仿生魚機(jī)器人設(shè)計(jì)說明書(共18頁)

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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 仿生魚機(jī)器人 設(shè)計(jì)說明書  目錄 第一章 緒論…………………………………………………………………………………………………..3 1.1目的及意義……………………………………………………………………………………………4 1.2研究現(xiàn)狀………………………………………………….……………………………………………4 1.3本文的主要工作……………………………………………………………………………………4 第二章 概述…………………………………………………………………………………………………..

2、5 2.1 整體構(gòu)思…………………………………………………………………………………………..….5 2.2 仿生依據(jù)……………………………………………………………………………………………….5 第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………………….7 3.1機(jī)械設(shè)計(jì)思路及建?！?.7 3.2創(chuàng)新點(diǎn)…………………………………………………………………………………………………….8 3.3 零件明細(xì)……………………………………………………………………………………………….9 第四章 仿真分析……

3、……………………………………………………………………………………..10 第五章 電路設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………………………..12 第六章 控制系統(tǒng)…………………………………………………………………………………………..13 第七章 總結(jié)…………………………………………………………………………………………………..17 7.1優(yōu)勢及創(chuàng)新點(diǎn)……………………………………………………………………………………….17 7.2主要關(guān)鍵技術(shù)……………………………………………………………………………………….17 7.3 應(yīng)用前景與趨勢………………

4、…………………………………………………………………..18 7.4 不足與改進(jìn)…………………………………………………………………………………….…….18  仿生魚機(jī)器人設(shè)計(jì)說明書 第一章 緒論 1.1目的及意義 21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，占全球 71%面積的海洋將是下一個世紀(jì)，也是未來人類賴以生存的資源海洋，對于人類的 發(fā)展和社會的進(jìn)步將起到至關(guān)重要的作用。在民用上，海洋蘊(yùn)藏著豐富的礦物資源、海洋生物資源和能源，是人類社會 可持續(xù)發(fā)展的重要財(cái)富。因此，對于海洋的開發(fā)和爭奪成了很多發(fā)達(dá)國家的戰(zhàn)略重點(diǎn)，而且愈演愈烈。在各種海洋技術(shù)中，作為用在一般潛水技術(shù)不可

5、能到達(dá)的深度或區(qū)域進(jìn)行綜 合考察和研究并能完成多種作業(yè)使命的水下機(jī)器人使海洋 開發(fā)進(jìn)入了新時代。隨之“藍(lán)色經(jīng)濟(jì)”越來越成為各沿 海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“正能量”，大規(guī)模的開發(fā)探測和利于海洋 資源，已經(jīng)成為我們 21 世紀(jì)要面對和必須解決的現(xiàn)實(shí)問題。 另外，軍事方面對其需求也日益增加，為了適應(yīng)這種需求，研 究和開發(fā)潛水器和水下機(jī)器人成為了極佳的選擇。 魚類經(jīng)過長期的自然選擇，具備非凡的游動能力，近年 來隨著仿生技術(shù)的進(jìn)步，人類紛紛模仿自然界中魚類的運(yùn)動 方式和運(yùn)動器官，即各種各樣的水下機(jī)器人。世界上第一臺水下機(jī)器人“Poodle”誕生于 1953 年。近 20 年來，水下機(jī)器 人有了很大的發(fā)展，它們既

6、可軍用又可民用。到目前為止，全世界大約共建造了6000 多臺各種各樣的水下機(jī)器。水下機(jī)器人有廣泛的應(yīng)用空間，民用和軍用均可，不僅可以代 替潛水員在深水長時間工作，降低工作風(fēng)險，提高工作效率，而且還可以檢測水污染狀況，監(jiān)測魚類生長狀況，探測海底 火山活動狀況;在軍事方面，可以用于跟蹤敵人的船艦和潛 艇，捕獲地方軍事信息，也可以降低敵人對我軍的探測幾率，甚至可以攜帶炸藥至敵人軍艦處，炸毀敵方艦艇的動力系統(tǒng)，摧毀敵方艦隊(duì)。此外，仿魚形水下機(jī)器人還可以應(yīng)用于海洋動物園。仿魚形水下機(jī)器人是一種集機(jī)械、智能控制與一體的高科技設(shè)備，在民用、軍事、科學(xué)研究等領(lǐng)域體現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在價值。

7、1.2研究現(xiàn)狀 目前仿生機(jī)器魚的驅(qū)動方式以傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動 方式為主，由于其易于控制、驅(qū)動力大等特點(diǎn)，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了較好的游動性能。 目前國內(nèi)外的仿魚形機(jī)器人的發(fā)展以各高校及科研機(jī)構(gòu)為主，已取得豐富的成果。但目前國內(nèi)和國外研究相比系統(tǒng)性和基礎(chǔ)性較弱。 1.3本文的主要工作 本文主要介紹本學(xué)期小組設(shè)計(jì)的一個基于舵機(jī)控制的仿生機(jī)器魚，將從仿生依據(jù)、工作原理、運(yùn)動特性、控制特點(diǎn)等方面詳細(xì)說明小組工作成果。 第二章 概述 2.1整體構(gòu)思 本小組設(shè)計(jì)的是一個基于舵機(jī)控制的仿生機(jī)器魚，將采用Arduino UNO R3控

8、制三個舵機(jī)進(jìn)行運(yùn)動實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)仿生魚在水中的直行、轉(zhuǎn)彎、速度控制、避障等功能。其具體機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動特性以及控制系統(tǒng)，以上內(nèi)容將在下文詳細(xì)說明。 2.2仿生依據(jù) 魚類行為學(xué)者的研究表明，大多數(shù)魚類把身體當(dāng)作推進(jìn)器，身體左右擺動擊水，利用其產(chǎn)生的反作用力使魚體向前推進(jìn)，基于這種推進(jìn)原理，學(xué)者們提出了所謂 的“波動推進(jìn)理論[1]”的魚類游動機(jī)理，該理論主要以魚 的脊椎曲線為研究對象 ，魚體之所以能夠前進(jìn)，是因?yàn)?脊椎曲線帶動它所包絡(luò)的流體向后噴出，產(chǎn)生推力使魚 向前，其游姿可以近似為正弦波。 設(shè)脊椎曲線包絡(luò)的工作質(zhì)質(zhì)量為 M1，軀體對地速度為 VB，λ 是波長，f 為擺動頻率， 工作質(zhì)對

9、地速度為 VW， 由于魚體在水中的阻力與速度呈遞增關(guān)系，故在啟動瞬 間，魚體受到的阻力可以忽略不計(jì),因此根據(jù)動量守恒定理有公式： M1VW=M0VB (1) 通過動量守恒推出魚類推進(jìn)公式： VB=Yfλ Y 是一個小于 1 的系數(shù)，它表征了魚類的幾何特征、體重對速度的影響,稱之為動力特征系數(shù)，波動推進(jìn)假設(shè)是建立在對脊椎曲線包絡(luò)的水的質(zhì)量積分和動量定理之上。魚游動時使流體產(chǎn)生了分離，并且以漩渦的方式拋出尾部 ，漩渦的拋出速度和擺動頻率一致，在一個周期內(nèi)，尾部產(chǎn)生一對旋向相反的漩渦，推動魚前進(jìn)。 在對資料進(jìn)行充分的研讀和總結(jié)后，我們發(fā)現(xiàn)魚類運(yùn)動主要有以下幾種方式： 由此根據(jù)波

10、動推進(jìn)理論，利用舵機(jī)設(shè)計(jì)一種三關(guān)節(jié)仿生魚，以實(shí)現(xiàn)仿生魚的前進(jìn)和自由轉(zhuǎn)向。 對于魚的運(yùn)動來說，主要靠其優(yōu)越的體型和魚鰭來進(jìn)行推動和靈活的運(yùn)動。 對于各魚鰭的作用，我們作了以下的總結(jié)： 背鰭：用來保持魚身體側(cè)立，控制平衡。 尾鰭：用來推進(jìn)與控制方向。 胸鰭：用來推進(jìn)、控制、平衡、剎車 。 腹鰭：用來維持平衡，輔助升降 臀鰭：用來輔助控制平衡 。 目前一般用于機(jī)器魚外形設(shè)計(jì)的仿生對象有金槍 魚、梭子魚、鯉魚、鰻魚。 這幾種魚或者具有極高的游動速度，或者具有優(yōu)異的機(jī)動性能，或者具有絕佳的游動效率，它們都符合“波動推進(jìn)理論”的運(yùn)動模式 ，因而成為仿生魚模仿的典范。 這些魚類的外形呈

11、現(xiàn)為流線形, 不僅從魚頭到魚尾的水流運(yùn)動平穩(wěn)，而且水動力學(xué)阻力也很小，顯示出這類外形具有良好的水動學(xué)性能。因而，這類流線形魚體成為機(jī)器魚外形設(shè)計(jì)的最佳選擇。 明確了生物各部分的功能作用以后，我們對仿生機(jī)器魚的總體結(jié)構(gòu)有了初步的構(gòu)想，決定利用曲柄轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)來用一個舵機(jī)控制魚的尾鰭運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)整個魚的身體呈現(xiàn)三個關(guān)節(jié)，增強(qiáng)其靈活性，同時用兩個舵機(jī)分別控制一個胸鰭，以控制其轉(zhuǎn)向和速度。 第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 機(jī)械設(shè)計(jì)思路及建模 在初步設(shè)想的基礎(chǔ)上，我們對仿魚機(jī)器人的內(nèi)部架構(gòu)進(jìn)行了實(shí)體建模。從實(shí)體模型中可以看出，我們的方案在多個方面和確定課題時相比發(fā)生了較大的改動。

12、 在整體框架方面，身體前部與尾部的連接由弧形框架連接變成了金屬桿的連接，更加貼近魚的真實(shí)結(jié)構(gòu)，也方便控制的實(shí)現(xiàn)。同時，在經(jīng)過研究討論之后，改變使用帶傳動進(jìn)行推進(jìn)的想法，利用曲柄轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)來用一個舵機(jī)控制魚的尾鰭運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)整個魚的身體呈現(xiàn)三個關(guān)節(jié)，在可擺動部分可以兩個關(guān)節(jié)運(yùn)動不同，從而增強(qiáng)其靈活性。 在胸鰭方面，我們將胸鰭作為方向控制、深度控制的主要零件。通過Arduino控制板控制舵機(jī)的運(yùn)動角度，帶動有一定傾角的胸鰭按指定速度扇動，通過兩胸鰭速度差異，來控制仿魚形機(jī)器人的運(yùn)動方向。同時在其頭部安裝超聲波測矩裝置，給出理想的深度，在測出離水底的矩離后自主判斷，控制舵機(jī)運(yùn)動，帶運(yùn)動胸

13、鰭改變機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)從而接近給定深度。 在外部包裝方面，我們將使用三元乙丙橡膠材料進(jìn)行密封，貼合此內(nèi)部框架進(jìn)行裝配。將外側(cè)密封橡膠粘在環(huán)形原板上，前后兩塊用螺絲固定在魚中間的板上，中間加密封墊圈，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電子器件進(jìn)行保護(hù)和可靠的防水，同時為整個機(jī)器人提供流線型結(jié)構(gòu)利于運(yùn)動。 3.2 創(chuàng)新點(diǎn) 使用一個舵機(jī)控制兩個魚尾關(guān)節(jié)的運(yùn)動，利用曲柄轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，用直徑6mm的不銹鋼長桿進(jìn)行連接，減少框架的使用，也能夠?qū)⒍鏅C(jī)數(shù)量減少。在增加靈活性的同時，減輕重量。 改變大多數(shù)已有產(chǎn)品使用背鰭進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制的思路，利用兩個分別舵機(jī)控制的胸鰭來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，使魚形機(jī)器人運(yùn)動協(xié)調(diào)，避免出現(xiàn)翻身

14、、直立等非正常運(yùn)動狀態(tài)。 3.3零件明細(xì) 第四章 仿真分析 在明確了仿魚機(jī)器人的運(yùn)動方式和機(jī)械結(jié)構(gòu)后，我們對其關(guān)鍵零件進(jìn)行了必要的強(qiáng)度校核仿真。通過分析，我們知道，由于整體推動是通過尾部的擺動提供動力，因此尾部的材料強(qiáng)度非常重要，需要其在有力擺的同時不會發(fā)生大的變形或斷裂。因此，我們將魚的尾部模擬成1平方分米的方形板,設(shè)其運(yùn)動的平均速度為0.3m/s，尾部的材料為PBT塑料，通過軟件對其壓強(qiáng)和受力進(jìn)行仿真分析，各項(xiàng)參數(shù)如下： Cd=Fd/(p*u^2A/2) Cd=2; P=Fd/A=Cd*p*u^2/2=90N/m^

15、2 Cd阻力系數(shù) A平板面積 p水的密度 u移動速度 PBT塑料 安全系數(shù):1.5 可見其在可承受范圍內(nèi)，并仍有較大裕量。 由于我們設(shè)計(jì)的獨(dú)特性，是由一根金屬桿作為連接件，中間以曲柄轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)相連接，以達(dá)到使用一個舵機(jī)控制實(shí)現(xiàn)兩個關(guān)節(jié)在水中協(xié)調(diào)運(yùn)動的目的。因此對這根長桿進(jìn)行必要的強(qiáng)度校核仿真分析。定其材料為不銹鋼，長度為0.3米，通過舵機(jī)輸出的最大力在此處產(chǎn)生的作用參數(shù)及結(jié)果如下： 不銹鋼 R=0.3m F=AP=0.01*90=0.9N T=RF=0.27Nm 通過仿真分析可得出結(jié)論，所受載荷均在屈服范圍之內(nèi)，滿足要求。

16、 第五章 電路設(shè)計(jì) 在以上機(jī)械結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上，基于電路中的核心部分Arduino UNO R3控制板和三個舵機(jī)，進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)。電路截圖如下： 如圖可見，電路圖上方為三個舵機(jī)，正文為Arduino控制板。舵機(jī)的電源正極線與Arduino控制板的電源相連共同接高電平，地線如是。其中Arduino控制板的9，10，11號接口分別連接三個舵機(jī)的信號線，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角；12，13號接口接出，連接超聲傳感器測距裝置，測得深度與預(yù)期深度對比實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。 第六章 控制系統(tǒng) 本仿魚形機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由Arduino控

17、制板、舵機(jī)、超聲波傳感系統(tǒng)構(gòu)成。輸入期望的深度和運(yùn)動姿態(tài)，由超聲波傳感設(shè)備進(jìn)行測量和反饋，從而進(jìn)行誤差調(diào)節(jié)，接近預(yù)期設(shè)定姿態(tài)。 控制代碼： #include #include #include Servo leftservo; Servo rightservo; Servo behindservo; //弧度轉(zhuǎn)速 int depth; //魚體離水底距離 int exc

18、eptdepth; //預(yù)期魚體離水底距離 float RKP=160; float RKI=1.6; float RKD=0.05; float Rcons0=RKP+RKI+RKD; float Rcons1=-RKP-2*RKD; float Rcons2=RKD; //右輪PID參數(shù) float LKP=160; float LKI=1.6; float LKD=0.05; flo

19、at Lcons0=LKP+LKI+LKD; float Lcons1=-LKP-2*LKD; float Lcons2=LKD; //左輪PID參數(shù) float Rerror; float Rerror_1=0; float Rerror_2=0; float Lerror; float Lerror_1=0; float Lerror_2=0; //左右輪的e=期待-反饋 _n表示n階 float Ru; float Ru_1=0; float deltaRu;

20、 float Lu; float Lu_1=0; float deltaLu; //左右舵機(jī)u有關(guān)的參數(shù) int inputPin=13; int outputPin=12; //超聲波測距輸入輸出口 int i; int anglel; int angler; //左右鰭煽動角度 void setup() { Serial.begin(960

21、0); leftservo.attach(9); rightservo.attach(10); behindservo.attach(11); pinMode(inputPin,INPUT); pinMode(outputPin,OUTPUT); } int depthmeasure() //測量魚體與水底距離 { digitalWrite (outputPin,HIGH); Serial.println(outputPin); delay(20); digitalWrite (outp

22、utPin,LOW); Serial.println(outputPin); delay(20); } void loop() { leftservo.write(0); rightservo.write(0); behindservo.write(0); depth=depthmeasure(); //測深度 Rerror=exceptdepth-depth; Lerror=exceptdepth-depth; deltaRu=Rcons0*Rerro

23、r+Rcons1*Rerror_1+Rcons2*Rerror_2; deltaLu=Lcons0*Lerror+Lcons1*Lerror_1+Lcons2*Lerror_2; Ru=Ru_1+deltaRu; Lu=Lu_1+deltaLu; anglel=int(Lu); angler=int(Ru); Rerror_2=Rerror_1; Rerror_1=Rerror; Ru_1=Ru; Lerror_2=Lerror_1; Lerror_1=Lerror; Lu_1=Lu; leftservo.write(a

24、nglel); rightservo.write(angler); behindservo.write(180); } 第七章 總結(jié) 7.1優(yōu)勢及創(chuàng)新點(diǎn) 小組在完成機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)體建模、仿真分析、電路設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且完成了初步的運(yùn)動、裝配演示，形成了一個相對完整的仿生魚機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程。本機(jī)器人有以下創(chuàng)新點(diǎn)： 1. 機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。在以往已有的機(jī)器人的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在增加靈活度、減小負(fù)載、節(jié)省能源等方面有了新的想法和設(shè)計(jì)成果，并在仿真中得以論證合理。 2. 控制系統(tǒng)的創(chuàng)新。使用A

25、rduino控制板對三個舵機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，并引入反饋環(huán)節(jié)，對仿生魚的深度、姿態(tài)進(jìn)行判斷和調(diào)節(jié)。 3. 姿態(tài)及方向控制的創(chuàng)新。改變大多數(shù)已有產(chǎn)品使用背鰭進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制的思路，利用兩個分別舵機(jī)控制的胸鰭來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，使魚形機(jī)器人運(yùn)動協(xié)調(diào)，避免出現(xiàn)翻身、直立等非正常運(yùn)動狀態(tài)。 7.2 主要關(guān)鍵技術(shù) 1. 水下仿魚機(jī)器人總體技術(shù)。針對仿魚機(jī)器人的性能指標(biāo)和使用模式，需重點(diǎn)解決機(jī)器人的仿生流體動力構(gòu)型、仿胸鰭或尾鰭推進(jìn)多關(guān)節(jié)驅(qū)動模式等。綜合考慮升阻比、游動的機(jī)動性和穩(wěn)定性、動力系統(tǒng)、探測通信系統(tǒng)安裝約束等多方面影響因素，提出設(shè)計(jì)原理和依據(jù)，有必要系統(tǒng)解決水下仿生構(gòu)型。 2. 仿魚推進(jìn)建模及控

26、制技術(shù)。由于仿魚推進(jìn)具有多關(guān)節(jié)柔性運(yùn)動的特點(diǎn)，表面會隨著身體的擺動發(fā)生柔性變形，運(yùn)動特性與剛體運(yùn)動有著明顯的差別，運(yùn)動特性較復(fù)雜。同時，仿魚推進(jìn)模式壓根根據(jù)仿生學(xué)的原理，模擬生物的往復(fù)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)推進(jìn)、姿態(tài)控制以及機(jī)動航行等。由于它是柔性的，運(yùn)動特性復(fù)雜，動力學(xué)精確構(gòu)建模型比較困難，所以需考慮采用先進(jìn)的控制方法結(jié)合仿生學(xué)的控制理論，從而滿足仿生游動的控制奢求。 3. 仿魚高效游動往復(fù)拍支系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。仿魚推進(jìn)機(jī)構(gòu)的效率和靈活性取決于關(guān)節(jié)數(shù)量、長度比例的配置，如何合理的配置關(guān)節(jié)參數(shù)是一大重點(diǎn)。同時怎樣結(jié)合仿生拍動系統(tǒng)的特點(diǎn)建立集參數(shù)化建模、多學(xué)科聯(lián)合仿真分析、循環(huán)優(yōu)化等技術(shù)的一體化設(shè)計(jì)仿真平臺，

27、提高設(shè)計(jì)效率也是該技術(shù)的一大難點(diǎn)。 7.3 應(yīng)用前景與趨勢 由于水下仿生魚機(jī)器人在推進(jìn)模式、外形結(jié)構(gòu)方面所具有的特殊性能，將在軍事也民用方面有廣闊的應(yīng)用前景。而為了實(shí)現(xiàn)“源于生物，高于生物”的仿生學(xué)目標(biāo)，仿生魚機(jī)器人的研究壓根深入開展跨學(xué)科、多領(lǐng)域的仿生學(xué)研究。其應(yīng)用前景及趨勢有以下幾方面： 1. 不斷完善仿生魚的運(yùn)動機(jī)理。隨著研究的深入和驅(qū)動裝置的不斷優(yōu)化，未來的仿魚機(jī)器人將會具有大潛深，效率更高，運(yùn)動更靈活，性能和真正的魚更相近。 2. 向智能化發(fā)展。隨著人工智能、自動控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展，仿生魚機(jī)器人將具備信息交互、環(huán)境感知等能力，在緊急情況下可實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，完成更復(fù)雜的任務(wù)。 3. 向群體化發(fā)展。單個仿生魚機(jī)器人的活動范圍和能力有限，研究出具有高機(jī)動性、高靈活性、高效率、高協(xié)作性的群體化仿生魚機(jī)器人，將在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行水下作業(yè)、海洋監(jiān)測、海洋生物觀察和軍事偵察能艱巨的工作。 7.4 不足與改進(jìn) 在設(shè)計(jì)過程中本仿生魚機(jī)器人還存在一些不足。如功能還不夠完善，在后期還需加入對前進(jìn)速度的精準(zhǔn)控制以及對轉(zhuǎn)彎角度的調(diào)節(jié)。同時目前此設(shè)計(jì)功能較為單一，只實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的基本功能。而這一設(shè)備在應(yīng)用中可搭載水下攝像機(jī)、小型水下武器等，還有待進(jìn)一步的研發(fā)和改進(jìn)。 專心---專注---專業(yè)