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1、精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上 仿生魚機器人 設計說明書  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 整體構思…………………………………………………………………………………………..….5 2.2 仿生依據(jù)……………………………………………………………………………………………….5 第三章 機械結構設計…………………………………………………………………………………….7 3.1機械設計思路及建模……………………………………………………………………………..7 3.2創(chuàng)新點…………………………………………………………………………………………………….8 3.3 零件明細……………………………………………………………………………………………….9 第四章 仿真分析……

3、……………………………………………………………………………………..10 第五章 電路設計…………………………………………………………………………………………..12 第六章 控制系統(tǒng)…………………………………………………………………………………………..13 第七章 總結…………………………………………………………………………………………………..17 7.1優(yōu)勢及創(chuàng)新點……………………………………………………………………………………….17 7.2主要關鍵技術……………………………………………………………………………………….17 7.3 應用前景與趨勢………………

4、…………………………………………………………………..18 7.4 不足與改進…………………………………………………………………………………….…….18  仿生魚機器人設計說明書 第一章 緒論 1.1目的及意義 21世紀是海洋的世紀，占全球 71%面積的海洋將是下一個世紀，也是未來人類賴以生存的資源海洋，對于人類的 發(fā)展和社會的進步將起到至關重要的作用。在民用上，海洋蘊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)展的重要財富。因此，對于海洋的開發(fā)和爭奪成了很多發(fā)達國家的戰(zhàn)略重點，而且愈演愈烈。在各種海洋技術中，作為用在一般潛水技術不可

5、能到達的深度或區(qū)域進行綜 合考察和研究并能完成多種作業(yè)使命的水下機器人使海洋 開發(fā)進入了新時代。隨之“藍色經(jīng)濟”越來越成為各沿 海地區(qū)經(jīng)濟發(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 世紀要面對和必須解決的現(xiàn)實問題。 另外，軍事方面對其需求也日益增加，為了適應這種需求，研 究和開發(fā)潛水器和水下機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 來隨著仿生技術的進步，人類紛紛模仿自然界中魚類的運動 方式和運動器官，即各種各樣的水下機器人。世界上第一臺水下機器人“Poodle”誕生于 1953 年。近 20 年來，水下機器 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器。水下機器人有廣泛的應用空間，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。此外，仿魚形水下機器人還可以應用于海洋動物園。仿魚形水下機器人是一種集機械、智能控制與一體的高科技設備，在民用、軍事、科學研究等領域體現(xiàn)出了廣闊的應用前景和巨大的潛在價值。

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

8、制三個舵機進行運動實現(xiàn)，進而實現(xiàn)仿生魚在水中的直行、轉彎、速度控制、避障等功能。其具體機械結構、運動特性以及控制系統(tǒng)，以上內(nèi)容將在下文詳細說明。 2.2仿生依據(jù) 魚類行為學者的研究表明，大多數(shù)魚類把身體當作推進器，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，基于這種推進原理，學者們提出了所謂 的“波動推進理論[1]”的魚類游動機理，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，是因為 脊椎曲線帶動它所包絡的流體向后噴出，產(chǎn)生推力使魚 向前，其游姿可以近似為正弦波。 設脊椎曲線包絡的工作質質量為 M1，軀體對地速度為 VB，λ 是波長，f 為擺動頻率， 工作質對

9、地速度為 VW， 由于魚體在水中的阻力與速度呈遞增關系，故在啟動瞬 間，魚體受到的阻力可以忽略不計,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)，波動推進假設是建立在對脊椎曲線包絡的水的質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。 在對資料進行充分的研讀和總結后，我們發(fā)現(xiàn)魚類運動主要有以下幾種方式： 由此根據(jù)波

10、動推進理論，利用舵機設計一種三關節(jié)仿生魚，以實現(xiàn)仿生魚的前進和自由轉向。 對于魚的運動來說，主要靠其優(yōu)越的體型和魚鰭來進行推動和靈活的運動。 對于各魚鰭的作用，我們作了以下的總結： 背鰭：用來保持魚身體側立，控制平衡。 尾鰭：用來推進與控制方向。 胸鰭：用來推進、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 。 目前一般用于機器魚外形設計的仿生對象有金槍 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)異的機動性能，或者具有絕佳的游動效率，它們都符合“波動推進理論”的運動模式 ，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動平穩(wěn)，而且水動力學阻力也很小，顯示出這類外形具有良好的水動學性能。因而，這類流線形魚體成為機器魚外形設計的最佳選擇。 明確了生物各部分的功能作用以后，我們對仿生機器魚的總體結構有了初步的構想，決定利用曲柄轉動導桿機構來用一個舵機控制魚的尾鰭運動，從而實現(xiàn)整個魚的身體呈現(xiàn)三個關節(jié)，增強其靈活性，同時用兩個舵機分別控制一個胸鰭，以控制其轉向和速度。 第三章 機械結構設計 3.1 機械設計思路及建模 在初步設想的基礎上，我們對仿魚機器人的內(nèi)部架構進行了實體建模。從實體模型中可以看出，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，更加貼近魚的真實結構，也方便控制的實現(xiàn)。同時，在經(jīng)過研究討論之后，改變使用帶傳動進行推進的想法，利用曲柄轉動導桿機構來用一個舵機控制魚的尾鰭運動，從而實現(xiàn)整個魚的身體呈現(xiàn)三個關節(jié)，在可擺動部分可以兩個關節(jié)運動不同，從而增強其靈活性。 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控制板控制舵機的運動角度，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，來控制仿魚形機器人的運動方向。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，控制舵機運動，帶運動胸

13、鰭改變機器人運動狀態(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行密封，貼合此內(nèi)部框架進行裝配。將外側密封橡膠粘在環(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)部結構及電子器件進行保護和可靠的防水，同時為整個機器人提供流線型結構利于運動。 3.2 創(chuàng)新點 使用一個舵機控制兩個魚尾關節(jié)的運動，利用曲柄轉動導桿機構，用直徑6mm的不銹鋼長桿進行連接，減少框架的使用，也能夠將舵機數(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)品使用背鰭進行轉向控制的思路，利用兩個分別舵機控制的胸鰭來實現(xiàn)精準控制，使魚形機器人運動協(xié)調(diào)，避免出現(xiàn)翻身

14、、直立等非正常運動狀態(tài)。 3.3零件明細 第四章 仿真分析 在明確了仿魚機器人的運動方式和機械結構后，我們對其關鍵零件進行了必要的強度校核仿真。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,設其運動的平均速度為0.3m/s，尾部的材料為PBT塑料，通過軟件對其壓強和受力進行仿真分析，各項參數(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。 由于我們設計的獨特性，是由一根金屬桿作為連接件，中間以曲柄轉動導桿機構相連接，以達到使用一個舵機控制實現(xiàn)兩個關節(jié)在水中協(xié)調(diào)運動的目的。因此對這根長桿進行必要的強度校核仿真分析。定其材料為不銹鋼，長度為0.3米，通過舵機輸出的最大力在此處產(chǎn)生的作用參數(shù)及結果如下： 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 電路設計 在以上機械結構確定的基礎上，基于電路中的核心部分Arduino UNO R3控制板和三個舵機，進行了電路設計。電路截圖如下： 如圖可見，電路圖上方為三個舵機，正文為Arduino控制板。舵機的電源正極線與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的信號線，控制電機轉速及轉角；12，13號接口接出，連接超聲傳感器測距裝置，測得深度與預期深度對比實現(xiàn)閉環(huán)控制。 第六章 控制系統(tǒng) 本仿魚形機器人的控制系統(tǒng)主要由Arduino控

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

18、eptdepth; //預期魚體離水底距離 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u有關的參數(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 7.1優(yōu)勢及創(chuàng)新點 小組在完成機械結構設計的基礎上進行了實體建模、仿真分析、電路設計和控制系統(tǒng)的設計，并且完成了初步的運動、裝配演示，形成了一個相對完整的仿生魚機器人的設計過程。本機器人有以下創(chuàng)新點： 1. 機械結構的創(chuàng)新。在以往已有的機器人的基礎上，進行了機械結構的優(yōu)化。在增加靈活度、減小負載、節(jié)省能源等方面有了新的想法和設計成果，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控制板對三個舵機進行精準控制，并引入反饋環(huán)節(jié)，對仿生魚的深度、姿態(tài)進行判斷和調(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)品使用背鰭進行轉向控制的思路，利用兩個分別舵機控制的胸鰭來實現(xiàn)精準控制，使魚形機器人運動協(xié)調(diào)，避免出現(xiàn)翻身、直立等非正常運動狀態(tài)。 7.2 主要關鍵技術 1. 水下仿魚機器人總體技術。針對仿魚機器人的性能指標和使用模式，需重點解決機器人的仿生流體動力構型、仿胸鰭或尾鰭推進多關節(jié)驅動模式等。綜合考慮升阻比、游動的機動性和穩(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，提出設計原理和依據(jù)，有必要系統(tǒng)解決水下仿生構型。 2. 仿魚推進建模及控

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

27、提高設計效率也是該技術的一大難點。 7.3 應用前景與趨勢 由于水下仿生魚機器人在推進模式、外形結構方面所具有的特殊性能，將在軍事也民用方面有廣闊的應用前景。而為了實現(xiàn)“源于生物，高于生物”的仿生學目標，仿生魚機器人的研究壓根深入開展跨學科、多領域的仿生學研究。其應用前景及趨勢有以下幾方面： 1. 不斷完善仿生魚的運動機理。隨著研究的深入和驅動裝置的不斷優(yōu)化，未來的仿魚機器人將會具有大潛深，效率更高，運動更靈活，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、計算機技術等多種學科的進一步發(fā)展，仿生魚機器人將具備信息交互、環(huán)境感知等能力，在緊急情況下可實現(xiàn)自我保護，完成更復雜的任務。 3. 向群體化發(fā)展。單個仿生魚機器人的活動范圍和能力有限，研究出具有高機動性、高靈活性、高效率、高協(xié)作性的群體化仿生魚機器人，將在復雜環(huán)境下進行水下作業(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 在設計過程中本仿生魚機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速度的精準控制以及對轉彎角度的調(diào)節(jié)。同時目前此設計功能較為單一，只實現(xiàn)運動的基本功能。而這一設備在應用中可搭載水下攝像機、小型水下武器等，還有待進一步的研發(fā)和改進。 專心---專注---專業(yè)