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1、仿生魚機器人 設(shè)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 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

2、 ? 4? 第 二 章 概 述 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ..5? ? 2.1 整 體 構(gòu) 思 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ..? .5? 2.2 仿 生 依 據(jù) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? .5? 第三章 機 械結(jié)構(gòu)設(shè)計 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? .7? 3.1 機械設(shè)計

3、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 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ..1? 0 第 五章 電路設(shè)計 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

4、 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ..1? 2 第六章 控 制系統(tǒng) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ..1? 3 第 七章 總結(jié) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ..1? 7? 7.1 優(yōu) 勢 及 創(chuàng) 新 點 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 7 7.2主要關(guān)鍵技 術(shù) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

5、? ? ? ? ? ? ? .1? 7 7.3 應 用 前 景 與 趨 勢 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? .? .1? 8 7.4 不 足 與 改 進 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? .? ? .1? 8 仿生魚機器人設(shè)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(guān)重要的 作 用。在民用上，海洋蘊藏著豐富的礦物資源、海

6、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(shù)中， 作為用在一般潛水 技術(shù)不可能到達的 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

7、力，近年 來隨著仿 生技術(shù)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

8、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(shè)備，在民用、軍事、科學研究等領(lǐng)域體現(xiàn)出了 廣 闊的應用前景和巨大的潛在價值。 1.2 研究現(xiàn)狀 目前仿生機器魚的驅(qū)動方式以傳統(tǒng)的電機驅(qū)動 方式為主，由于 其易于控制、驅(qū)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(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

9、期小組設(shè)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(gòu)思 本小組設(shè)計的是一個基于舵機控制的仿生機器魚， 將采用Arduino UNO R3 控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(zhuǎn)彎、速度控 制、避 障等功能。 其具體機械結(jié)構(gòu)、 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] ”

10、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(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,人是波長，f為 擺動頻率， 工作質(zhì)對地速度為 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 , 因此根據(jù)動量守恒定理 有公式： M1 X VW=M0 X VB (1) 通過動量守恒推出魚類推進公式： VB=Y才 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

11、征系數(shù)， 波動推進假設(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。 在對資料進行充分的研讀和總結(jié)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)波動推進理論，利用舵機設(shè)計一種三關(guān)節(jié)仿生魚，以實現(xiàn)仿生魚 的前進和自由轉(zhuǎn)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(jié)： 背鰭：用來保持魚身體側(cè)立, 控制平衡。尾鰭：用來推進與控制方向。 胸

12、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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)有了初 步 從而 的構(gòu)想，決定利用

13、曲柄轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)來用一個舵機控制魚的尾鰭運動, 實現(xiàn) 整個魚的身體呈現(xiàn)三個關(guān)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(zhuǎn)向和速度。 第三章機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 機械設(shè)計思路及建模 在初步設(shè)想的基礎(chǔ)上，我們對仿魚機器人的內(nèi)部架構(gòu) 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。 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(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)動導桿機構(gòu)來用一個舵 機控制魚的尾鰭運動，從而實現(xiàn)整個魚

14、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 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(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，

15、中間加密封墊圈， 對內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)利于運動。 3.2 創(chuàng)新點 使用一個舵機控制兩個魚尾關(guān)節(jié)的運動，利用曲柄轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)， 用直徑6mm的不銹鋼長桿進行連接，減少框架的使用，也能夠?qū)⒍鏅C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(zhuǎn)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)。 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(jié)構(gòu)后， 我們對其關(guān)鍵零件進行了必 要的強度校核仿真。 通過分

16、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(shè)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*uA2A/2) Cd=2; P=Fd/A=Cd*p*uA2/2=90N/mA2 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。 根金屬桿作為連接件，中間以曲柄轉(zhuǎn)動導桿 機控制實現(xiàn)兩個關(guān)節(jié)

17、在水中協(xié)調(diào)運動的目的 由于我們設(shè)計的獨特性，是由一 機構(gòu)相連接，以達到使用一個舵 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(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 第五章電路設(shè)計 在以上機械結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上） 基于電路中的核心部分 Arduino UNO R3 I e j 控制 板和三個舵機，進行了電路設(shè)計。電路截圖如下: 如圖可見，電路圖上方為

18、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(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控制板、舵機、超聲波傳感系統(tǒng) 構(gòu)成。輸入期望的深度和運動姿態(tài)， 由超聲波傳感設(shè)備進行測量和反饋， 從 而進 行誤差調(diào)節(jié)，接近預期設(shè)定姿態(tài)。 控制代碼： #include #include

19、tdio.h> #include Servo leftservo; Servo rightservo; Servo behindservo; // 弧度轉(zhuǎn) int depth; int exceptdepth; float RKP=160; float RKI=1.6; float RKD=0.05; float Rcons0=RKP+RKI+RKD; float Rcons1=-RKP-2*RKD; float Rcons2=RKD; float LKP=160; float LKI=1.6; float LKD=0.05; float Lco

20、ns0=LKP+LKI+LKD; float Lcons1=-LKP-2*LKD; float Lcons2=LKD; float Rerror; float Rerror_1=0; float Rerror_2=0; float Lerror; float Lerror_1=0; float Lerror_2=0; float Ru; float Ru_1=0; float deltaRu; float Lu; float Lu_1=0; float deltaLu; int inputPin=13; int outputPin=12; int i; in

21、t anglel; 精品文檔 // 魚體離水底距離 // 預期魚體離水底距離 // 右輪 PID 參數(shù) // 左輪 PID 參數(shù) //左右輪的e=期待-反饋_n表示n階 // 左右舵機 u 有關(guān)的參數(shù) // 超聲波測距輸入輸出口

22、 int angler; // 左右鰭煽動角 度 void setup() { Serial.begin(9600); leftservo.attach(9); rightservo.attach(10); behindservo.attach(11); pinMode(inputPin,INPUT); pinMode(outputPin,OUTPUT); } int depthmeasure() { digitalWrite (outputPin,HIGH); // 測量魚體與水底距 Serial.println(outputPin); de

23、lay(20); digitalWrite (outputPin,LOW); Serial.println(outputPin); delay(20); } void loop() { leftservo.write(0); rightservo.write(0); behindservo.write(0); depth=depthmeasure(); Rerror=exceptdepth-depth; Lerror=exceptdepth-depth; // 測深度 deltaRu=Rcons0*Rerror+Rcons1*Rerror_1+Rcons2*Rer

24、ror_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(anglel); rightservo.write(angler); behindservo.write

25、(180); 第七章 總結(jié) 7.1 優(yōu)勢及創(chuàng)新點 小組在完成機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上進行了實體建模、仿真分析、電路設(shè)計 和 控制系統(tǒng)的設(shè)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(shè)計過程。本機器人有以下創(chuàng)新點： 1. 機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。 在以往已有的機器人的基礎(chǔ)上， 進行了機械結(jié)構(gòu)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(shè) 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 Arduino 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

26、的創(chuàng)新。 改變大多數(shù)已有產(chǎn)品使用背鰭進行轉(zhuǎn)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(guān)鍵技術(shù) 1. 2. 水下仿魚機器人總體技術(shù)。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(gòu)型、仿胸鰭或尾鰭推進多關(guān)節(jié)驅(qū) 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(shè)計原理和依據(jù)，有必 要系統(tǒng)解 決水下仿生構(gòu)型。 3. 仿魚推進建模及控制技術(shù)。由于仿魚推進具有多關(guān)節(jié)柔性運動的特點， 表面會隨著身體的擺動發(fā)生柔

27、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(gòu)建模型比較困難，所以 需考慮采 用先進的控制方法結(jié)合仿生學的控制理論，從而滿足仿生游 動的控制奢 求。 4. 仿魚高效游動往復拍支系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)。仿魚推進機構(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 同時怎樣結(jié)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(shù)的一體化設(shè)計仿真平臺，提高設(shè)計效 率也是該技

28、 術(shù)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(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(lǐng)域的仿生學 研究。 其應 用前景及趨勢有以下幾方面： 1. 2. 不斷完善仿生魚的運動機理。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。 3. 4. 向智能化發(fā)展。 隨著人工智能、 自動控制、 計算機技術(shù)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

29、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。 5. 6. 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(shè)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(zhuǎn)彎角度的調(diào)節(jié)。 同時目前此設(shè) 計功能較 為單一，只實現(xiàn)運動的基本功能。 而這一設(shè)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。