置 ，这是一个欠系统电机。 3300氢。 R/C 组合 是 包含一个 射频接收器和 一个 8051控制器。 为了转折点和上下动议胸鳍单位 装 有 两 个舵机和机 芯。 鱼类机器人 的 身体形态影响大力推进性能 和 游泳速度。当然 ， 在游泳 时 希望有小的阻力 。然而， 只有 流体力学因素我们不能决定体形 。 图 图片 图 结构 因为，它必须是重力和浮力立场 的 平衡中心，每个机械部件 的 位置 受限制 。 身体的设计点 如下。 身体形态相匹配的机械部件 的 位置 ， 要求 均衡设计总量（位移）和总重量 , 要求 平衡形状的重心和浮力点 ， 要求 一些阻力 ， 要 有 一些水流量的干扰 围绕着尾鳍， 一个简单的形状，便于更好地建设。 在本节中，我们将得出 A. 模使用势流理论 在第一种方法 中， 我们认为， 通过 尾振荡 硬和强硬，它 外力 的一种 作为 阻力， 推力 ，等等。我们假设流体是 非粘性的 ，不可压缩， 不旋转 和理想流体。根据这些水动力和扭矩 作用于探测片被确定使用 势 流理论 6 7 。为了 运动规划和控制器设计 ， 存在和自由 的 影响和中央涡被忽略 并 被视为干扰。 1）鱼体 的 动力学方程： 刚体的运动在三维空间可以表示为 14 ： 是惯性矩阵和鱼体 的 科 式 /心矩阵，分别 ,是 鱼 类 机器人的惯性框架 ， q 是鱼 类 机器人 的 速度 对身体固定框架（ ）和 给出了： 表示回复力和力矩 ，由于重量和浮力， 表示强度和力矩 ， 由于不同类型的阻尼， 表示增加质量强度 和 力矩， 由于周边流体 的 惯性 ， 表示强度， 由于移位 流体 的 惯性矩阵和 表示 通用外力 被认 为强度通过尾振荡 。最后的运动方程给出： 其中 J 是 架 的转换模型 ， 注意 惯性框架， 在鱼类 机器人和液体 之间 是相对加速度 ， 其他 强度和力矩 给出方式： 是迎角。 2 ）外力的尾振荡：考虑一椭圆 位置 在复平面 与 X R 在方向弦长， 和 Y 图像 根据射 由： 和 c 确定探测片的形状。 复杂 电位 绕流 由： 这里 ， ,和 U （ t ） ,V （ t） 是 重新绝对速度 ， 在平行和垂直方向金属箔的共鸣， 和 （ t ）是铝箔 的 角速度。 c 是 中央旋涡的力量，和 (k(t) k = 1 , ,强度和 涡 的定位件 。一旦复势已经确定，我们可以 导出每强度 单位跨度沿 X 和 和 汤姆逊的方法 6。 附加质量系数 目前是： 和 是线性速度 在 面上 ， 是角速度，我们 产取 我们不认为自由和中央旋涡， c, 于 0 。然后， 强度 和扭矩 每 单位跨度 质量通过 尾振荡： 然后 其中 p 是水的密度。 建模使用 在 这个分段 中，我们 将 为 定一个动态模型使用凯恩动力学方程。我们将选择 N=8广义系统 的 速度： 在 惯性框架的 是鱼 类 机器人 的 线性速度， 在 惯性框架的 标系 中 是 鱼 类 机器人 的 角速度，和 是 连接 脚 的速度 和尾巴 ， 图 3显示 2个 鱼类机器人 的构件尺寸配合 使用 9。 图 2个三位坐标系使用 方法 1 ）运动学分析：该运动的任务是更听话和有系统的，如果我们利用调框架。图 1显示 的 坐 标 已经选定为我们的系统。 坐标系，给出方式： 表示在右边 两个均匀载体 的 物理坐标 叠加， 是齐次变换 从 坐标系 P 到 坐标系 B,和 是连线 P 的位置 矢量 表示 连线 T 的位置 矢量 关于 鱼体 的 角速度对 于 惯性 E 图像 ，表示在 标系 中 ： 随机编码 是指在一个单位载体 ， 符号 指 B 的 角速度 ，在 E 图像中 表示 的 角速度和尾巴对惯性框架在 ，给出了： 表示 的 旋转子 ， 是 脚 的 角速度 和 是 尾巴 的 角速度 。 性速度 的 惯性表达了 标 系统是由： 一个脚或尾巴关于惯性框架 的 性速度 ， 表示在 标系，给出了： 该角加速度关于车辆 的 带有惯性框架，表示在 脚或尾巴 的 角加速度对惯性框架表示 在 标系 中被 发现如下： 车辆 性加速对惯性框架 ， 表示 在 由： 脚或尾巴 的 表示 在 发现如下： i 表示 脚或尾巴。 2 ）惯性力：在 系统 要求 的 惯性力 下 ， 在 系统 中 我们制定表达式的惯性力和每一部分 的 扭矩。身体 ， 脚和尾巴 的 惯 性力，给出如下： 表示鱼体， 脚和尾巴 的质量。身体， 脚和尾巴 的惯性扭矩 给出如下： 在 标系 中 表示 鱼体，脚或尾巴 的中心惯性力 。广义 惯性力现在发现，以获取如下： 3 ）重力： 在 系统 中 重力可以被视为 物体的 每一部分 的中心所受到的力 。该 力由于重力作用于鱼体，脚和尾巴 被表示如下 ： 是重力矢量在 。广义力由于重力 被表示如下 ： 4 ）水动力：在水下环境 下 流体动力 导致 刚体 运动 非常复杂 和 高度非线性 。该力可能被 开发利用不可压缩流体使用 程，而且很少导致封闭形式的解决方案。附加质量 ， 浮力， 阻力的影响，往往视为每一个力 的叠加 。 附加质量力的结果，流体的相互作用 ， 在水下链接 的附近 是 加速通过流体压力分布。这 力 需要加快周围的流体产生一个有效的惯性 ， 可模仿 6 6正定附加质量惯性矩阵， 的来说， 附加质量矩阵 的 36个要素 ,一个 在 真正的流体 中的 机构 清晰和确定 可 通过 实验测试技术。它已经显示出了et 8 ，可 被推导出 14 ， 水下机构的 惯性力和扭矩 导致附加质量的现象有以下形式： 和 是斜对称矩阵， 6附加质量矩阵 ,在 身体，脚或尾巴中表示 两个方程 得 到结果 我们可以 从 流体的相对加速度和速度 推导到 下列关系： 是流体的速度表示在 标系中， 在 标系中 是流体的加速度。惯性力和力矩的最后形式造成的附加质量如下： 在 整个系统 中 广义惯性力的增加 ,然后考虑如下： 这是一个笼统的提法，水动力和扭矩 结合到 动态模型。否 任何假定有必要就附加质量矩阵的系数 进行推导 。 浮力 于密度 成正比 ， 身体，脚和尾巴和行为通过身体，脚和尾巴浮力的中心。对于 均匀对称形状，中心的浮力和质心是相同的。 对于 模型，我们认为，浮力通过 身体 ，脚或尾巴的中心机构，给出了以下内容： 其中， p 是 的 密度， 是液体的体积 ， 是重力矢量 在 。广义力 由于浮力 给出以下内容 ： 该 类似浮力 于 流体流离失所成正比，但结果 加速流体本身。该 力 由于 通过中心浮力给出了： 广义力由于 出 以下内容： 是 身体， 脚或尾 的 参考 面积， 是矩形的宽度， 是微元 的 长度。 是的阻力系数， 和 和 是 机构 的 相对速度。那个阻 力 系数 是部分几何形状 的 一个功能和流体气流角。它可以代表： 是形状参数，和 之间的夹角是流体 的 相对速度和部分纵轴。广义力由于阻力和扭矩 得出如下 ： 5）动态模型：广义惯性力和 广义力通过 鱼 的 身体，脚，和尾部 ， 运动方程被发现取得下列动态模型： 后，我们提出以下形式： 是 联合可变矢量 ， 是 惯性任期 的 矩阵 ， 是矩阵任期和 是 重力效应 的 矢量 四 五 机器人 维动态方程与脚和尾巴已经开发利用潜力流理论与在第一种方法 中 ，我们使用刚体 的 非线性动力学方程 通过 尾振荡获得势流法。我们认为，鱼体有许多其他 力 ， 例如 升降机，浮力，重力和尾巴振荡 的外力。外 力 得到了势流理论。这些方程有一些缺点。由于限制控制投入，我们必须确保约束。凯恩提供 了 的办法，把外力进入模式。 在这个模型中外部动力包括 ：浮力，阻尼，附加质量， 其他外部力量包括重力和每一部分 的 力矩。这可能有利于在未来的应用进行脚和尾巴协调控制，以便鱼的身体达到规定的 样 式。 图 标位置图利用势流理论 和 方法 图 4显示 的 结果使用两个方法在两个 尺寸 。红线是流动法 的结果， 蓝线是凯恩的方法 的结果 。我们可以看到几乎类似的路线。我们可以考虑鱼 类 机器人 的 体 的 了使用尾巴的 力矩作 为推进 力矩 。 、 在未来，我们 通过实验尝试比较这些仿真动力学方程 的 结果和 扩充 三维仿真。 参考文献 1“of h e 935. 2 “ , 978. 3 “An 995. 4 “by an of 11996. 5 in 1999. 6 “ 5th 1968. 7 “A 8 “ 992, 2999 “A of a s 3, 1990, 26710 “on n. 428 2000. 11 “of a In 1999 2351999. 12 “ 37999. 13in , 1999. 14 “ 1994. 15 “ of 001. 16 “ 17 .“of of 127 1998. 4892
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