摘 要

本文的主要目的是设计一个能够游动的仿生机器鱼。整个设计过程分为鱼类运动学与动力学分析、机器鱼机械结构的设计、控制系统的设计以及利用ADAMS进行仿真。

首先对机器鱼进行运动学与动力学分析，找到运动规律以及动力学模型。

机器鱼机械结构的设计分为以下几部分。首先是机器鱼的外壳，要设计成阻力较小的流线型：其次是推进部分设计，选择三关节串联的形式在舵机的驱动下进行游动，并通过理论计算选择合适的舵机；然后是升潜部分的设计，这里采用调节重心的方法，选择合适的配重块并计算出俯仰角度的变化函数，实现机器鱼的升潜运动；最后是设计月牙形尾鳍。

机器鱼的硬件部分包括电源、无线通信模块和控制电路。电源部分采用镍氢电池串联来实现。无线通信采用RF1100-232 无线收发模块来实现。控制电路的主要作用是通过无线接收模块接收上位机的命令并且通过运算控制舵机的运转，从而控制机器鱼的运动。

利用ADAMS软件对所设计的机器鱼模型进行仿真，观察其运动并分析机器鱼整体结构是否符合要求。做出机器鱼静止状态下启动的加速度、速度、位移曲线，分析机器鱼的运动规律，并进行误差分析。

关键词：仿生学；机器鱼；多关节；可升潜；

Abstract

The main purpose of this paper is to design a bionic machine fish that can swim. The whole design process is divided into fish kinematics and dynamics analysis, the design of mechanical structure of the robot, the design of the control system and the simulation using ADAMS.

First, the kinematics and dynamics of the robot fish were analyzed, and the motion law and the dynamic model were found.

The design of the mechanical structure of the machine fish is divided into the following parts. The first is the shell of the machine fish, to be designed as a less restrictive streamlined: followed by the propulsion part of the design, the choice of three joint series in the form of steering gear driven by swimming, and through the theoretical calculation to select the appropriate steering gear; In this way, the method of adjusting the center of gravity is used to select the appropriate counterweight and calculate the change function of the pitch angle to realize the lifting movement of the fish. Finally, the crescent-shaped tail fins are designed.

The hardware part of the machine fish includes power, wireless communication module and control circuit. Power supply part of the use of nickel-metal hydride batteries in series to achieve. Wireless communication using RF1100-232 wireless transceiver module to achieve. The main function of the control circuit is to receive the command of the host computer through the wireless receiving module and control the operation of the steering gear through the operation to control the movement of the machine fish.

Using the ADAMS software to simulate the designed fish model, observe its movement and analyze whether the overall structure of the robot fish meets the requirements. The acceleration, velocity and displacement curve of the robot fish are analyzed, and the movement law of the fish is analyzed and the error analysis is carried out.and improvement work.

Key Words：Bionics; robotic fish; multi-joint; may go up potential;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题研究的背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 设计的基本任务、内容 4

第2章 机器鱼的运动学与动力学分析 5

2.1 鱼类游动机理与仿生对象的选择 5

2.2 机器鱼的动力学分析 5

2.2.1 推进力的分析 6

2.2.2 阻力分析 7

2.2.3 机器鱼的运动学模型 8

第3章 机器鱼机械结构设计 12

3.1 壳体模型的设计 12

3.2 驱动机构设计 12

3.3 舵机的选型 13

3.4 机器鱼浮潜运动机构 15

3.5 尾鳍模型 20

3.6 机器鱼的密封 20

第4章 机器鱼硬件系统设计 22

4.1 总体方案 22

4.2 控制器的选择 22

4.3 无线通信模块 23

4.4 主控电路板 24

4.5 供电模块 24

第5章 ADAMS仿真 25

5.1 仿真过程 25

5.2仿真结果 26

5.3结论 29

第6章 机器鱼的发展展望 29

致 谢 30

参考文献 I

绪论

选题研究的背景和意义

随着人类文明的发展，可供开采与利用的土地资源正在下降和枯竭。陆地仅占全球面积的29%，而剩下的广袤的海洋资源亟待人们进行发掘。海洋具有良好的生物多样性，矿产储量丰富。伴随着科技发展水平的进步，越来越多的海洋资源被发现和利用。具有海洋勘测，海床勘探，海上救助，海底管线检测，水下探测跟踪的潜艇机器人已成为探索海洋、发展海洋和海洋防御的重要手段。

数百万年的演变和自然选择使鱼类在海洋生物中的形态多样多样，游泳能力强大，如金枪鱼可以高速、高效游泳，黄鳍金枪鱼爆发速度高40节（海里每小时），梭子鱼可即时加速，乔尔泰加速性能达20g（g为重力加速度），鳗鱼可以通过狭窄的孔灵活;另外，鱼类的转弯半径一般为鱼体长度的0.1-0.3倍并且转向时不需要减速，然而大型船转弯半径大约为其长度，而且需要在转弯前减速一半左右。同时，一些鱼的游泳效率几乎达到90％，远远超出了船舶的效率。鱼通过各种鳍的协同运动来控制和利用水的涡流获得快速高效、能耗低、噪音小和机动性高的特性，机器鱼被越来越多的科研人员所青睐。

由于螺旋桨在转动推进航行器过程中在涡流方向会产生偏差，与鱼类运动方式恰好相反的水下航行器的推进方式能耗相对较大，推进效率相对较低，噪声较大。未来，如果对鱼类推进原理的研究取得突破，可以取代这种高耗能和噪音大的推进方式，必将带动海洋运输的革命性进步。在实际应用中，仿生机器鱼在以下领域将会扮演越来越重要的角色：