仿生机器鱼三维仿真分析

仿生机器鱼技术研究自然界中的鱼类一直以来都是人们研究的对象，鱼类的运动方式、行为方式、环境适应性等都是人们经常关注的内容。

受这些启发，仿生机器鱼的研究在近年来逐渐发展起来，成为一项备受关注的技术领域。

一、仿生机器鱼的定义究竟什么是仿生机器鱼呢？它是一种能够模拟自然界鱼类外形及运动方式的机器人。

正如其名称所暗示的那样，仿生机器鱼证明了人类已经可以从自然界中学习并将其应用于技术领域的重要性。

它不仅可以作为一种装置或设备来运用于人工环境中，还可以是一种科学研究工具，在探索深海环境及鱼类行为等领域有着广阔的应用前景。

二、仿生机器鱼的研究内容仿生机器鱼涉及到多个学科领域，比如机械、电子、流体力学、生物学等，其研究内容主要包括以下几个方面：1、外形设计：仿生机器鱼的外形设计是整个研究的第一步。

与自然界中的鱼类相比，仿生机器鱼的形态需要更符合机器人的适用需要。

设计者们需要做出折中考虑，既能减小机器人的重量，又能提高机器人在水中的运动稳定性和水动力性能。

2、材料选择：仿生机器鱼的各部件需要支持与水密支持，还需要经得起海洋环境的各种考验，因此，各种材质的选择显得尤为重要。

选择的材质需要同时具备轻便、强硬、防腐等特点。

3、运动方式：仿生机器鱼运动的方式和自然界中的鱼类有很大不同。

最近的仿生机器鱼运用了一种名为“阿克曼接头”的机构，用于保证仿生鱼在不同深度和遇到不同的阻力时都能灵活移动。

4、智能控制：仿生机器鱼的运动不是像简单机器人那样由人来遥控，而是需要一定的智能控制系统。

基于电子、智能控制等科学技术，在仿生机器鱼上实现智能控制是一项非常重要的任务。

三、仿生机器鱼的应用前景仿生机器鱼的应用前景非常广阔。

考虑到它可以在深海环境中工作，以及在仿生鱼的形态和运动特性中，仿生机器鱼技术在探测和监测水下能源资源、海洋环境监测、海岸线防卫、水下救援等方面都有广泛应用的可能。

此外，仿生机器鱼还有其它种种惊人的应用前景。

比如，仿生机器鱼可以被用于产生能量，尤其是在小型机器人中，可由仿生机器鱼中提取能量供给机器人的运动。

仿生墨鱼机器人及其关键技术研究共3篇仿生墨鱼机器人及其关键技术研究1随着科技的发展，人们对机器人的需求越来越高，尤其是在某些领域中，如海洋勘测和潜水，机器人可以替代人类进行危险和繁琐的工作。

为此，仿生墨鱼机器人应运而生。

本文将介绍仿生墨鱼机器人及其关键技术研究的概述。

一、仿生墨鱼机器人的概述仿生墨鱼机器人是由中国科学院深海科学与工程研究所的研究人员研发的一种智能水下机器人。

它采用了仿生学的原理，模仿了真正的墨鱼，外形和姿态均与真正的墨鱼十分相似。

它特别适合进行水下勘测和观测任务。

仿生墨鱼机器人采用了一些新技术，例如柔性运动、多自由度控制和自主导航等，能够自如地在水下前进，同时还配备了高清摄像头和激光雷达等设备，能够精确地捕捉周围的环境信息。

二、仿生墨鱼机器人的关键技术仿生墨鱼机器人的关键技术包括了以下几个方面：1、柔性运动技术仿生墨鱼机器人的柔性运动技术是其最大的亮点。

为了实现真正的墨鱼般的柔性运动，研究人员采用了基于流体动力学的仿生学原理，将柔性材料和机械臂等结构相结合，使机器人能够更加灵活地运动。

此外，该技术还能够使机器人在快速移动时减少水阻，降低能量消耗。

2、多自由度控制技术仿生墨鱼机器人共有八个触手，每个触手都具备多自由度的运动能力。

通过利用机械臂的多自由度控制技术，可以控制机器人在复杂的水下环境中进行高精度的定位和导航。

3、自主导航技术自主导航技术是机器人技术中比较重要的一项技术，也是仿生墨鱼机器人的关键技术之一。

通过内置的自主导航系统，可以实现机器人的自主控制和运动。

自主导航系统包括了传感器、航迹规划和动力系统等子系统。

4、智能控制技术智能控制技术是仿生墨鱼机器人的核心技术之一，具有自主学习、自适应和自主决策等特点，可以对周围环境进行感知和分析，对机器人进行控制和优化。

同时，该技术还能够保证机器人在执行任务时具有高效性、精准性和可靠性。

三、仿生墨鱼机器人的应用前景仿生墨鱼机器人具有广阔的应用前景，尤其是在水下勘测、海洋资源开发和水下灾害救援等领域中有着广泛的应用。

摘要根据水下鱼形机器人的设计方案进行仿真，分析运动规律及校核机构。

利用UG中三维建模、运动仿真及设计仿真等模块，对已经设计好的机器鱼进行系统仿真，并比较输出数值和计算数值的关系，从而完善设计过程。

主要对机器鱼的四个部分进行分析，分别是驱动机构、沉浮机构、转向机构、充电机构。

其中，驱动机构由尾部摆动机构实现，鱼身后半部和鱼尾的两节做有相位差的摆动，通过摆动来击打水从而推动鱼身前进。

沉浮功能由鱼身前半部分的侧鳍通过转动一定角度来实现的。

转向功能，由鱼身前半部分的鳍通过转动一定的角度来实现的，鳍与鱼身竖直方向的夹角的改变使其受到水的推动力的向左或者向右的分力，从而使鱼身可以绕其重心进行旋转。

外形设计是根据金枪鱼的外形进行多次拟合而归纳而成的。

最终对整个机器鱼进行配重，使重力中心和浮力中心在一条直线上，保证机器鱼能在水中平稳正常运动，同时控制模块中植入远程通信功能。

关键词：水下鱼形机器人；运动仿真；远程通信ABSTRACTAccording to the underwater fish-shaped robot to simulate the design, analysis and verification body movement. UG in the use of three-dimensional modeling, motion simulation and design of simulation modules, the fish have been designed machine system simulation, and compare the output value and the numerical calculation, in order to improve the design process. The main fish-machine analysis of four parts, namely the drive mechanism, ups and downs mechanism, steering, charging mechanism. Among them, the drive mechanism from the rear swing institutions, fish and fish tail behind the first half there are two of the swing phase, through the swing to hit the water in order to promote the fish forward. Rise and Fall of the functional from the first half of the fish lateral fins rotate through a certain angle to achieve. Shift function, by the fish through the latter part of the pelvic rotation to achieve a certain point of view, the ventral fin fish vertical with the angle between the direction of change to be the driving force of water to the left or the right of the play, so that fish can rotate around its center of gravity. Design is based on the shape of tuna and summarized a number of fitting together. Eventually the whole fish weight machines, so that center of gravity and buoyancy in a straight line, the fish can assure a smooth and normal movement in the water. Control to transplant long range correspondence in the mold piece function in the meantime.Keywords: Fish-shaped underwater robot; motion simulation; c ommunication目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第1章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2水下鱼形机器人技术的基本概念 (1)1.2.1 鱼类游动方式的分类 (1)1.2.2 仿鱼鳍机器鱼的特点 (2)1.3仿生机器鱼研究概况 (2)1.4目前研究热点及未来发展方向 (5)1.5本课题研究内容 (5)第2章UG中运动仿真和有限元分析模块功能介绍 (7)2.1运动仿真介绍 (7)2.1.1 运动仿真模块 (7)2.1.2 运动仿真模块能执行何种类型分析 (7)2.1.3 如何创建运动仿真 (7)2.1.4 运动仿真的机构运动方式 (7)第3章水下鱼形机器人机构确定 (9)3.1沉浮机构的确定 (9)3.2转向机构的确定 (13)3.3舵机选择 (13)3.4整体结构位置设计及外形确定 (14)3.4.1 整体结构尺寸确定 (14)3.4.2 外形结构尺寸确定 (15)第4章基于UG的鱼形机器人的运动仿真 ............................................. 错误！未定义书签。

基于IPMC仿生鱼的结构设计长江师范学院机器人工程学院长江师范学院机器人工程学院长江师范学院电子信息工程学院长江师范学院科创学院摘要离子聚合物金属复合材料(IPMC)是一种电活性聚合物材料(EAP)类的一种，它由离子聚合物和金属附着的复合物构成。

在水下有稳定工作状态、产生的弯曲形变大、柔性好、质量轻、耗能低等优点。

研究IPMC性能优化及其仿生机器人的设计有利于使制得的IPMC材料更加优质以及运用场景更加丰富。

关键词：IPMC；材料制备；仿生鱼1引言IPMC全称为离子聚合金属复合材料(IonicPolymer-MetalComposite)，是一种具有特殊功能的新型材料。

它的主要特点是具有良好的电化学活性和机械可变性能，可以实现电-机-化耦合作用。

IPMC有着广泛的应用领域，如智能材料、传感器、微机电系统、机器人等[1]。

2IPMC材料制备基体材料预处理包括基体膜的糙化、切边和清洗。

糙化采用喷砂的方法。

切边是将糙化后的基体膜切割成规定尺寸。

清洗包括超声波清洗、煮洗和去离子水煮洗，以去除杂质离子和增加IPMC材料的储水能力。

浸泡还原液包括配制Pd盐溶液和还原液，将预处理过的基体膜浸泡在Pd盐溶液中还原镀。

还原液使用NaBH4作为还原剂。

浸泡和还原镀的时间、次数根据实验需求而定。

表面电镀包括切边处理和电镀。

切边处理防止预镀膜在电镀时上下电极层导通导致电镀不均匀。

电镀液选择含有贵金属盐，电压控制在0.5-10V，电流控制在0.001-0.5A。

使用钛等活泼金属作为阳极，电镀阴极为阵列式金属探针。

电镀后得到IPMC材料。

后处理是将IPMC边缘切边处理，然后进行Na离子交换[2]。

3IPMC仿生鱼设计3.1 IPMC材料运用仿生鱼的优势IPMC材料因其柔韧性和流线型设计，可以模仿仿生鱼的鳍、鳍条、鳍膜等结构，具有以下优势：其良好的水动力学性能可提高推进力和速度；高灵敏度和快速响应能力可帮助仿生鱼适应水中环境变化和应对挑战；同时，IPMC材料具有良好的生物相容性和耐用性，可使仿生鱼更健康且更耐用，从而更好地完成任务[3]。

未来奇兵仿生机器鱼仿生技术的军事应用正在快速发展，各国都投入大量资金深入开展从空中的掌上飞机、地面的微型昆虫到水下的仿生机器鱼等方面的一系列理论和技术研究。

其中，水下仿生机器鱼的发展更是如火如荼。

仿生机器鱼是模仿鱼类游动的推动机理，通过机械、电子机构或功能材料（形状记忆合金、人造肌肉等）来模拟鱼类的游动推进动作，在水中利用身体、尾鳍或胸鳍的摆动产生推进波，并作用于身体产生向前推力，从而实现运动的水下航行器。

三种模式根据推进模式访生机器鱼的推进方式可分为三类：身体波动式，(鱼+参)科及(鱼+参)科加新月形尾鳍模式和胸鳍模式。

身体波动式是模仿鳝鱼等鳗鲡目鱼类的游动方式，整个身体都参与大振幅波动运动，推进波的速度大于鱼的游动速度，并与鱼的游动方向相反地在身体上传播产生推进力。

此类仿生机器鱼多采用多关节机构，每个关节安装一个小型伺服电机配合作用进行扭转摆动推进。

也可采用形状记忆合金做鱼身，采用电激励或其他形式激励，控制合金的温度变化从而产生形变带动身体摆动。

其实人们所熟悉的机器蛇在水中若能浮起就变成了机器鱼。

此类机器鱼由于身体细长，柔韧性好，所以机动性极好，但一般只能飘浮，无法进行沉浮。

(鱼+参)科及(鱼+参)科加新月形尾鳍模式是大部分鱼类（如海豚、鲨鱼、金枪鱼等）采用的推进模式。

由于身体刚度较大，波动主要集中在身体后部分，推进力主要由具有一定刚度的尾鳍提供，其推进速度和推进效率比身体波动式高。

(鱼+参)科模式的推进部分是鱼体的后2／3部分，而(鱼+参)科加新月形尾鳍模式身体刚度更大，推进部分为身体后1／3部分，侧向位移主要产生在后颈部和尾鳍，尾鳍产生90％的推进力，身体前2／3部分保持刚性。

目前，(鱼+参)科及(鱼+参)科加新月形屋鳍模式的机器鱼研究较多，可以采用具有一定刚度的材料做前鱼体和尾鳍，鱼尾采用刚性或弹性材料，由电机驱动进行摆动。

其结构复杂程度不同，最简单的可以由电机直接驱动一根刚性杆状鱼尾摆动，复杂的可做成类似身体波动式的多关节或弹性鱼尾，由一部或多部电机配合驱动或采用形状记忆合金做鱼尾。

仿生机器鱼的设计与控制第一章引言随着科技与工业的不断发展，生物仿生学逐渐成为了人们研究和开发的一个全新领域。

其中的仿生机器鱼是一种充满活力的智能机器人，它可以在水中像真正的鱼类一样自由自在的游动，成为了海洋工程、水下探测等领域的一种极具发展前景的智能装备。

本文将对仿生机器鱼的设计与控制进行深入研究。

第二章仿生机器鱼的设计2.1 仿生机器鱼的基本构造仿生机器鱼通常由几部分组成：尾鳍、背鳍、舵机、电池、控制板、水泵等。

其中，尾鳍是仿生机器鱼的关键部位，负责产生推进力，具有一定的弯曲和摆动能力。

背鳍是辅助产生稳定航行的结构，其摆动范围相对较小。

舵机主要用于控制尾鳍的运动，而控制板则负责接收指令并控制舵机、水泵等零部件的工作。

电池则为整个机器鱼提供能源。

2.2 仿生机器鱼材料的选择仿生机器鱼的材料选择对于其造型、机能以及寿命有着直接的影响。

欧洲研究人员曾使用电子芯片、橡胶及化学制品等材料制作出焊接的仿生鲟鱼，而美国的研究人员则在仿生鱼身上涂上柔软的电子皮肤，使其能够感受到水中的震动和水流的变化。

因此，正确选择材料将有利于提高仿生机器鱼的仿真度，从而增加其稳定性和寿命。

2.3 仿生机器鱼设计中的仿生原理仿生机器鱼的设计理论是以仿生学的生物学原理和机电工程学原理为基础的。

通过生物学原理对鱼类特点进行分析，如鱼类的外形结构、水下行动状态及其摆尾等，然后将这些特点结合机电工程学原理得出仿生机器鱼的设计方案。

第三章仿生机器鱼的控制3.1 仿生机器鱼的控制方法常见的仿生机器鱼控制方法有两种：一种是基于程序的控制，另一种是基于模拟神经网络的控制。

基于程序的控制是仿生机器鱼最基本的控制方式。

通过编写程序来实现仿生机器鱼的控制和运动。

而基于模拟神经网络的控制，则是采用类似于生物神经网络的结构来模拟仿生机器鱼的运动，以此来实现仿生机器鱼在水中的自主导航和智能控制。

3.2 仿生机器鱼控制的关键技术仿生机器鱼控制的关键技术包括控制算法、传感器、执行器、微型密码锁存器、模拟神经网络等。

学术研究2012017年3月上 第5期 总第257期1 概述一直以来,研究生物学功能、仿制生物学机理都是人们开发新技术、探索新科技的重要手段。

随着海洋资源在全球化发展中扮演越来越重要的角色,人们对于潜水相关的科技有着越来越重大的需求。

目前,人们对水下执行任务的时长要求越来越高,则水下航行器的效率也必须随之提升。

然而,传统螺旋桨推进系统的效率仅有40%左右,不能满足人们的需求;而各类海洋生物的推进效率可高达80%以上,并具有行动噪声低、尾迹浅等优点[1]。

因此,学习生物界的推进方式并应用于人工推进航行器中就显得至关重要。

国际上对仿生型水下航行器的研究主要从理论构建、机器仿制和仿真模拟等方向展开。

理论上,人们根据鱼类游动时产生推进力的部位不同,将其推进方式主要分为BCF(body and/or caudalfin身体/尾鳍)模式和MPF(median and pectoral fin中央鳍/对鳍)模式,并根据鱼类在水中游动的姿态建立了相应的力学模型[2]。

各个国家在机器仿制方面进行了大量的研究,美国麻省理工大学的Triantafyllou等人于1994年研制出世界上第一条真正意义上的仿生机器鱼“Robo-Tuna”;北京航空航天大学研制了国内第一条仿鳗鲡鱼类身体波动式机器鱼等。

仿真模拟方面,研究者已大量利用fl ue nt 等商用流体力学软件对生物体、仿生航行器的游动现象进行了相关的参数研究[3]。

人们日益增长的物质需求迫切要求我们对于仿生推进系统进行更加深入、系统地研究。

比如在微型机器人的医用领域,利用B C F 型水下仿生机器可以通过定点投药,实现微创伤或无创伤手术或检测。

基于对于水下仿生机器的已有研究,本文将对仿生推进系统进行理论建模,探索水下生物推进过程的受力机制,并尝试分析影响推进过程的因素。

2 运动过程的力学建模如图1(a)所示,我们给出了水下生物运动过程中的BCF 推进模式的示意图。

以水下生物为参照系,我们对一些关键的运动学参数进行定义,以方便后续分析。