第九章 仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)

第三篇仿生機(jī)械設(shè)計(jì)與分析BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及其設(shè)計(jì)BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY3第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)一、游動(dòng)類型第一節(jié)水中游動(dòng)的動(dòng)物概述第一節(jié)水中游動(dòng)的動(dòng)物概述魚類能游泳，主要是靠身體兩側(cè)肌肉的收縮和魚鰭擺動(dòng)的協(xié)調(diào)。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(gè)胸鰭和兩個(gè)腹鰭，對(duì)稱地長在身體兩側(cè)，主要用來控制方向和剎車。而背鰭、臂鰭和尾鰭都只有一個(gè)，用來保持身體的平衡。4第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)魚鰭的功能：了解魚鰭功能，對(duì)于設(shè)計(jì)仿生機(jī)械魚有重要意義。第一節(jié)水中游動(dòng)的動(dòng)物概述胸鰭一對(duì)：位于身體兩側(cè)，用控制方向、制動(dòng)，也可緩慢運(yùn)動(dòng)。魚鰭的功能腹鰭一對(duì)，位于身體下方，相當(dāng)于后肢，保持身體的穩(wěn)定性尾鰭一個(gè)：主要推動(dòng)身體前進(jìn)臀鰭一個(gè)，位于身體后下方，保持身體平衡背鰭一個(gè)：位于身體上方，防止身體行傾斜側(cè)翻，用于控制位姿。臀鰭腹鰭尾鰭背鰭胸鰭5第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)不同種類的水中動(dòng)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(dòng)的動(dòng)物概述6第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)2、鯨豚類第一節(jié)水中游動(dòng)的動(dòng)物概述鯨、海豚等哺乳動(dòng)物是水生動(dòng)物，但不屬于魚類，和魚的游泳姿勢(shì)也不相同。如圖所示的海豚，僅有背鰭一個(gè)，前鰭一對(duì)，尾鰭一個(gè)。臀鰭已經(jīng)退化。尾鰭與其軸面垂直，上下擺動(dòng)身體可實(shí)現(xiàn)直線游動(dòng)。其他鰭的功能與魚類相同。7第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)3、水母類第一節(jié)水中游動(dòng)的動(dòng)物概述水母鐘狀身體下面有一些特殊的肌肉，能擴(kuò)張和收縮；或者說，水母通過收縮外殼擠壓內(nèi)腔的方式，改變內(nèi)腔體積，噴出腔內(nèi)的水，通過噴水推進(jìn)的方式進(jìn)行移動(dòng)。內(nèi)腔擴(kuò)張，水流慢慢吸入，充滿內(nèi)腔；然后，內(nèi)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(yùn)動(dòng)。8第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)一、游動(dòng)方式第一節(jié)水中游動(dòng)的動(dòng)物概述擺動(dòng)身體為主的推進(jìn)游動(dòng)方式噴射水流推進(jìn)擺動(dòng)尾鰭為主的推進(jìn)游動(dòng)方式主要有三種類型擺動(dòng)身體噴射水流擺動(dòng)尾鰭擺動(dòng)尾鰭9第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第一節(jié)水中游動(dòng)的動(dòng)物概述體型平扁的鰩類和魟?lì)?，它們的胸鰭演化為身體邊緣的體盤，如圖所示。當(dāng)胸鰭上下扇動(dòng)成波浪形運(yùn)動(dòng)可使身體前進(jìn)。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(dāng)急速前進(jìn)時(shí)，它們和整個(gè)軀體的波動(dòng)一致。推動(dòng)魚體緩慢游動(dòng)時(shí)，則靠單獨(dú)波動(dòng)來推動(dòng)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(dòng)幫助魚體徐徐前進(jìn)，而圖示的海馬體型特殊，運(yùn)動(dòng)能力弱，主要以細(xì)小的背鰭起推動(dòng)作用。10第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)一、卡門渦街現(xiàn)象第二節(jié)游動(dòng)機(jī)理分析第二節(jié)游動(dòng)機(jī)理分析

流體在以適當(dāng)?shù)乃俣攘鹘?jīng)物體后，其中一側(cè)的旋渦順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，另一旋渦則反方向旋轉(zhuǎn)，這兩排旋渦相互交錯(cuò)排列，開始時(shí)，這兩列線渦分別保持自身的運(yùn)動(dòng)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(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(jī)，則為機(jī)翼長度等。第二節(jié)游動(dòng)機(jī)理分析12第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)二維圓柱低速定常繞流的流型只與Re數(shù)有關(guān)。(a)在Re≤1時(shí)，流場(chǎng)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(duì)稱，此Re數(shù)范圍的繞流稱為斯托克斯區(qū)。

第二節(jié)游動(dòng)機(jī)理分析13第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)

卡門渦街現(xiàn)象使障礙物后方流體形成一個(gè)反向流動(dòng)，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(dòng)機(jī)理分析14第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)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(dòng)就是制造反卡門渦街，產(chǎn)生向后的水流，從而推動(dòng)身體前進(jìn)。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(dòng)機(jī)理分析15第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)三、擺動(dòng)身體前進(jìn)機(jī)理分析

第二節(jié)游動(dòng)機(jī)理分析16第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)四、魚類游動(dòng)的推動(dòng)力前進(jìn)方向Fxy魚類游動(dòng)的推動(dòng)力有三種：1、尾鰭擺動(dòng)產(chǎn)生的尾渦推動(dòng)力2、慣性推動(dòng)力：當(dāng)魚體擺動(dòng)時(shí)，除自身動(dòng)量改變外，還帶動(dòng)周圍流體改變動(dòng)量，這

部分動(dòng)量會(huì)產(chǎn)生附加慣性力，大小為：m—被帶動(dòng)流體的附加質(zhì)量v—魚體橫向擺動(dòng)速度第二節(jié)游動(dòng)機(jī)理分析17第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)3、魚體前緣吸力當(dāng)水流過魚體上曲率很大的鈍前緣和尾鰭前緣時(shí),局部流速增大,形成低壓區(qū),產(chǎn)生前緣吸力,也構(gòu)成一部分推力，占總推力的10%左右。魚在游動(dòng)時(shí)，真正的推動(dòng)力是這三部分作用力之和。第二節(jié)游動(dòng)機(jī)理分析前進(jìn)方向xy前緣負(fù)壓區(qū)18第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析一、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖設(shè)計(jì)第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析1、魚體的體型設(shè)計(jì)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(cè)視呈紡錘狀。如所示錦鯉即為梭形體型。（2）側(cè)扁型：魚體較短，兩側(cè)很扁而背腹軸高，側(cè)視略呈菱形。圖示鳊魚為側(cè)扁形體形。19第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析1、魚體的體型設(shè)計(jì)（3）平扁型：這類魚的形體特點(diǎn)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(cè)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(cè)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(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)二、魚類骨骼結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析魚的外骨骼包括鱗甲、鰭條和棘刺等；內(nèi)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(gè)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(jié)構(gòu)。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(duì)的奇鰭骨骼；支持胸鰭和腹鰭的骨骼為成對(duì)的偶鰭骨骼。21第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析圖中背鰭、臀鰭和尾鰭都是一個(gè)，而且是單自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件，二個(gè)胸鰭和腹鰭都是2個(gè)單自由度的運(yùn)動(dòng)副組合構(gòu)件，滿足胸鰭、腹鰭向外和前后方向的劃水動(dòng)作。脊椎骨關(guān)節(jié)也用轉(zhuǎn)動(dòng)副代替，工程設(shè)計(jì)中，一般小于10個(gè)。采用3～6個(gè)骨關(guān)節(jié)的居多。根據(jù)魚類的骨骼結(jié)構(gòu)可畫出對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖該魚類的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖具有通用性22第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)鯨豚類的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析鯨類、海豚類動(dòng)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(jié)構(gòu)圖。23第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)二、總體設(shè)計(jì)第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析魚類游動(dòng)時(shí)，身體擺動(dòng)部分主要依靠身體的后三分之一的擺動(dòng)，所以仿生機(jī)器魚的骨關(guān)節(jié)一般小于6個(gè)關(guān)節(jié)，不超過四個(gè)關(guān)節(jié)。每個(gè)關(guān)節(jié)處安置一個(gè)舵機(jī)，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(shè)計(jì)的原理圖如圖所示。24第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析各種仿生機(jī)器魚的游動(dòng)機(jī)構(gòu)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(jī)器魚還是具有全部魚鰭的。圖示為幾種典型的仿生機(jī)械魚結(jié)構(gòu)示意圖，25第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析典型仿生機(jī)械魚的結(jié)構(gòu)示意圖。26第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)典型仿生機(jī)械魚的結(jié)構(gòu)示意圖。第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析27第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)外形圖第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析擺尾結(jié)構(gòu)圖28第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)典型仿生機(jī)械魚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析29第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)仿生機(jī)器魚游動(dòng)圖第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析30第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)四、魚的擺尾游動(dòng)方程第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)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(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)2、尾鰭擺動(dòng)推進(jìn)力方程第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析1997年，B．Ahlbom通過人工尾鰭推進(jìn)裝置試驗(yàn)研究得出，鰭部的推力F的方程為：k:液體的固有常數(shù)，對(duì)于水，k=40ρ：水密度h:尾鰭浸入水中高度A:魚鰭擺動(dòng)幅度f:魚鰭擺動(dòng)頻率32第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)3、魚體的水中阻力方程第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析魚在游動(dòng)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(gè)與魚體等價(jià)的長形物體在水中拖動(dòng)，使長形物體與魚體的雷諾數(shù)相同，這樣魚體在前進(jìn)中受到的阻力等價(jià)于被拖動(dòng)的物體在流體中受到的阻力。流體中的細(xì)長體受到的阻力與流體密度成正比與流體流動(dòng)的速度的平方成正比，與過水面積成正比。即：33第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析

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

度為零。35第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)5、擺尾關(guān)節(jié)電機(jī)扭矩的計(jì)算第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析質(zhì)心點(diǎn)的位移為對(duì)時(shí)間球?qū)?shù)，可求出質(zhì)心速度。速度達(dá)到最大值，此時(shí)的最大速度為：當(dāng)

最大水阻力由水阻力公式，36第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)則關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩為：第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析可求解最大水阻力當(dāng)前進(jìn)37第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)6、魚體波動(dòng)方程第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析推進(jìn)運(yùn)動(dòng)包含魚體的波動(dòng)和尾鰭的擺動(dòng)兩部分。魚類運(yùn)動(dòng)時(shí)魚體主干部分波幅很小，明顯的波動(dòng)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(dá)到最大值，特別明顯的側(cè)向位移僅僅發(fā)生在尾鰭及尾柄部分。在機(jī)器魚游動(dòng)過程中魚體的頭部不產(chǎn)生波動(dòng)，但不是靜止不動(dòng)，而是做微小幅度的擺動(dòng)，對(duì)推進(jìn)運(yùn)動(dòng)起到平衡作用。38第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析坐標(biāo)原點(diǎn)尾鰭魚體波魚體波可以通過波幅包絡(luò)線與正弦曲線的合成來進(jìn)行數(shù)學(xué)描述：x：X軸坐標(biāo)值；：身體橫向位移（波幅),最大波幅為第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)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(luò)線系數(shù)；：二次波幅包絡(luò)線系數(shù)；

當(dāng)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(dá)到最大值。所以在設(shè)計(jì)中不需要復(fù)雜機(jī)構(gòu)來產(chǎn)生足夠的柔韌性來模擬魚體的多個(gè)魚體波。40第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)7、魚鰭擺動(dòng)攻角的選擇：第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)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(jìn)力，普通魚類尾部運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，其中有兩個(gè)重要的角度參數(shù)：攻角α和角度ψ。角度ψ指尾鰭運(yùn)動(dòng)軌跡與魚類整體游動(dòng)軌跡之間的夾角。41第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第三節(jié)仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析

42第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第四節(jié)仿生機(jī)械水母的設(shè)計(jì)與分析第四節(jié)仿生機(jī)械水母的設(shè)計(jì)與分析一、水母的基本結(jié)構(gòu)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(nèi)傘腔體產(chǎn)生收縮運(yùn)動(dòng)，由垂管（口）排出腔體內(nèi)的水，從而向后噴射出水流來使水母向前推進(jìn)。水母在舒張過程中由口中吸水，經(jīng)由輔管、環(huán)管到達(dá)內(nèi)傘腔，從而完成吸水動(dòng)作，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次的噴水推進(jìn)。通過這種噴水推進(jìn)的方法，水母便能向相反的方向游動(dòng)。水母的觸手可以捕食、改變運(yùn)動(dòng)方向。43第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第四節(jié)仿生機(jī)械水母的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)即外傘，包覆和保護(hù)著水母內(nèi)部的其他結(jié)構(gòu)；而內(nèi)傘腔體在水母的運(yùn)動(dòng)過程中充滿水，排水產(chǎn)生的體積變化是水母的主要推進(jìn)方式。44第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)二、水母機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)第四節(jié)仿生機(jī)械水母的設(shè)計(jì)與分析1、水母主體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)水母主體機(jī)構(gòu)指其運(yùn)動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)。在仿生機(jī)械水母的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為仿生水母的主體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這是受到雨傘機(jī)構(gòu)的啟發(fā)。45第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第四節(jié)仿生機(jī)械水母的設(shè)計(jì)與分析在仿生機(jī)械水母的設(shè)計(jì)中，也經(jīng)常采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和四桿機(jī)構(gòu)的組合，作為仿生水母的主體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。46第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)2、水母觸手機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)第四節(jié)仿生機(jī)械水母的設(shè)計(jì)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(dòng)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(yù)知天氣變化。圖示水母觸手機(jī)構(gòu)中，ABCD為滑塊機(jī)構(gòu)，DGFE為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，級(jí)桿組HIB連接到構(gòu)件FG和構(gòu)件BC上。其自由度為：第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第四節(jié)仿生機(jī)械水母的設(shè)計(jì)與分析該觸手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖的對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖如下A固定硅膠孔JIHFGDECB48第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第四節(jié)仿生機(jī)械水母的設(shè)計(jì)與分析水母觸手很多，為簡(jiǎn)化觸手機(jī)構(gòu)的自由度和控制，常用一個(gè)端面凸輪控制多個(gè)觸手。端面凸輪驅(qū)動(dòng)的直動(dòng)滾子從動(dòng)件就是觸手機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件。49第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)水母觸手機(jī)構(gòu)的三維視圖如下：第四節(jié)仿生機(jī)械水母的設(shè)計(jì)與分析50第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)一、墨魚的結(jié)構(gòu)：第五節(jié)仿生機(jī)械墨魚的設(shè)計(jì)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(jìn)化為腕和漏斗；一般有5對(duì)腕，各腕內(nèi)側(cè)帶有4行柄狀吸盤，其中一對(duì)腕特別長，稱為觸腕，用于捕食。第五節(jié)仿生機(jī)械墨魚的設(shè)計(jì)與分析頭足（腕）軀干51第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第五節(jié)仿生機(jī)械墨魚的設(shè)計(jì)與分析墨魚的生態(tài)學(xué)方位是有口的一方為前方，軀干為后方。漏斗位于頭的腹側(cè)，用于噴射海水之用。其腹面兩側(cè)各有一橢圓形的軟骨凹陷，稱閉鎖槽，與外套膜腹側(cè)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(nèi)有舌瓣，可防止海水逆流。52第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第五節(jié)仿生機(jī)械墨魚的設(shè)計(jì)與分析墨魚是依靠高效的噴射推進(jìn)和高效率的鰭波動(dòng)推進(jìn)的復(fù)合方式來實(shí)現(xiàn)游動(dòng)?？梢詫?shí)現(xiàn)快速地向前或者向后游動(dòng)，而且可以瞬時(shí)改變游動(dòng)方向。墨魚的噴射推進(jìn)過程可分為充水和噴射兩個(gè)主要的階段充水過程：漏斗內(nèi)的舌瓣閉合，外套膜與漏斗連接處的閉鎖器打開，外套膜擴(kuò)張，利用外套膜腔內(nèi)的負(fù)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(dòng)機(jī)理分析：53第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第五節(jié)仿生機(jī)械墨魚的設(shè)計(jì)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(nèi)的舌瓣張開，外套膜強(qiáng)有力地收縮，將外套膜腔內(nèi)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(nèi)向任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制噴射推力的方向，實(shí)現(xiàn)靈活、迅速的改變54第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第五節(jié)仿生機(jī)械墨魚的設(shè)計(jì)與分析圖a示為外套膜放射性肌肉橫向伸張時(shí)，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(shí)現(xiàn)推進(jìn)運(yùn)動(dòng)。(a)(b)(d)55第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)除去噴射推進(jìn)外，另一個(gè)運(yùn)動(dòng)方式是鰭的波動(dòng)推進(jìn)，并提供80%左右的升力和50%的水平推力。第五節(jié)仿生機(jī)械墨魚的設(shè)計(jì)與分析墨魚的噴射推和擺鰭運(yùn)動(dòng)的疊加，實(shí)現(xiàn)了墨魚的前進(jìn)、升降、偏航、翻滾和俯仰等多種運(yùn)動(dòng)方式。56第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第五節(jié)仿生機(jī)械墨魚的設(shè)計(jì)與分析三、仿生機(jī)械墨魚的設(shè)計(jì)：仿生機(jī)械墨魚的游動(dòng)主要依靠噴射和鰭的運(yùn)動(dòng)，因此仿生機(jī)器墨魚的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是

鰭和推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。鰭的設(shè)計(jì)墨魚鰭分布于外套膜外側(cè)周邊，鰭能夠?qū)崿F(xiàn)高柔性、大變形的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)，呈曲面狀態(tài)運(yùn)動(dòng)。這是得益于其特殊的肌肉結(jié)構(gòu)，用機(jī)械手段模仿墨魚鰭單元的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理，可采用以圖示的下兩種方法。57第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第五節(jié)仿生機(jī)械墨魚的設(shè)計(jì)與分析（1）連桿機(jī)構(gòu)類的鰭在墨魚外套膜周邊設(shè)置多個(gè)單自由度的擺動(dòng)副，可擺動(dòng)的構(gòu)件稱為鰭條，也稱致動(dòng)器。鰭條之間用高強(qiáng)度的聚合物膜覆蓋，形成墨魚的柔性鰭。每個(gè)鰭條用微舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制各鰭條的擺動(dòng)角度和擺動(dòng)時(shí)序，可實(shí)現(xiàn)墨魚鰭的復(fù)雜曲面運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)墨魚的各種游泳姿態(tài)；控制擺動(dòng)頻率，可控制游動(dòng)速度。此類設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單，方法成熟，但仿生墨魚的重量過大。第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第五節(jié)仿生機(jī)械墨魚的設(shè)計(jì)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(yīng)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(dòng)，許多鰭條的不同擺動(dòng)，從而帶動(dòng)鰭膜作復(fù)雜曲面運(yùn)動(dòng)。SMA材料因形變回復(fù)量和回復(fù)應(yīng)力大、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)器。在墨魚外套膜邊緣安置多個(gè)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(shè)有接線端子，采用直接通電加熱方式驅(qū)動(dòng)。59第九章仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及設(shè)計(jì)第五節(jié)仿生機(jī)械墨魚的設(shè)計(jì)與分析Ti-Ni基SMA絲的工作原理如下：當(dāng)A面的SMA絲加熱收縮時(shí)，柔性鰭單元向A面方向彎曲，此時(shí)相反側(cè)B面的SMA絲被拉伸，并產(chǎn)生彈、塑性變形，同時(shí)在彈性體和蒙皮中存儲(chǔ)彈性能；當(dāng)A面的SMA絲停止加熱時(shí)，柔性鰭單元利用彎曲過程中存儲(chǔ)的彈性能使鰭單元回復(fù)