与传统的水下推进器相比,仿生机器鱼具有推进效率高、机动性好和对环境扰动小等优点。因此,仿生机器鱼的设计和研究成为水下机器人领域的一个重要课题。研究表明,对于身体-尾鳍推进(简称BCF)运动模式的机器鱼,推进机构的工作效率是影响机器鱼游速的一个重要因素;具有二维运动空间的尾鳍推进器能极大地精简机器鱼的机械结构和运动控制。本文设计了一款基于新型二自由度尾鳍推进机构的仿生机器鱼,避免了推进机构中电机频繁正反转导致的低传动效率问题,并且只通过尾鳍就实现了机器鱼的直线巡游、转弯、上浮和下潜四种基本运动。机器鱼的水下实验结果表明,机器鱼具有良好的游速和机动性能,可为机器鱼的推进机构设计提供一种新的参考。主要研究内容如下:(1)设计了一种新型的二自由度尾鳍推进机构,并完成了机器鱼的系统设计。介绍了在机器鱼的设计过程中需要解决的主要问题和系统构成,在比较分析现有推进机构的基础上,提出了一种二自由度尾鳍推进机构的设计方案,并给出了具体的结构设计。确定了使用大容量锂电池和无刷直流电机作为机器鱼的动力单元,解决了机器鱼的无线通讯设计和硬件设备方案设计。对机器鱼的密封方案进行了优化设计,借助SolidWorks工具对机器鱼的配重进行了评估。最终,完成了二自由度尾鳍推进仿生机器鱼的原理样机设计。(2)建立了二自由度尾鳍推进机构的运动学方程并进行了虚拟样机仿真分析。介绍了该新型二自由度尾鳍推进机构的运动原理,以双斜面转块和万向节的运动一致性作为解决推进机构运动学方程的出发点,推导了推进机构的运动学方程,给出了运动学正、逆解。提出了推进机构的电机同速同向运动和同速反向运动的两种运动模式,以及速度和位置的两种控制模式。在Adams中对机器鱼虚拟样机模型的直线游动、转弯、上浮和下潜方式进行了运动学仿真,给出了尾鳍摆角在相应的电机输入函数下的变化曲线,验证了该新型二自由度尾鳍推进机构用于机器鱼的可行性。(3)开展了机器鱼的游动测试和实验结果分析。根据运动学仿真的结果,建立了五种游动姿态下的控制策略,给出了相应的电机控制参数变化表,并在Visual Studio环境下编写了控制程序。实验前完成了对各模块的调试、密封性检验和配重修正。利用无人机航拍的方式在户外水塘中进行了直线游动和转弯游动实验,通过对获取的视频进行处理得到机器鱼位置坐标的游动实验数据。实验结果表明,机器鱼的游速约为0.69m/s,最小转弯半径约为0.23m(0.16BL)。