两关节机器鱼无升潜游动动力学建模与仿真

时间：2025-04-21

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ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＡＬＩＺＡＴＩＯＮＭ

两关节机器鱼无升潜游动动力学建模与仿真

刘英想，

刘军考，

陈维山

（哈尔滨工业大学，哈尔滨１５０００１）

摘

要：以两关节机器鱼为研究对象，建立坐标系并选取合适的广义坐标，归纳出了两关节机器鱼无升潜游动动力学的

正解和逆解问题。应用Ｌａｇｒａｎｇｅ方程，推导出了两关节机器鱼无升潜游动的动力学模型，给出了动力学模型中各个系数项的意义。通过机器鱼的动力学仿真，得到了鱼体摆动特性与机器鱼质量分布、尾部摆动频率的关系，给出了鱼体摆动对机器鱼运动学参数的影响。

关键词：机器鱼；动力学模型；鱼体摆动；Ｌａｇｒａｎｇｅ方程；动力学仿真；无升潜游动中图分类号：ＴＰ２４２．３文献标识码：Ａ文章编号：１００２－２３３３（２００７）０５－００１９－０４

ＴｈｅＤｙｎａｍｉｃＭｏｄｅＢｕｉｌｄｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＴｗｏ－ｊｏｉｎｔＦｉｓｈＲｏｂｏｔｉｎＮｏＵｐａｎｄＤｏｗｎＭｏｖｅｍｅｎｔ

ＬＩＵＹｉｎｇ－ｘｉａｎｇ，ＬＩＵＪｕｎ－ｋａｏ，ＣＨＥＮＷｅｉ－ｓｈａｎ

（ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｔａｋｅｓｔｈｅｔｗｏ－ｊｏｉｎｔｆｉｓｈｒｏｂｏｔａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｔａｒｇｅｔ．Ｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍｉｓｆｏｕｎｄｅｄ，ａｎｄｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓａｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅｐｏｓｉｔｉｖｅａｎｄｉｎｖｅｒｓｅｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｔｈｅｆｉｓｈｒｏｂｏｔｉｎｎｏｕｐａｎｄｄｏｗｎｍｏｖｅｍｅｎｔａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＬａｇｒａｎｇｅｅｑｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｏｆｔｈｅｆｉｓｈｒｏｂｏｔｉｎｎｏｕｐａｎｄｄｏｗｎｍｏｖｅｍｅｎｔｉｓｄｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｍｅａｎｉｎｇｏｆｔｈｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｉｎｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｉｓｇｉｖｅｎ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｉｓｈｒｏｂｏｔ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｗｉｎｇｏｆｔｈｅｆｉｓｈｂｏｄｙａｎｄｔｈｅｍａｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｉｓｈｒｏｂｏｔｉｓｇａｉｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｗｉｎｇｏｆｔｈｅｆｉｓｈｂｏｄｙａｎｄｔｈｅｓｗｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｔａｉｌｉｓｇａｉｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅｓｗｉｎｇｏｆｔｈｅｆｉｓｈｂｏｄｙｏｎｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｓｇａｉｎｅｄｔｏｏ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｓｈｒｏｂｏｔ；ｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅ；ｓｗｉｎｇｏｆｔｈｅｆｉｓｈｂｏｄｙ；Ｌａｇｒａｎｇｅｅｑｕａｔｉｏｎ；ｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｎｏｕｐａｎｄｄｏｗｎｍｏｖｅｍｅｎｔ

１前言推进的影响的基础，是建立多关节柔性机器鱼的三维运动动力学模型的基础。在不考虑水动力作用的条件下，通过动力学仿真，分析了影响鱼体摆动特性的主要因素以及鱼体摆动对机器鱼运动学参数的影响。

目前，仿生机器鱼的研究已成为机器人研究领域的热点，其中机器鱼的动力学是研究中的一个难点［１］。１９６１年，“二维波动板理论”，该理论中将鱼当作一Ｗｕ首次提出了

弹性薄板，是一个比较实际的用于分析鲹科模式的水动“细长体理论”用于力学理论［２］。１９７０年，Ｌｉｇｈｔｉｌｌ首次将

鲹科推进模式鱼类的水动力学分析［３］，并于１９７１年考虑

［４］

尾鳍的任意摆幅的运动，提出了“大摆幅细长体理论”。

２研究对象的选择

目前国内外已经建立的机器鱼多种多样，本文选取

两关节机器鱼来进行研究

，其结构示意图见图１，机器鱼由鱼体、尾柄、尾鳍和胸鳍组成，鱼体和尾柄之间以及尾柄和尾鳍部之间均采用转动关节联接。机器鱼通过尾柄和尾鳍的摆动击水产生向前的推进力。两关节机器鱼是

多关节机器鱼的最简形式，其分析理论具有普遍意义。