仿生機器人案例教學探索仿生科技的創(chuàng)新與應用匯報人:馬明旭目錄仿生機器人概述01仿生魷魚機器人02技術實現(xiàn)細節(jié)03仿生青蛙機器人04應用實例展示0501仿生機器人概述仿生機器人概述水下仿生機器人前言近年來，隨著仿生學研究的不斷進步，科研工作者的目光集中到長期生活在水下，特別是能在水中自由遨游的魚類的游動機理的研究上。魚類游動具有效率高、速度快、機動靈活等許多優(yōu)點，而這正是目前水下推進器的設計目標。傳統(tǒng)的AUV雖然用途不同，但其運動控制和推進系統(tǒng)是由多個螺旋槳推進系統(tǒng)組成，并以電磁馬達或液壓馬達為更多的原動力。推進裝置體積大、能耗高、效率低，且具有較大的噪聲和尾跡，使得auv的啟動、加速性能差、靈活性和隱蔽性難以滿足水下機器人技術發(fā)展的需要。02仿生魷魚機器人設計原理解析仿生魷魚機器人設計原理仿生魷魚機器人通過模擬烏賊的游動方式，利用主要推進機構、頭部加速機構和重心調節(jié)機構實現(xiàn)水下靈活多自由度的運動。尾部加速機構解析尾部加速機構模仿吸血烏賊的觸腕，通過開合運動推動水流向后，從而產(chǎn)生向前的推力，實現(xiàn)水下加速和快速移動。主要推進機構解析兩側肉質鰭機構形成正弦波類似波產(chǎn)生向或者向后的動力。當兩側裙邊擺動的速度不同時，可以實現(xiàn)仿生水下機器人向速度較慢的一側轉向。重心調節(jié)機構解析重心調節(jié)機構是通過絲桿的運動改變艙體內的重物的位置，能夠實時調整水下機器人的三維姿態(tài)。推進機構特點仿生魷魚機器人推進機構仿生魷魚機器人采用波動式推進，通過兩側肉質鰭機構和尾部加速機構實現(xiàn)水下靈活多自由度運動。主要推進機構特點主要推進機構包括浮子、覆膜連接的曲軸和電機驅動，以及重心調節(jié)機構，共同實現(xiàn)高效穩(wěn)定的水下運動。尾部加速機構設計尾部加速機構模仿吸血烏賊觸腕，通過開合運動推動水流，實現(xiàn)快速游動和加速，提高機動性能。重心調節(jié)機構功能重心調節(jié)機構通過絲桿移動改變重物位置，實時調整水下機器人三維姿態(tài)，實現(xiàn)上浮與下潛。0102030403技術實現(xiàn)細節(jié)三維建模流程三維建模與打印實例以仿生魷魚機器人的曲軸為例，講解了執(zhí)行結構的建模思路與流程，包括拉伸、切除、圓角等命令完成，以及3D打印仿生機器人零件的流程。1.截面處理與偏置軸繪制拉伸曲線構成的曲軸截面。用切除命令切除截面上下邊部分，優(yōu)化結構。鏡像單節(jié)曲軸截面，形成一對。用旋轉命令繪制曲軸偏置軸部分。2.陣列曲軸節(jié)數(shù)用線性陣列命令陣列曲軸其他節(jié)數(shù)。根據(jù)機器人長度調整陣列距離，此處設為22mm。3.調整相位與主軸拉伸用“實體-移動/復制”命令沿Z軸旋轉曲軸各節(jié)，實現(xiàn)90度相位差。拉伸曲軸主軸，對邊線圓角處理，減少應力、提升美觀度。4.連接建模與完成在曲軸末端拉伸矩形凸臺，尺寸適配電機法蘭盤。對凸臺添加圓角與倒角，方便裝配，完成曲軸建模。打印實例3D打印與后處理文件導入與模型調整將STL格式的仿生魷魚機器人曲軸文件，導入3D打印切片軟件BambuStudio。調整模型在軟件中的擺放位置與角度。參數(shù)設置與切片處理設置打印參數(shù)，確保模型擺放穩(wěn)固且支撐最少。對模型進行切片處理。切片完成后，仔細檢查有無錯誤或遺漏。文件導出與打印無誤后，通過切片軟件導出G-code文件。將文件導入3D打印機，開始打印。后期處理打印完成后，對零件進行打磨、拋光處理?？刂葡到y(tǒng)設計直流電機驅動與控制通過RZ7899雙路H橋芯片，實現(xiàn)四路直流電機的前進、后退及制動控制，確保機器人重心調節(jié)機構滑塊準確切換位置。無線遙控與圖像傳輸機器人配備無線遙控功能和頭部攝像頭，實現(xiàn)遠程操控及簡單圖像傳輸任務，增強操作靈活性和監(jiān)控能力。絲桿滑塊重心調節(jié)機構利用絲桿滑塊機構實時調整水下機器人三維姿態(tài)，通過改變重物位置實現(xiàn)下潛或上浮，提高運動穩(wěn)定性。單片機控制系統(tǒng)設計采用stm32F103RBT6單片機輸出PWM信號，讀取傳感器信息，精確控制電機動作和重心調節(jié)，保證機器人高效運行。控制系統(tǒng)設計設計包括直流電機驅動的執(zhí)行器，用于控制肉質鰭的正反轉和調速，以及尾部擺動機構的間歇轉動，實現(xiàn)機器人在水中的轉向和推進。硬件電路及芯片控制對象為四路直流電機，采用RZ7899雙路H橋電機驅動芯片。該芯片有兩個邏輯輸入端子，用于控制電機前進、后退和制動，內置二極管可釋放反向沖擊電流，具有抗干擾性強、待機電流小和輸出內阻低的特點。1、2號腳為控制腳，5、6腳和7、8腳各自連通為兩路輸出腳。電機控制要求前兩路電機：需調速和正反轉控制，無需額外傳感器，各需兩路PWM驅動信號。尾部電機：僅需單向旋轉控制，因要檢測尾部相位是否收起，考慮水下環(huán)境，采用霍爾磁傳感器。在機身和擺動尾鰭固定銣鐵硼強磁鐵與開關型霍爾傳感器，當尾部處于收起相位時，觸發(fā)傳感器輸出腳電平轉換。絲桿滑塊電機：需檢測前中后三個位置。防水倉內的前后極限位置用觸動開關檢測，中間位置采用磁鐵-霍爾傳感器對檢測，在滑塊貼電路板方向粘銣鐵硼強磁鐵，電路板中間位置下部放貼片OH44E型霍爾傳感器，兩者相對時，告知單片機滑塊已到中間位置。單片機控制任務采用stm32F103RBT6單片機控制。主要任務是輸出5個RZ7899電機控制器所需的10路PWM驅動信號，讀取重心調節(jié)機構兩端觸動開關以及兩個霍爾傳感器輸出的位置狀態(tài)信息。04仿生青蛙機器人結構組成介紹傷生青蛙機器人簡介仿生青蛙的設計包括軀干、前肢和后肢，采用防水亞克力倉保護電子元件，尾部加速機構便于更換與維修。仿生青蛙總體設計使用Solidworks中的進行曲面設計，繪制出仿生蛙腿，并對安裝孔位、槽位等細節(jié)進行建模。仿生青蛙三維建模針對現(xiàn)有水下機器人的缺陷，本項目基于青蛙進行仿生設計，主要構成有軀干和后肢，模仿青蛙外形進行設計。運動模擬方式曲柄搖桿機構設計通過設計曲柄搖桿機構，模擬青蛙大腿的擺動，實現(xiàn)仿生青蛙機器人腿部的伸展和收縮運動。雙搖桿機構串聯(lián)將雙搖桿機構與曲柄搖桿機構串聯(lián)，進一步模擬青蛙小腿的擺動，增加運動的靈活性和逼真度。八桿聯(lián)動機構構成整體采用八桿聯(lián)動機構，包括大腿、小腿及腳蹼的擺動，高度模仿青蛙游動時的姿態(tài)和效率。青蛙游動過程示意圖青蛙后肢收縮狀態(tài)機構簡圖三維建模與打印實例曲面設計借助SolidWorks中的PowerSurfacing插件進行曲面設計。將真實蛙腿的三視圖導入SolidWorks，依據(jù)三視圖在插件中拉伸曲面，繪制出仿生蛙腿的外形曲面。細節(jié)建模-安裝孔位與槽位完成外形曲面設計后，對安裝孔位、槽位等細節(jié)進行建模。采用“拉伸-切除”方式排布安裝孔位置。在蛙腿中間切除一個槽，防止蛙腿運動時相互干涉。特殊結構建模以避免干涉考慮到蛙腿桿組復雜，安裝需大量銷軸等連接件。為避免零件與桿件干涉影響蛙腿運動，在建模時繪制凸臺、階梯孔和六邊形螺母孔。通過這些結構使各個桿件的運動平面相互錯開，確保蛙腿運動流暢。三維建模與打印實例打印參數(shù)設置因仿生青蛙用于水面巡航探測或競技，對外殼強度要求低，但需較強浮力，打印時外殼采用15%的默認稀疏填充密度。打印質量和速度均采用默認參數(shù)。支撐設置開啟支撐，選用普通支撐類型。模型擺放模型采用立式擺放形式，能減少蛙殼外表面的支撐數(shù)量。可避免拆除支撐后在蛙殼外表面留下殘留，提高機器人殼體的平滑度，具體擺放效果如圖