仿生机器鱼研究进展及发展趋势_王扬威

　

第27卷第2期2011年4月机械设计与研究M a c h i n e D e s i g n a n dR e s e a r c h V o l .27N o .2

A p r .,2011

收稿日期:2010-05-10

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50775049);机器人技术与系

统国家重点实验室(哈尔滨工业大学)自主资助研究课题(S K L R S 200805C )

文章编号:1006-2343(2011)02-022-04

仿生机器鱼研究进展及发展趋势

王扬威,王振龙,李　健

(哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨　150001,E -m a i l :w y w k l y @126.c o m )

摘　要:随着海洋资源开发和利用的深入,仿生机器鱼已成为水下机器人研究的热点问题。文中介绍了仿生机器鱼的分类,分析了各类型的游动特点。对鱼类游动机理和仿生机器鱼的研究现状进行了综述,总结了仿生机器鱼研究的关键技术和未来发展趋势。

关键词:海洋资源;水下机器人;仿生机器鱼中图分类号:T P 242.3 文献标识码:A

R e s e a r c hD e v e l o p m e n t a n dT e n d e n c y o f B i o m i m e t i c R o b o t F i s h

W A N GY a n g -w e i ,W A N GZ h e n -l o n g ,L I J i a n

(S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f R o b o t i c s a n d S y s t e m ,H a r b i nI n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ,H a r b i n 150001,C h i n a ) A b s t r a c t :B i o m i m e t i c r o b o t f i s h h a s b e c o m e a r e s e a r c h f o c u s i n u n d e r w a t e r r o b o t d o m a i n w i t h t h e e x p l o i t a t i o n a n d u t i l i z a t i o n o f o c e a n i c r e s o u r c e s .T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e c a t e g o r i e s o f b i o m i m e t i c r o b o t f i s ha n da n a l y s e s t h ec h a r a c -t e r i s t i c s o f t h e v a r i o u s s w i m m i n g t y p e s f i r s t l y .T h e n t h e r e s e a r c h s t a t u s i nq u o o f f i s hs w i m m i n g t h e o r y a n d b i o m i m e t i c r o b o t f i s h i s r e v i e w e d .A t l a s t t h e k e y t e c h n o l o g i e s a n d t h e d e v e l o p i n gt e n d e n c y o f b i o m i m e t i c r o b o t f i s h i s d i s c u s s e d .

K e y w o r d s :o c e a n i c r e s o u r c e s ;u n d e r w a t e r r o b o t ;b i o m i m e t i c r o b o t f i s h

伴随着人类文明的发展,可开采和利用的陆地资源正日益减少和枯竭。海洋面积占地球面积的71%,海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源。21世纪是海洋的世纪,人类开发海洋和利用海洋的脚步,随着科技的发展逐渐加快。具有海洋勘测、海底探查、海洋救捞、海底管道检测、以及水下侦查和跟踪功能的水下机器人,已成为探索海洋、开发海洋和海洋防卫的重要工具。

采用传统螺旋桨推进器的水下机器人,在螺旋桨旋转推进过程中会产生侧向的涡流,增加能量消耗、降低推进效率,且有噪声。海洋生物中的鱼类,种类繁多、形态各异,经过亿万年的进化,使其具有了非凡的游动能力。鱼类通过身体运动推动周围的水,以此来获得推进力,对于涡流的精确控制使得鱼类游动推进效率高、机动性好。模仿鱼类的游动推进模式,研制出高效低噪、灵活机动的仿生机器鱼,用以进行水下复杂环境作业,已经成为研究人员追求的目标。

随着机电一体化技术、计算机技术、流体力学和仿生学等相关学科的发展,研究人员研制出了多种仿生机器鱼。现有的机器鱼已经可以模仿鱼类的多种运动模式。但是,现有的仿生机器鱼还难以满足实用性的要求。仿生机器鱼难以实现完全柔性的推进运动,推进效率难以与鱼类媲美,机动性和稳定性还存在不足,操纵性、智能控制、通讯等问题还有待解决。

1　仿生机器鱼的分类及特点

仿生机器鱼是通过模仿鱼类的游动方式来实现推进的,其分类可以依据鱼类游动分类方式进行划分。根据鱼类游动使用的身体部位不同可以将鱼类游动分为身体和/或尾鳍推进(B o d y a n d /o r c a u d a l f i np r o p u l s i o n ,B C F )模式及中鳍和/或对鳍推进(M e d i a a n d /o r p a i r e d f i np r o p u l s i o n ,M P F )模式(见图1),每种模式又可分为几个小类[1]。纯波动是指游动时推进波波数不少于1,而纯摆动小于0.5。B C F 模式和M P F 模式均包括了从纯波动到纯摆动的推进方式。

B C F 模式通过波动身体的某部分和尾鳍,形成向后的推进波,包括鳗鲡模式、亚鲹科模式、鲹科模式、鲔科模式和箱鲀科模式。大多数鱼类,都采用这种推进方式。B C F 模式可实现连续、快速、高效率的游动。

多数鱼类的背鳍、臀鳍、胸鳍和腹鳍只用于辅助推进、调整姿态,但占鱼类总数约15%的M P F 模式的鱼类却以这些鳍作为主要推进部件。M P F 模式游动速度慢,但稳定性好、机动性高。

2　仿生机器鱼研究现状

鱼类是海洋和淡水中最常见的游动生物,其具有的低阻力外形和高效、灵活的游动方式是人类水下航行器设计的重要参考。鱼类游动机理的研究是仿生机器鱼设计研究的基础。对于鱼类游动机理的研究开展的较早,在观测和实验的基础上,相继建立了多种游动推进理论。20世纪90年代以后,随着相关技术的发展,研究人员研制出真正意义上的模仿鱼类游动模式的机器鱼。

△图1　鱼类推进方式分类[1] 2.1　鱼类游动机理研究进展

生物学家和有关机构对鱼类游动机理进行了大量的研究,并创建了相应的推进理论。按照选取的主要作用力不同,目前的波动推进理论可以分为抗力理论(R e s i s t i v ef o r c e t h e o r y)和反作用力理论(R e a c t i v ef o r c et h e o r y)两大类,前者

强调水的粘性力作用,后者强调推进器在无粘流体中波动时的惯性力[2]。反作用力理论发展迅速,相对较为完善并用于

实际计算的主要有细长体理论(E l o n g a t e db o d yt h e o r y,简称

E B T)、波动板理论(Wa v e p l a t e t h e o r y)和作动盘理论(A c t u a-t o r-d i s c t h e o r y)三种。

2.1.1　抗力理论

最早关于水生动物游动的流体动力学定量分析始于1950年,当时G e o f f r e y T a y l o r率先对微生物和蠕虫进行细长体流动分析,着重考虑粘性力建立了抗力理论[3]。抗力理论

通过分析流体与机体之间相互作用的静力学平衡来分析推

进机构的动力学,同时对热力学和运动学的约束加以考虑。

抗力理论能够很好地解释微小水生动物的运动规律,但由于忽略了流体运动的惯性力,仅适用于微小水生动物游动时雷诺数很低(雷诺数小于1)的情况。

2.1.2　细长体理论

L i g h t h i l l提出了“细长体理论”和“大摆幅细长体理论”[4],将细长鱼身的运动放在横流截面中来研究,从而将三维非定常流动简化为准平面非定常流动,采用扰动原理对微分方程进行简化,推导出了只与推进器尾端横截面流动参数相关的推力和推进效率计算公式。该理论广泛用于分析鳗鲡、鲹科和鲔科推进模式。

2.1.3　波动板理论

1960年,吴耀祖应用势流理论和线性边界层条件对柔性二维波动板的推进性能进行了研究,提出了“二维波动板理论”[5]。此后,童秉纲等将二维波动板模型推广到三维情况,基于小幅波动面的线性非定常势流理论研究了任意平面形状、展弦比的波动板,建立了三维波动板理论[6]。该理论利用势流理论中的涡环面元法同时在时域和频域内进行求解,使用半解析半数值方法给出的三维非定常线性解证实了

细长体理论所揭示的定性规律。

2.1.4　作动盘理论

作动盘理论是动量原

理在流体动力学中的特殊

应用,其基本原理是将作

用于流体上的推进机构简

化为理想装置———“作动

盘”,当流体流经作动盘

时其周围压强增大,通过

对整个作动盘表面上的压

强增量进行积分计算出流

体对其产生的推力[7]。

作动盘理论的主要优点是

不需要获得推进机构的详

细动力学特性,然而鱼类

正是通过对涡的生成、脱落、耗散全过程灵活自如的控制来实现高效推进,尾迹中不可避免地存在脱落的涡而且其能量消耗不可忽略,很难完全满足上述假设条件。

2.2　仿生机器鱼研究进展

目前,国内外研究比较广泛的是采用B C F模式推进的仿生机器鱼。但近年来,由于机动性好、稳定性高等优点,使得M P F模式的机器鱼受到越来越多研究人员的关注。

2.2.1　B C F模式仿生机器鱼

(1)模仿鳗鲡式游动的仿生机器鱼

鳗鲡式的推进效率与波的传播速度有关,波的传播速度越快,推进效率就越高。美国东北大学海洋科学中心研制的鳗鲡模式游动的机器七鳃鳗[8](见图2),利用电流加热的10条Ф250μm的T i N i丝作为致动器,结构简单,游动时无噪音,具有极佳的隐蔽性能。北京航空航天大学是国内开展机器鱼研究最早的单位之一,于1999年研制了模仿银龙鱼波动游动的机器鳗鱼[9]。

△图2　机器七鳃鳗[8]

(2)模仿鲹科、亚鲹科游动模式的仿生机器鱼

英国埃塞克斯大学研制成功具有自主控制能力的、电动机驱动的机器鱼(见图3),并在伦敦水族馆进行了展览[10]。美国弗罗里达工业大学的S h i n j o等根据动物的弹性机制,提出了S M A驱动的尾鳍摆动推进仿生鲣鱼[11]设想。

△图3　机器鱼[10]

(3)模仿鲔科游动模式的仿生机器鱼

美国麻省理工学院(M I T)通过对金枪鱼的长期研究,成功研制出世界第一条仿生机

器金枪鱼———“R o b o

T u n a”[12](见图4),长约1.2

m,游速达7.2k m/h。证明

了仿生机器鱼比现有的无人

水下潜器(U n m a n n e dU n d e r-

23

第2期 王扬威等:仿生机器鱼研究进展及发展趋势

△图4　机器金枪鱼

[12]

w a t e r V e h i c l e ,简称U U V )的推进效率更高。2004年,北京航空航天大学机器人研究所和中国科学院自动化所合作研究的“S P C-Ⅱ仿生机器鱼”[13]由动力推进系统、图像采集和图像信号无线传

输系统、计算机指挥控制平台3部分组成,主要制造材料为玻璃钢和纤维板。它的最高时速可达1.5m/s ,能够在水下连续工作2至3小时。哈尔滨工程大学的仿生水下机器鱼“仿生—Ⅰ”号[14],以蓝鳍金枪鱼为蓝本,长2.4m ,最大直径0.62m ,排水量320k g ,负载能力70k g ,潜深10m ,配有月牙形尾鳍和一对联动胸鳍。尾鳍摆动1.33H z 时,航速达1.2m/s 。中国科学技术大学精密机械与仪器系章永华等人,基于活鱼的解剖结构,采用形状记忆合金弹簧作为仿生驱动器,设计了模拟新月型尾鳍鱼类游动的机构[15]。

(4)模仿箱鲀科游动模式的仿生机器鱼

瑞士技术学院研制了“B o x y B o t ”[16]机器鱼(见图5),该机器鱼采用直流电机驱动,有仿箱鲀科游动模式的尾鳍和仿隆头鱼的胸鳍,可以实现多种运动

。

△图5　B o x y B o t 机器鱼

[16]

2.2.2　M P F 模式仿生机器鱼

(1)模仿鳐科游动模式的机器鱼

鳐科模式推进效率较高、稳定性好、机动性高。近年来,各国推出了多种模拟鳐鱼、乌贼等鳍推进的仿生水下机器人,它们游动时没有侧向摇动

。

△图6　仿鳐鱼机器人[17]

爱沙尼亚塔尔图大学于2004年研制了具有一对水平胸鳍的仿鳐鱼机器人

[17]

(见图6),游速约5m m/s 。每个胸鳍

由8个40m m 长的瓶状I P M C 致动器和弹性鳍膜构成。

新加坡南洋理工大学于2005年开发了电动机驱动的胸鳍波动推进机器墨鱼[18],质量约9k g ,由分布在身体左右两侧的两个由硬片镶嵌而成的鳍推进,10个鳍条为上下平动,最大游速20c m /s 。2006年日本大阪大学研发成功一种模拟长鳍乌贼鳍波动游动的机器乌贼[19],它采用电动机驱动刚性鳍条绕着根部做扇形摆动,水平鳍做正弦状波动的游动

方式。

国内近年来也开始了对水平鳍推进仿生水下机器人的研究。北京航空航天大学开发了电动机驱动的、两个胸鳍同步动作的机器蝠鲼[20]。浙江大学于2007年研制了电机驱动仿墨鱼鳍波动推进的仿生鱼探测器[21]。国防科学技术大学研制了电机驱动“牛鼻鲼-I ”号机器鱼[22],实现了前进、后退和转弯功能。

(2)模仿刺鲀科游动模式的机器鱼△图7　B a s s Ⅲ机器鱼[23]

日本东海大学于2000年研制成功的电动机驱动胸鳍划动推进机器鱼B a s s Ⅱ,能前后游动、原地转弯以及在水平面内无偏航地侧游。该大学还研制了机器鱼B a s s Ⅲ[23](见图7)。国内中国

科学技术大学建立了仿生水下机器人R o b o -M a c k e r e l [24]

胸鳍

划动模式下游动的物理模型,并进行了机械胸鳍划动的运动学分析。

(3)模仿背鳍和臀鳍游动模式的机器鱼△图8　带状鳍推进装置[25]

背鳍/臀鳍游动模式的机器鱼是利用在水下机器人基体背部或臀部、腹部的波动鳍进行推进。美国东北大学开发了模拟裸背电鳗目辐

鳍鱼纲魔鬼刀鱼的臀鳍带状

鳍推进装置[25](见图8),鳍由16根鳍条和安装在鳍条上的

弹性鳍膜构成。国内国防科技大学对长背鳍推进的尼罗河魔鬼鱼进行了深入研究[26],估算了其推力、功率和效率,进行了波动鳍理论分析和流体动力学分析,并研制了长400m m 的背鳍波动推进器及其测控系统。

3　仿生机器鱼研究的关键技术及发展趋势

3.1　鱼类游动机理

目前的抗力理论、细长体理论、波动板理论、作动盘理论等多种波动推进理论都试图通过对鱼类游动过程中的旋涡和湍流等因素进行不同程度的简化和假设,将鱼类游动过程中三维、非定常的流固耦合作用过程,用流体力学理论的解析方法进行计算。但推力和推进效率等参数的计算结果与实验数据之间还存在较大差异,计算结果仅能用于仿生机器鱼设计的定性参考。研究能够准确反映鱼类游动过程的推进理论,为仿生机器鱼研究提供理论基础,是仿生机器鱼研究的重要内容。3.2　驱动材料

仿生机器鱼诞生以来,电动机一直占据致动器的主导地

位,其优点是机器鱼推进结构易于实现,操控简单。其缺点

24

机械设计与研究 第27卷

是结构复杂、体积大、质量大、需传动装置、存在较大噪音。近年来,智能材料因其与动物肌肉的相似性、具有传感功能等优点,越来越受到研究人员关注。采用智能材料的机器鱼推进机构不需或只需很少的传动部件、可电驱动、可实现微型化。智能材料的发展及其智能控制理论的进步,将使仿生机器鱼的结构更加简化,推进性能得到提升。

3.3　仿生机器鱼推进技术

鱼类主要依靠身体和鳍的柔性弯曲摆动实现游动。这种柔性弯曲摆动运动可以视为鱼类游动的简化。研制一种仿生的柔性摆动模块,通过多种方式的相互连接实现模拟鱼类的柔性游动,从而可简化仿生机器鱼的设计。现在已有一些仿生推进器采用模块化结构,如美国东北大学开发的臀鳍推进器采用了16个相同的模块。模块的不同组合可形成不同的推进方式,如将臀鳍推进器采用的模块化的鳍条水平放置,则可形成鳐科模式推进动作。

现有的仿生机器鱼推进器具有了一定的动作柔性,但动作的柔性还远不如水中生物,推进动作的柔性化将提高游动仿生机器鱼的推进效率和适应性。结构的柔性化才能真正实现推进动作的柔性化。大多数游动动物的身体都是柔性的,游动时不会出现尖锐拐角的情况,从而可延缓身体后部湍流的产生,吸收流体的湍动,减少湍流、阻力和艉迹。柔性结构还能减小水流等外力对身体的冲击力。

3.4　仿生机器鱼控制技术

仿生机器鱼的控制主要包括路径规划、游动姿态控制和协作控制。要想使机器鱼准确的到达指定位置,并且能够在游动过程中躲避障碍物,就必须利用各种传感器对游动过程中的状态参数进行测量,并结合控制算法对机器鱼的运动进行实时控制。建立精确的运动模型是机器鱼控制的基础,神经网络等先进控制方法的应用是机器鱼实现高机动性和高稳定性的关键,群体协作与协调控制是仿生机器鱼实用性的前提条件。

3.5　仿生机器鱼的能源供给

仿生机器鱼的续航能力是制约其水下活动的关键。大多数的机器鱼都采用电池作为能源,但受体积和重量的制约使得机器鱼往往只能在水下工作几小时。伴随着相关技术的发展,太阳能、波浪能和潮汐能等新型能源,成为机器鱼获得能源补给的新途径。通过结构优化和增加辅助装置使机器鱼能够在水下获得持续的能源供给是仿生机器鱼研究的重要方向。

3.6　水下通讯技术

在水下作业时,仿生机器鱼的控制指令、游动状态反馈和图像信息的传输,主要依赖水声通讯来实现,由于声音在水中的传播速度远远低于光速,因此产生很大传输时延,难以对机器鱼实现实时控制,而且传输距离还受载波频率和发射孔率的限制。近年来,科研人员采用G P S通讯设备来为机器鱼提供定位和导航,但机器鱼只能通过定期的上浮来进行通讯,不能从根本上实现实时控制。具有传输范围广、延时小、准确率高等特点的水下通讯技术的研究将大大推动仿生机器鱼的研究。4　结　论

仿生机器鱼已成为仿生机器人研究的热点。具有推进效率高、耗能少、噪声低、机动性强等特点的仿生机器鱼是研究人员一直追求的目标。游动机理、驱动材料、推进技术、控制技术、能源供给和水下通讯技术将是未来仿生机器鱼研究的关键问题。仿生机器鱼是未来水下机器人的重要组成部分,随着相关技术的发展,仿生机器鱼的功能日趋完善,必然成为人类探索海洋的重要工具。

参考文献

[1]M i c h a e l S,L a n eDM.,D a v i e s J BC.R e v i e wo f F i s hS w i m m i n g

M o d e s f o r A q u a t i c L o c o m o t i o n[J].J o u r n a l o f O c e a n i c

E n g i n e e r i n g,1999,24(2):237～252.

[2]张代兵.波动鳍仿生水下推进器及其控制方法研究[D].长沙:

国防科学技术大学,2007.

[3]T a y l o r GI.A n a l y s i s o f S w i m m i n g o f L o n gN a r r o wA n i m a l s[C]//

P r o c.R.S o c.L o n d,1952.158～183.

[4]L i g h t h i l lM J.L a r g e-a m o l i t u d e e l o n g a t e d-b o d yt h e o r y o ff i s h

l o c o m o t i o n[C]//T h e R o y a l S o c i e t y o f L o n d o n.S e r i e s B,B i o l o g i c a l S c i e n c e s.L o n d o n:1971.125～138.

[5]W uTY.S w i m m i n g o f a w a v i n g p l a t e[J].J o u r n a l o f F l u i d M e c h,

1961.10(3):321～344.

[6]童秉纲,王安平.三维波动板加速运动的推进性能研究[J].空

气动力学学报,1991.9(3):285～293.

[7]F i n n e m o r e EJ,F r a n z i n i J B.流体力学及其工程应用[M].北

京:机械工业出版社,2006.

[8]A y e r s J,Wi l b u r C,O l c o t t C.L a m p r e y R o b o t s[C]//P r o c e e d i n g s

o f t h eI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u m o n A q u aB i o m e c h a n i s m s.T o k a i U n i v e r s i t y:2000.

[9]梁建宏,王田苗,魏洪兴.水下仿生机器鱼的研究进展I———鱼

类推进机理[J].机器人,2002,24(2):107～111.

[10]L i uJ,D u k e s I,H uH.N o v e l M e c h a t r o n i c s D e s i g nf o r aR o b o t i c

F i s h[C]//I E E E/R S JI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo n I n t e l l i g e n t

R o b o t s a n d S y s t e m s,2005.2077～2082.

[11]S h i n j o N,S w a i n GW.U s e o f a S h a p e M e m o r y A l l o y f o r t h e D e s i g n

o f a nO s c i l l a t o r yP r o p u l s i o n S y s t e m[J].2004I E E E J o u r n a l o f O c e a n i c E n g i n e e r i n g,2004,29(3):750～755.

[12]T e c h e t A H,H o v e rF S,T r i a n t a f y l l o u M S.S e p a r a t i o n a n d

T u r b u l e n c e C o n t r o l i n B i o m i m e t i c F l o w s[J].F l o w,T u r b u l e n c e a n d

C o m b u s t i o n,2003,71(4):105～118.

[13]粱建宏,邹　丹,王　松,等.S P C-Ⅱ机器鱼平台及其自主航

行实验[J].北京航空航天大学学报,2005,31(7):709～713.

[14]成　巍,苏玉民,秦再白,等.一种仿生水下机器人的研究进展

[J].船舶工程,2004,26(1):5～8.

[15]章永华,马记,何建慧,吴月,杨杰.基于人工肌肉的仿生机器鱼

关节机构设计与力学分析[J].机器人,2006,28(1):40～44.

[16]L a c h a tD,C r e s p iA,I j s p e e r t A J.B o x y B o t:as w i m m i n ga n d

c r a w l i n g f i s hr o b o t c o n t r o l l e

d b y ac

e n t r a l p a t t e r ng e n e r a t o r[C]//

I E E E/R A S-E M B S I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n B i o m e d i c a l R o b o t i c s

a n dB i o m e c h a t r o n i c s B i o R o b.I E E E,2006.643～648.

[17]P u n n i n gA,A n t o nM,K r u u s m a a M,e t a l.AB i o l o g i c a l l y I n s p i r e d

R a y-l i k eU n d e r w a t e rR o b o tw i t hE l e c t r o a c t i v eP o l y m e rP e c t o r a l

F i n s[J].P r o c.o fI E E E/I n t.C o n f.o n M e c h a t r o n i c s a n d

R o b o t i c s,2004,2:241～245.

[18]Wi l l y A,L o wKH.I n i t i a l E x p e r i m e n t a l I n v e s t i g a t i o n o f U n d u l a t i n g

F i n[C]//2005I E E E/R S J I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o nI n t e l l i g e n t

R o b o t s a n d S y s t e m s.I E E E,2005,1600～1605.

(下转第32页)

25

第2期 王扬威等:仿生机器鱼研究进展及发展趋势

所在圆半径确定为70m m,输出端的钢球中心所在圆半径确定为55m m。通过计算,这一条件下的摆线钢球行星传动的总降速比为36,其虚拟装配后的爆炸视图见图4。

5　结　论

一齿差摆线钢球行星传动是摆线针轮行星传动和活齿(钢球)传动相结合的产物,以摆线针轮行星传动作比照,可以总结出摆线钢球行星传动具有以下的特点:

(1)由于将径向啮合改变为端面啮合,这使整体结构更加紧凑,也降低了机构复杂度;

(2)在不增加体积和复杂度的前提下,能方便实施双级传动,使降速比成平方倍地增加;

(3)行星轮廓面的两侧交替成为主动侧,使所有钢球在传动过程中能同时参与啮合,工作重合度较摆线针轮行星传动增加一倍;

(4)采用的失配共轭技术有效地降低了传动副对误差的敏度,同时通过轴向调整来均化和补偿了工艺误差,给加工和装配带来方便。

参考文献

[1]Q uJ i f a n ga n dA nZ i j u n.R e s e a r c ho nz e r oc l e a r a n c ec y c l o i db a l l

t r a n s m i s s i o n[J].C h i n e s e J o u r n a lo fM e c h a n-i c a lE n g i n e e r i n g

(E n g l i s h e d i t i o n),1994,7(1):17～23.

[2]周建军,陈子辰.采用陶瓷球的密珠摆线减速器设计与实验研究

[J].中国航空学报(英文版),2001,14(4):245～25.

[3]周建军.摆线钢球行星传动[J].杭州电子工业学院学报,1996,

16(2):35～44.

[4]于　影,胡胜海.摆线针轮行星减速器中短幅系数最佳值的确定

方法[J].哈尔滨工程大学学报,2002,23(3):105～107.

[5]安子军,曲志刚,王广欣.基于模糊理论的摆线钢球传动行星传

动接触疲劳强度可靠性研究[J].中国机械工程,2002,13(23): 2010～2012.

[6]吴勤保.双摆线钢球减速器齿廓曲线参数的选择[J].机械设

计,2007,24(7):64～66.

[7]李晓鹏,陈兵奎,王淑妍,等.新型摆线行星传动浮动盘研究[J].

现代制造工程,2008,(2):96～99.

[8]杨作梅,安子军,张鹏.基于空间啮合理论的摆线钢球行星传动

根切研究[J].农业机械学报,2009,40(10):216～222.

[9]H o u j u nC h e n,Z h e n y u nD u a n,J i a nL i ue t a l.R e s e a r-c ho nb a s i c

p r i n c i p l e o f m o u l d i n g-s u r f a c e c o n j u g a t i o n[J].M e c h a n i s ma n dM a-

c h i n e T h e o r y,2008,43(7):791～811.

作者简介:陈厚军(1977-),男,博士,讲师;主要研究方向:啮合原理及其应用、复杂曲面的数字化设计与制造等,发表论文7篇。

(上接第25页)

[19]V i s h a l.S q u i d R o b o t U n d e r w a t e r I n s p e c t o r A r m e dw i t h B i o m i m e t i c

P r o p u l s i o n T e c h n i q u e.h t t p://w w w.r o b o t s t e r.o r g/e n t r y/s q u i d-

r o b o t-u n d e r w a t e r-i n s p e c t o r-h a s-b i o m i m e t i c-p r o p u l s i o n-t e c h n i q u e/.

[20]X uY,Z o n gG,B i S,e t a l.i n i t i a l d e v e l o p m e n t o f af l a p p i n g

p r o p e l l e du n m a n n e d u n d e r w a t e r v e h i c l e(U U V)[C]//p r o c e e d i n g s o ft h e2007I E E E i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o n r o b o t i c s a n d

b i o m i m e t i

c s.S a n y a,C h i n a:I E E E,2007.524～529.

[21]郑精辉.基于波动机理的仿生鱼探测器研究[D].杭州:浙江

大学,2007.

[22]杨少波,韩小云,张代兵,等.一种新型的胸鳍摆动模式推进机

器鱼设计与实现[J].机器人,2008,30(6):508～515.

[23]F i s hFE,L a u d e r GV,M i t t a l R,e t a l.C o n c e p t u a l D e s i g nf o r t h e

C o n s t r u c t i o n o f a B i o r o b o t i c A U V B a s e d o n B i o l o g i c a l

H y d r o d y n a m i c s[C]//P r o c e e d i n g s o f t h e13t h I n t e r n a t i o n a l

S y m p o s i u m o n U n m a n n e d U n t e t h e r e d S u b m e r s i b l eT e c h n o l o g y.

A u t o n o m o u s U n d e r s e a S y s t e m s I n s t i t u t e,D u r h a m,U S A:2003.

[24]陈宏,竺长安,尹协振.机械胸鳍式仿生水下机器人的动力学

特性研究[J].机械设计,2006,23(10):24～27.

[25]M a c i v e rM A,F o n t a i n eE,B u r d i c k JW.D e s i g n i n gF u t u r e

U n d e r w a t e rV e h i c l e s:P r i n c i p l e sa n dM e c h a n i s m so ft h eWe a k l y

E l e c t r i c

F i s h[J].I E E E J o u n a l o fO c e a n i cE n g i n e e r i n g,2004,

29(3):651～659.

[26]谢海斌,沈林成,胡天江.“尼罗河魔鬼”柔性长鳍运动曲面建

模与仿真[J].国防科技大学学报,2005,27(5):62～66,94.

作者简介:王扬威(1980-),男,博士生。主要研究方向:仿生水下潜器,智能控制等。

(上接第28页)

4　结　论

齿轮传动设计除了要满足常规的强度设计要求,还应该进行相应的润滑计算,以减轻齿轮传动的摩擦磨损。内啮合齿轮传动的润滑计算一般也只需要考虑节点啮合时的润滑条件,即可以获得该齿轮传动的摩擦和润滑状态特性。

内啮合齿轮传动的润滑计算和分析表明,润滑油的粘度,齿轮传动轮齿的巻油速度都会明显影响轮齿间的油膜厚度,影响齿轮的润滑效果。选择合理的润滑油的粘度可以得到合适的齿轮传动润滑效果。

变速传动中,各种工况条件下,齿轮传动的速度不一样,因此轮齿间润滑油的卷吸速度不同是必然的,轮齿啮合时各处的油膜厚度会不一样,因此具体设计时要考虑不同工况的润滑条件。为了改善低速时的润滑效果,采用增大齿轮压力角的方法,对提高啮合处油膜厚度的效果十分明显,不但可以极大的改善齿轮的润滑条件,还可以因此而降低齿轮的加工成本,因此具有一定的实际应用价值。这个研究结果与黄靖龙等[7-8]利用D a w s o n和G r u b i n公式的研究结论“大压力角齿轮具有比20°压力角齿轮更好的润滑性能”是一致的。

参考文献

[1]鲍庆惠.弹性流体润滑状态图的研讨与改进[J].机械设计,

1989,(6):37-42.

[2]鲍培德,谢　俊,马履中,等。泵站用行星齿轮变速传动装置的

设计[J].排灌机械工程学报,2010,28(3):238～241.

[3]A k b a r z a d e hS,K h o n s a r i M M.T h e r m o e l a s t o h y d r o d y n a m i c A n a l y s i s

o f S p u r G e a r s w i t h C o n s i d e r a t i o n o f S u r f a c e R o u g h n e s s[J].T r i b o l o-

g y L e t t e r s,2008,32(2):129～141.

[4]陈立锋,吴晓铃,秦大同.基于时变模型的齿轮啮合过程润滑状

态研究[J].润滑与密封,2010,35(2):44～47.

[5]黄靖龙,缪协兴,罗善明,等。轮齿压力角对弹性流体动力润滑

的影响分析[J].机械设计,2006,23(12):14～15.

作者简介:鲍培德(1964-),女,副教授,主要从事润滑和机械传动的研究,发表论文10多篇。

32机械设计与研究 第27卷