仿生魚(yú)機(jī)器人

設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目錄論 ..31.1目的及意義 41.2研究現(xiàn)狀 41.3 本 文 的 主 要 工作 4第二章概述 ..52.1整體構(gòu)思 r...2.2仿生依據(jù) .5第三章機(jī)械構(gòu)造設(shè).73.1機(jī)械設(shè)計(jì)思路及建TOC\o"1-5"\h\z模 ..73.2創(chuàng)新點(diǎn) .83.3 零 件 明細(xì) .9第 四 章 仿 真 分析 ???..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) ..177.1 優(yōu) 勢(shì) 及 創(chuàng) 新點(diǎn) 17TOC\o"1-5"\h\z主 要 關(guān) 鍵 技術(shù) 17應(yīng) 用 前 景 與 趨勢(shì) ..18缺 乏 與 改良 .…???.18仿生魚(yú)機(jī)器人設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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(gè)世紀(jì)，也是未來(lái)人類賴以生存的資源海洋，對(duì)于人類的開(kāi)展和社會(huì)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(huì)可持續(xù)開(kāi)展的重要財(cái)富。因此，對(duì)于海洋的開(kāi)發(fā)和爭(zhēng)奪成了很多興旺國(guó)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)不可能到達(dá)的深度或區(qū)域進(jìn)展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(kāi)發(fā)進(jìn)入了新時(shí)代。隨之“藍(lán)色經(jīng)濟(jì)〃越來(lái)越成為各沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)開(kāi)展的“正能量〃，大規(guī)模的開(kāi)發(fā)探測(cè)和利于海洋資源，已經(jīng)成為我們21世紀(jì)要面對(duì)和必須解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。另外，軍事方面對(duì)其需求也日益增加，為了適應(yīng)這種需求，研究和開(kāi)發(fā)潛水器和水下機(jī)器人成為了極佳的選擇。魚(yú)類經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的自然選擇，具備非凡的游動(dòng)能力，近年來(lái)隨著仿生技術(shù)的進(jìn)步，人類紛紛模仿自然界中魚(yú)類的運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)器官，即各種各樣的水下機(jī)器人。世界上第一臺(tái)水下機(jī)器人“Poodle”誕生于1953年。近20年來(lái)，水下機(jī)器人有了很大的開(kāi)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(tái)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(zhǎng)時(shí)間工作，降低工作風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率，而且還可以檢測(cè)水污染狀況，監(jiān)測(cè)魚(yú)類生長(zhǎng)狀況，探測(cè)海底火山活動(dòng)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(duì)我軍的探測(cè)幾率，甚至可以攜帶炸藥至敵人軍艦處，炸毀敵方艦艇的動(dòng)力系統(tǒng)，摧毀敵方艦隊(duì)。此外，仿魚(yú)形水下機(jī)器人還可以應(yīng)用于海洋動(dòng)物園。仿魚(yú)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)域表達(dá)出了廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在價(jià)值。1.2研究現(xiàn)狀目前仿生機(jī)器魚(yú)的驅(qū)動(dòng)方式以傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式為主，由于其易于控制、驅(qū)動(dòng)力大等特點(diǎn)，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了較好的游動(dòng)性能。目前國(guó)外的仿魚(yú)形機(jī)器人的開(kāi)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(guó)和國(guó)外研究相比系統(tǒng)性和根底性較弱。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(gè)基于舵機(jī)控制的仿生機(jī)器魚(yú)，將從仿生依據(jù)、工作原理、運(yùn)動(dòng)特性、控制特點(diǎn)等方面詳細(xì)說(shuō)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(gè)基于舵機(jī)控制的仿生機(jī)器魚(yú)，將采用ArduinoUNOR3控制三個(gè)舵機(jī)進(jìn)展運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)仿生魚(yú)在水中的直行、轉(zhuǎn)彎、速度控制、避障等功能。其具體機(jī)械構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)特性以及控制系統(tǒng)，以上容將在下文詳細(xì)說(shuō)明。2.2仿生依據(jù)魚(yú)類行為學(xué)者的研究說(shuō)明，大多數(shù)魚(yú)類把身體當(dāng)作推進(jìn)器，身體左右擺動(dòng)擊水，利用其產(chǎn)生的反作用力使魚(yú)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(dòng)推進(jìn)理論[1]''的魚(yú)類游動(dòng)機(jī)理，該理論主要以魚(yú)的脊椎曲線為研究對(duì)象，魚(yú)體之所以能夠前進(jìn)，是因?yàn)榧棺登€帶動(dòng)它所包絡(luò)的流體向后噴出，產(chǎn)生推力使魚(yú)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(duì)地速度為VB,入是波長(zhǎng)，f為擺動(dòng)頻率，工作質(zhì)對(duì)地速度為VW,由于魚(yú)體在水中的阻力與速度呈遞增關(guān)系，故在啟動(dòng)瞬間，魚(yú)體受到的阻力可以忽略不計(jì)，因此根據(jù)動(dòng)量守恒定理有公式：MlXVW=M0XVB(1)通過(guò)動(dòng)量守恒推出魚(yú)類推進(jìn)公式：VB=YfXY是一個(gè)小于1的系數(shù)，它表征了魚(yú)類的幾何特征、體重對(duì)速度的影響,稱之為動(dòng)力特征系數(shù)，波動(dòng)推進(jìn)假設(shè)是建立在對(duì)脊椎曲線包絡(luò)的水的質(zhì)量積分和動(dòng)量定理之上。魚(yú)游動(dòng)時(shí)使流體產(chǎn)生了別離，并且以漩渦的方式拋出尾部，漩渦的拋出速度和擺動(dòng)頻率一致，在一個(gè)周期，尾部產(chǎn)生一對(duì)旋向相反的漩渦，推動(dòng)魚(yú)前進(jìn)。在對(duì)資料進(jìn)展充分的研讀和總結(jié)后，我們發(fā)現(xiàn)魚(yú)類運(yùn)動(dòng)主要有以下幾種方游動(dòng)方向潰動(dòng)方向(d)始科模式(a)鰻鯽模式(b)亞躲科模A(c)游動(dòng)方向潰動(dòng)方向(d)始科模式(a)鰻鯽模式(b)亞躲科模A(c)鱷料模式由此根據(jù)波動(dòng)推進(jìn)理論，利用舵機(jī)設(shè)計(jì)一種三關(guān)節(jié)仿生魚(yú)，以實(shí)現(xiàn)仿生魚(yú)的前進(jìn)和自由轉(zhuǎn)向。對(duì)于魚(yú)的運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，主要靠其優(yōu)越的體型和魚(yú)鰭來(lái)進(jìn)展推動(dòng)和靈活的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于各魚(yú)鰭的作用，我們作了以下的總結(jié):對(duì)于各魚(yú)鰭的作用，我們作了以下的總結(jié):背鰭：用來(lái)保持魚(yú)身體側(cè)立，控制平衡。尾鰭：用來(lái)推進(jìn)與控制方向。胸鰭：用來(lái)推進(jìn)、控制、平衡、剎車。腹鰭：用來(lái)維持平衡，輔助升降臀鰭：用來(lái)輔助控制平衡。目前一般用于機(jī)器魚(yú)外形設(shè)計(jì)的仿生對(duì)象有金槍魚(yú)、梭子魚(yú)、鯉魚(yú)、鰻魚(yú)。這幾種魚(yú)或者具有極高的游動(dòng)速度，或者具有優(yōu)異的機(jī)動(dòng)性能，或者具有絕佳的游動(dòng)效率，它們都符合“波動(dòng)推進(jìn)理論〃的運(yùn)動(dòng)模式，因而成為仿生魚(yú)模仿的典。這些魚(yú)類的外形呈現(xiàn)為流線形，不僅從魚(yú)頭到魚(yú)尾的水流運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，而且水動(dòng)力學(xué)阻力也很小，顯示出這類外形具有良好的水動(dòng)學(xué)性能。因而，這類流線形魚(yú)體成為機(jī)器魚(yú)外形設(shè)計(jì)的最正確選擇。明確了生物各局部的功能作用以后，我們對(duì)仿生機(jī)器魚(yú)的總體構(gòu)造有了初步的設(shè)想，決定利用曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)來(lái)用一個(gè)舵機(jī)控制魚(yú)的尾鰭運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)魚(yú)的身體呈現(xiàn)三個(gè)關(guān)節(jié)，增強(qiáng)其靈活性，同時(shí)用兩個(gè)舵機(jī)分別控制一個(gè)胸鰭，以控制其轉(zhuǎn)向和速度。第三章機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)3.1機(jī)械設(shè)計(jì)思路及建模在初步設(shè)想的根底上，我們對(duì)仿魚(yú)機(jī)器人的部架構(gòu)進(jìn)展了實(shí)體建模。從實(shí)體模型中可以看出，我們的方案在多個(gè)方面和確定課題時(shí)相比發(fā)生了較大的改動(dòng)。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(yú)的真實(shí)構(gòu)造，也方便控制的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，在經(jīng)過(guò)研究討論之后，改變使用帶傳動(dòng)進(jìn)展推進(jìn)的想法，利用曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)來(lái)用一個(gè)舵機(jī)控制魚(yú)的尾鰭運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)魚(yú)的身體呈現(xiàn)三個(gè)關(guān)節(jié)，在可擺動(dòng)局部可以兩個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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(guò)Arduino控制板控制舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)角度，帶動(dòng)有一定傾角的胸鰭按指定速度扇動(dòng)，通過(guò)兩胸鰭速度差異，來(lái)控制仿魚(yú)形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。同時(shí)在其頭部安裝超聲波測(cè)矩裝置，給出理想的深度，在測(cè)出離水底的矩離后自主判斷，控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，帶運(yùn)動(dòng)胸鰭改變機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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)展密封，貼合此部框架進(jìn)展裝配。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(yú)中間的板上，中間加密封墊圈，對(duì)部構(gòu)造及電子器件進(jìn)展保護(hù)和可靠的防水，同時(shí)為整個(gè)機(jī)器人提供流線型構(gòu)造利于運(yùn)動(dòng)。3.2創(chuàng)新點(diǎn)使用一個(gè)舵機(jī)控制兩個(gè)魚(yú)尾關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，利用曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，用直徑6mm的不銹鋼長(zhǎng)桿進(jìn)展連接，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(shí)，減輕重量。改變大多數(shù)已有產(chǎn)品使用背鰭進(jìn)展轉(zhuǎn)向控制的思路，利用兩個(gè)分別舵機(jī)控制的胸鰭來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，使魚(yú)形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，防止出現(xiàn)翻身、直立等非正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3.3零件明細(xì)3EDE中閂與而與-F￥.1陀視回定根HE?旗上有直女糧塑制品廠12?9璇機(jī)肝耕1特枕機(jī)舞人33*樁溢廊林符憂睥A.34DB_CRO$S_SCREWKJfFSK.'MXI4-1中匚品中由五金專首圭125DB_CRD葵_3匚KEWS_T品中覽五金專營(yíng)店1563B_CRDSS_SCREW$_T，電MEXI2-12-C品中質(zhì)五金專營(yíng)店367DB_FAST田ER_NUT_S?山pJrt4-n扉中吱五室專莒J占12BGBFASTB^IER_NULSTN顯中賢五金,巷店35,9DB_FA5TB^IEF_NI」T_STN肝M5-N月中甫石僉專營(yíng)圭￡II10身尾間雎椅膠固定板H—日上捐尚文膻制品廠1E11L釁彌誠(chéng)五金酬域22.,12魚(yú)頭鬼1H—日上梅尚女膻制品廠1■113皿樺亞岳莎，上持肖火梅塑荊昂廠214n—日上奔尚阪櫥里制品廠2■15則靖行，叱3也色沽歧如店2r16則堵9七色的旗艦店2E17任但前二祖利殲1■齋尚打椅期利品廠1PIS魚(yú)尾中畛節(jié)榮-樵UfF原if#上爵也只摘塑刊昂廠2■19同f半牙螟射"=K樣玉擊村恢別嫁壯王老城2a2Q■4■用加L技嗎古金I-2z21tn攝翻生）K樣津n更不粉櫥1z-22魚(yú)尾中昭節(jié)榮-人litrbislJ■L有尚女摘塑刊品廠1a23魚(yú)尾中部關(guān)節(jié)架-W上擔(dān)尚女榆塑刊品廠124litrbislJ■L有尚女摘塑刊品廠1n25七色妨旋艦店1r26目走用*JB卡扣賢涅五業(yè)利品，一1第四章仿真分析在明確了仿魚(yú)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式和機(jī)械構(gòu)造后，我們對(duì)其關(guān)鍵零件進(jìn)展了必要的強(qiáng)度校核仿真。通過(guò)分析，我們知道，由于整體推動(dòng)是通過(guò)尾部的擺動(dòng)提供動(dòng)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(shí)不會(huì)發(fā)生大的變形或斷裂。因此，我們將魚(yú)的尾部模擬成1平方分米的方形板，設(shè)其運(yùn)動(dòng)的平均速度為0.3m/s，尾部的材料為PBT塑料，通過(guò)軟件對(duì)其壓強(qiáng)和受力進(jìn)展仿真分析，各項(xiàng)參數(shù)如下：Cd=Fd/(p*uA2A/2)Cd=2;P=Fd/A二Cd*p*u八2/2=90N/m八2Cd阻力系數(shù)A平板面積p水的密度u移動(dòng)速度PBT塑料平安系數(shù)：1.5

上■dMdtaO^prhi(敏;上■dMdtaO^prhi(敏;di回口皇*JOTHtHTM?3muBfMtHl?JIMM.is*..L*..MiU^K-■皿*■皿*期uwMni齡內(nèi)*ian^iiiU：占中I由于我們?cè)O(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(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)相連接，以到達(dá)使用一個(gè)舵機(jī)控制實(shí)現(xiàn)兩個(gè)關(guān)節(jié)在水中協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的目的。因此對(duì)這根長(zhǎng)桿進(jìn)展必要的強(qiáng)度校核仿真分析。定其材料為不銹鋼，長(zhǎng)度為0.3米，通過(guò)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=0.3mF=AP=0.01*90=0.9NT=RF=0.27Nm

通過(guò)仿真分析可得出結(jié)論，所受載荷均在屈服圍之，滿足要求。第五章電路設(shè)計(jì)在以上機(jī)械構(gòu)造確定的根底上，基于電路中的核心局部ArduinoUNOR3控制板和三個(gè)舵機(jī)，進(jìn)展了電路設(shè)計(jì)。電路截圖如下：ARD1ARDUINOUNO我言onEH囪dLI-M莒』ARD1ARDUINOUNO我言onEH囪dLI-M莒』UTSSUN_<也ljel一omgdLJ一rilad2一2富d苦始忌￡u3留口owsLJd30W莒d皇o

DD>□I□匚n□如圖可見(jiàn)，電路圖上方為三個(gè)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(hào)接口分別連接三個(gè)舵機(jī)的信號(hào)線，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角；12,13號(hào)接口接出，連接超聲傳感器測(cè)距裝置，測(cè)得深度與預(yù)期深度比照實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。第六章控制系統(tǒng)本仿魚(yú)形機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由Arduino控制板、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(dòng)姿態(tài)，由超聲波傳感設(shè)備進(jìn)展測(cè)量和反應(yīng)，從而進(jìn)展誤差調(diào)節(jié)，接近預(yù)期設(shè)定姿態(tài)。開(kāi)始『控制代碼：#include<math.h>#include<stdio.h>#include<Servo.h>Servoleftservo;Servorightservo;〃弧度轉(zhuǎn)速Servobehindservo;〃弧度轉(zhuǎn)速〃魚(yú)體離水底距離intdepth;〃魚(yú)體離水底距離intexceptdepth;//預(yù)期魚(yú)體離水底距離floatRKP=160;floatRKI=1.6;floatRKD=0.05;floatRcons0=RKP+RKI+RKD;floatRcons1=-RKP-2*RKD;floatRcons2=RKD;floatLKP=160;floatLKI=1.6;floatLKD=0.05;floatLcons0=LKP+LKI+LKD;floatLcons1=-LKP-2*LKD;floatLcons2=LKD;floatRerror;floatRerror_1=0;floatRerror_2=0;floatLerror;floatLerror_1=0;floatLerror_2=0;階floatRu;floatRu_1=0;//右輪PID參數(shù)//左輪PID參數(shù)〃左右輪的e二期待-反應(yīng)_n表示nfloatdeltaRu;floatLu;floatLu_1=0;floatdeltaLu;intinputPin=13;intoutputPin=12;inti;intanglel;intangler;voidsetup()(Serial.begin(9600);leftservo.attach(9);rightservo.attach(10);behindservo.attach(11);pinMode(inputPin,INPUT);pinMode(outputPin,OUTPUT);)intdepthmeasure()(〃左右舵機(jī)u有關(guān)的參數(shù)//超聲波測(cè)距輸入輸出口〃左右鰭煽動(dòng)角度//測(cè)量魚(yú)體與水底距離digitalWrite(outputPin,HIGH);Serial.println(outputPin);delay(20);digitalWrite(outputPin,LOW);Serial.println(outputPin);delay(20);)voidloop。(leftservo.write(0);rightservo.write(0);behindservo.write(0);depth=depthmeasure(); //測(cè)深度Rerror=exceptdepth-depth;Lerror=exceptdepth-depth;deltaRu=Rcons0*Rerror+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(anglel);rightservo.write(angler);behindservo.write(180);)第七章總結(jié)7.1優(yōu)勢(shì)及創(chuàng)新點(diǎn)小組在完成機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)的根底上進(jìn)展了實(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(dòng)、裝配演示，形成了一個(gè)才目對(duì)完整的仿生魚(yú)機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程。本機(jī)器人有以下創(chuàng)新點(diǎn)：機(jī)械構(gòu)造的創(chuàng)新。在以往已有的機(jī)器人的根底上，進(jìn)展了機(jī)械構(gòu)造的優(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?？刂葡到y(tǒng)的創(chuàng)新。使用Arduino控制板對(duì)三個(gè)舵機(jī)進(jìn)展精準(zhǔn)控制，并引入反應(yīng)環(huán)節(jié)，對(duì)仿生魚(yú)的深度、姿態(tài)進(jìn)展判斷和調(diào)節(jié)。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)展轉(zhuǎn)向控制的思路，利用兩個(gè)分別舵機(jī)控制的胸鰭來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，使魚(yú)形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，防止出現(xiàn)翻身、直立等非正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。7.2主要關(guān)鍵技術(shù)水下仿魚(yú)機(jī)器人總