摘 要

随着人类对海洋的不断探索和逐步开发，无人水下系统得到了较快的发展，为了满足现代科技生活的需要，人们对开始对以鱼类为代表的水下生物进行仿生并根据其结构和运动特性设计出水下仿生机器人。随着人们对鱼类的大量研究，人们开始将目光转向水母身上，水母具备较高的环境适应性和运动灵活性。与此同时，它的流体推进能力更具有高效性，对其进行仿生，更加有助于实现对海洋的观测、侦察、运载以及开采等，在各个领域体现出广阔的应用前景和巨大的潜在价值。本文以水母为研究对象，通过分析其结构和运动特性，了解其运动规律并对其结构和动力学特征加以简化，建立起基本的物理结构模型，再进行动力学分析。建立仿生水母机器人的三维模型，即通过四条机器臂的往复摆动带动覆盖在整个水母机器人表面的硅胶外皮模拟水母的钟状体，机械臂连于机器人身部，身体内部有电源和控制系统等部件。在动力学理论分析可行的前提下，应用ADAMS软件，对水母机器人进行动力学分析和动力学仿真。最后设计控制系统，根据动力学和仿生学分析水母需要实现的基本运动方式，检验设计内容的可行性和可靠性。

关键词：仿生水母；运动机理；ADAMS；仿真

Abstract

With the gradual development and continuous exploration of the ocean, the unmanned underwater system has developed rapidly. In order to meet the needs of modern scientific and technological life, people begin to bionic the underwater creatures represented by fish and design the underwater bionic robot according to its structure and motion characteristics. With a large amount of studies on fish, people began to pay their attention to jellyfish, which has higher environmental adaptability and mobility flexibility. At the same time, its fluid propulsion ability is more efficient, bionic, more conducive to the realization of ocean observation, reconnaissance, transportation and mining, etc.. Jellyfish is used as the research sample. We analyze its structure and motion characteristics, understand its motion law and simplify its structure and dynamic characteristics, establish the basic physical structure model, and then carry on the dynamic analysis. A three-dimensional model of the bionic jellyfish robot is established, which is to simulate the bell like body of jellyfish through the silicon skin covering the whole surface of the robot driven by the reciprocating swing of four robot arms. There are power supply and control system and other components inside the body. The software ADAMS is used to analyze and simulate the jellyfish robot in the water. Finally, the control system is designed to analyze the basic motion mode of jellyfish according to dynamics and bionics, and to test the feasibility and reliability of the design content.

Key words: bionic jellyfish; motion mechanism; ADAMS; simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 3

1.2.3 现有研究存在的不足 4

1.3 论文主要内容 4

第2章 仿生水母机器人的结构设计 6

2.1 仿生水母机器人的结构设计思路 6

2.2 仿生水母机器人的结构设计 7

2.2.1 仿生水母机器人的整体结构 7

2.2.2 机械臂的设计 8

2.2.3 头部设计 10

2.2.4 箱体设计 11

2.2.5 转向机构设计 12

2.2.6 硅胶外皮连接设计 14

2.3 驱动系统的选用 14

2.4 电源的选择 14

2.5 控制系统设计 14

2.6 小结 15

第3章 水母机器人的仿生学基础及简要动力学分析 16

3.1 仿生水母的运动特性及参数描述 16

3.1.1 水下生物的推进模式及分类 16

3.1.2 水母的运动过程分析 17

3.2 仿生水母机器人的动力学分析 18

3.3 机械臂的动力学分析 22

3.4 重心和浮力的计算 24

3.5 转向系统分析 25

3.6 水母机器人的受力分析及减阻设计 26

3.7 小结 26

第4章 水母机器人的动力学仿真 27

第5章 总结 31

参考文献 33

致 谢 34

第1章 绪论

1.1 研究背景

追溯到很久以前，地球全部被水覆盖，生命的起源也源自于水。现在我们所生活的地球上，其表面约有71%的面积被海洋所覆盖，而人类绝大多数都生活在仅仅只占地球表面29%的陆地上，人们的足迹已经踏遍了陆地但对海洋的了解却知之甚少。海洋中的资源极其丰富且很多还未被人类所探测和开发，而这些海洋资源多数在深海区域，凭借人类自身是无法直接探索和开采的，故对水下环境的探索、信息的收集和资源的开采需要依赖于机器人，而仿生机器人是一种很好的解决方案。

科学家们的发明创造的灵感很多时候都是来自于自然界，所以仿生学是一门非常重要的学科。仿生学在我们的现实生活中已经得到了大量的应用，目前一些应用仿生学的设备已经被应用于各种特定场合，具有良好的应用前景和广阔的市场。随着仿生技术、控制技术和制造技术的飞速发展，人们正朝着材料与结构一体化的柔性驱动方向发展 ^[1]。