论文总字数：35854字

摘 要

仿生学作为当今较新的一门学科，是对自然界生物的优秀性能特性进行探索，促进科学技术的发展。如飞鱼导弹便是模仿飞鱼靠近水面滑翔飞行的产物之一。这种导弹从飞机上发射，然后近水飞行，舰艇上的雷达很难发现。可以说飞鱼的跃水行为为人类导弹事业作出了杰出贡献。

本文在对飞鱼仿生研究的基础上，从揭示飞鱼跃水行为的运动机理入手。对飞鱼整个水下游动、跃水时和空气滑翔过程的运动学进行了分析，并利用matlab建立了运动学模型和数值仿真。然后使用PROE设计仿生机构，可以实现水下游泳、跃水、滑翔等三个运动过程。并对其进行模块化，用于让整个飞鱼机器人实现完整的跃水行为。最后使用Adams验证机构的可行性和设计的合理性。

本研究中的飞鱼机器人具备了传统的仿生机器鱼所不具备的跃水与滑翔功能。通过本研究，为近水面跃水机器人的开发提供了理论依据和新思路。为扩大人造机器鱼的运动空间和开发新型近水面的载体或者机器提供了科学依据。

关键词：飞鱼，跃水，运动学仿真，机构设计，仿生机器人

Abstract

Bionics is to explore the splendid characteristics of the creatures in the nature to promote the development of science and technology. For example, The flying fish missile is a kind of product which imitates the glide of the flying fish near the water surface. The missile is launched from the plane and glides near the surface of the water, which is difficult for the ship's radar to find it. It is admitted that the flying fish’s jumping behavior has made outstanding contributions to the design of human missile.

Based on the bionic research of flying fish, it starts from revealing the motion mechanism of flying fish's jumping behavior. It analyzes the kinematics of flying fish's whole underwater swimming, jumping water and air gliding process, and establishes kinematics model and numerical simulation by using MATLAB. Then ProE is used to design a bionic mechanism that can achieve underwater swimming, jumping and gliding, and modularized it to achieve the complete jumping behavior near the surface of the flying fish robot. Finally Adams is used to verify the feasibility of the mechanism.

The bionic robot fish in this study has the function of jumping water and gliding which the traditional one does not have. Through this study, it provides a scientific basis for developing the motion space of the robotic fish and developing a new type of carrier which works near the surface. It provides a scientific basis for expanding the motion space of artificial robotic fish and developing a new type of carrier or machine near the water surface.

KEY WORDS:Flying fish, leaping, kinematics simulation, mechanical design, bio-robot

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 3

1.1 仿生鱼研究的背景及现状 3

1.1.1 选题背景及意义 3

1.1.2 仿生鱼研究的背景及现状 3

1.2 仿生鱼的特点与存在的问题 3

1.2.1 鱼类游动方式与仿生鱼的特点 3

1.2.2 飞鱼简介 4

1.2.3 仿生鱼研究所存在的主要问题 5

1.3 本文的主要研究内容 3

第二章 仿生飞鱼的运动学建模与仿真 5

2.1 引言 5

2.2 运动学与动力学模型的介绍 5

2.2.1 运动学模型介绍 5

2.2.2 动力学模型介绍 12

2.3 运动学模型的建立 13

2.3.1 水下运动的运动学模型 13

2.3.2 跃水瞬间的运动学模型 17

2.3.3 空中滑翔的运动学模型 18

2.3.4 运动学模型的仿真验证 19

2.4 本章小结 25

第三章 飞鱼机器人的三维模型的建立 26

3.1 引言 26

3.2 模型的建立依据 26

3.2.1 飞鱼身体结构分析 26

3.2.2 飞鱼机器人建模设想 26

3.3 飞鱼机器人三维模型建立 27

3.3.1 鱼皮的模块化设计与三维建模 27

3.3.2 机构的模块化设计与三维建模 30

3.3.3 三维建模 33

3.4 本章小结 33

第四章 飞鱼机器人机构的仿真验证 34

4.1 引言 34

4.2 建模基础 34

4.2.1 广义坐标的选择 34

4.2.2 运动学与动力学方程的建立与求解 34

4.2.3 设计流程 35

4.3 飞鱼机器人机构可行性的验证 37

4.3.1 胸鳍传动机构的验证 37

4.3.2 腹鳍转向机构的验证 40

4.3.3 尾鳍传动机构的验证 43

4.4 本章小结 49

第五章 结论 50

致谢 51

参考文献 52

附录 54

绪论

仿生鱼研究的背景及现状

选题背景及意义

仿生学作为当今较新的一门学科，在各个方面都得到了极大比比率的运用。它是对自然界中的各种生物自身携带的优秀性能和特性进行探索，为工程技术的研究和发展提供新的理论和原则，并开发出一系列新的仿生学产品，最终促进科学技术的发展，造福于人类。而基于这些理论和原理形成新的技术，并通过缜密的验证开发出新产品是仿生技术研究的主要任务，二者合一便构成了仿生学这一新的研究领域。

仿生学的重要程度不言而喻。它是一个新兴的科技领域，在军事方面也得到了强有力的运用。美国国防部基础研究计划中将仿生学这一领域列为六大战略领域之首，这足以说明其重要程度。

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