1、隨著社會的迅速發(fā)展，人類對于海洋資源的開發(fā)日益頻繁。由于生理結(jié)構(gòu)的限制，人類無法自行完成水下工作，因此只能依靠水下機器人來開展各項工作。然而，傳統(tǒng)的推進方式制約了水下機器人的推進能力、效率以及機動性。因此，人們迫切需要尋找一種新的推進方式來推進水下機器人。魚類經(jīng)過上億年的進化、演變，已與自然完美地融為一體，魚類游動時其推進效率可達80％，且兼有出色的機動性能。因此仿照魚類游動的推進方式研制仿生機器魚具有重要意義。
　　 水下機器

2、人往往工作在海洋等野外環(huán)境中，人類無法為其補充能源，所以如何解決能源問題，成為水下機器人的一大難題。海洋蘊藏著取之不盡的波浪能源，通過機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，以獲取波浪能量，解決其能源問題也變得意義非凡。
　　 本文以鲹科魚類為藍本，設(shè)計多關(guān)節(jié)仿生機器魚，利用魚體關(guān)節(jié)獲取波浪能發(fā)電來解決機器魚發(fā)展的能源瓶頸。主要研究內(nèi)容如下:
　　 （一）機器魚能源自給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。首先，根據(jù)實驗室近年來的研究結(jié)果，對鲹科魚類的內(nèi)外結(jié)構(gòu)以

3、及推進方式進行了分析研究。研究結(jié)果表明，鲹科魚類魚體可近似看作為多旋轉(zhuǎn)副鏈接而成的多體系統(tǒng)，鲹科魚類正是依靠這樣的多體系統(tǒng)波動來推進的。基于以上結(jié)果，提出了將機器魚設(shè)計成多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)以提高推進效率，同時提出將關(guān)節(jié)設(shè)計成驅(qū)動-獲能兩用模式以解決機器魚能源問題。接著對機器魚兩用多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)提出總體設(shè)計思路，給出了多關(guān)節(jié)仿生機器魚設(shè)計的基本原則，提出了一些可供參考的具體方法，對機器魚結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的一些細節(jié)，如:機器魚關(guān)節(jié)長度、比例等的確定

4、方法，機器魚沉浮的調(diào)節(jié)方法以及機器魚的防水密封方法等作了研究。最后設(shè)計加工了多關(guān)節(jié)仿生機器魚原型與獲能測試關(guān)節(jié)模型。
　　 （二）機器魚能源自給系統(tǒng)的理論研究?；趧萘骼碚撆c微幅波假設(shè)，結(jié)合邊界條件，對微幅波浪的速度勢函數(shù)與波形方程進行了求解，研究分析了流場中水質(zhì)點的運動速度與軌跡規(guī)律，給出了流場中任意一點的壓力以及水波所具有的能量?；陉P(guān)節(jié)浮體單元在波浪中的受力，建立了浮體單元的動力學(xué)方程，對浮體單元在波浪中的運動進行了簡要分

5、析。對發(fā)電機的機電方程組進行了推導(dǎo)，并進行了適當簡化。結(jié)合浮體單元的動力學(xué)方程與發(fā)電機的機電方程組，建立了兩浮體單元的數(shù)學(xué)模型。
　　 （三）機器魚能源自給系統(tǒng)的數(shù)值計算方法研究。對計算多體系統(tǒng)動力學(xué)進行了簡要分析。根據(jù)兩浮體單元的動力學(xué)模型，采用有限微元法對浮體單元進行劃分，結(jié)合經(jīng)典的計算多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件ADAMS，對機器魚能源自給系統(tǒng)進行了建模仿真分析。根據(jù)該建模方法對不同物理學(xué)場景進行了仿真分析測試。其中包括:靜水中

6、浮體在干擾力作用下的旋轉(zhuǎn)運動場景;浮體自由下落沖擊水面的直線運動場景;以及波浪中浮體的復(fù)合運動場景。對各場景仿真的計算結(jié)果進行了分析，并結(jié)合靜水中浮體受干擾力作用運動實驗以及波浪中浮體運動實驗對仿真結(jié)果進行了驗證。最后，基于該數(shù)值計算方法以及軟件仿真功能，對波浪頻率、波高等波浪特性參數(shù)及機器魚關(guān)節(jié)長度、寬度、傳動比、配重塊位置等關(guān)節(jié)參數(shù)對機器魚獲能系統(tǒng)獲能特性的影響進行了仿真計算分析。
　　 （四）機器魚能源自給系統(tǒng)的實驗研究。

7、對現(xiàn)有的常用造波系統(tǒng)進行了比較分析，根據(jù)勢流理論對推板造波系統(tǒng)模型進行了計算研究。根據(jù)計算分析的結(jié)果，搭建了推板造波實驗平臺。根據(jù)機器魚能源自給系統(tǒng)的設(shè)計思路，設(shè)計了機器魚獲能測試關(guān)節(jié)，并為關(guān)節(jié)配備了各類傳感器，搭建了信號采集平臺?；谠觳▽嶒炂脚_與關(guān)節(jié)模型對關(guān)節(jié)的驅(qū)動性能及獲能特性進行了實驗研究。開展了電機克服流體阻力驅(qū)動關(guān)節(jié)擺動實驗，確認了電機的轉(zhuǎn)矩與擺速達到驅(qū)動技術(shù)要求。通過高速攝像機對測試關(guān)節(jié)在波浪中的運動進行攝像，根據(jù)攝像圖形