多关节鱼形机器的设计（含全套CAD图纸）

I毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书一、题目及专题：一、题目及专题：1、题目多关节鱼形机器人的设计2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据随着人类的发展，对资源的需求不断增加。陆上资源的日益紧缺，让我们把目光投向海洋。21 世纪是海洋开发的世纪，水下机器人在海洋环境研究、海洋资源探测和开发等民用领域和海洋军事方面具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值，吸引了人们更多的注意力。利用仿生学原理，开发类似海豚或金枪鱼的操纵与推进技术是一个很有前途的研究方向之一。上世纪三十年代起，人类开始对鱼类游动进行观察，提出了大量关于鱼类游动机理的解释。近年来，随着人类对鱼类游动机理了解的加深，同时伴随着仿生学、流体力学、机器人学的进步，计算机、传感器和智能控制技术的快速发展，以及新型材料的不断涌现，对仿生水下机器人技术的研究达到了一个新的顶峰，涌现了大量基于鱼类游动机理的仿生水下机器人。三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求：根据水下鱼形机器人的设计方案进行仿真，分析运动规律及校核机构。利用 UG 中三维建模、运动仿真及设计仿真等模块，对已经设计好的机器鱼进行系统仿真，并比较输出数值和计算数值的关系，从而完善设计过程。主要对机器鱼的四个部分进行分析，分别是驱动机构、沉浮机构、转向机构、充电机构。其中，驱动机构由尾部摆动机构实现，鱼身后半部和鱼尾的两节做有相位差的摆动，通过摆动来击打水从而推动鱼身前进。沉浮功能由鱼身前半部分的侧鳍通过转动一定角度来实现的。转向功能，由鱼身前半部分的鳍通过转动一定的角度来实现的，鳍与鱼身竖直方向的夹角的改变使其受到水的推动力的向左或者向右的分力，从而使鱼身可以绕其重心进行旋转。外形设计是根据金枪鱼的外形进行多次拟合而归纳而成的。最终对整个机器鱼进行配重，使重力中心和浮力中心在一条直线上，保证机器鱼能在水中平稳正常运动，同时控制模块中II植入远程通信功能。四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 91 班班 姓名姓名 周跃 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期：自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 20 日日六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师指导教师签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任签名签名 学科组组长研究所所长学科组组长研究所所长签名签名 系主任系主任 签名签名2013 年年 5 月月 20 日日 摘摘 要要根据水下鱼形机器人的设计方案进行仿真，分析运动规律及校核机构。利用 UG 中三维建模、运动仿真及设计仿真等模块，对已经设计好的机器鱼进行系统仿真，并比较输出数值和计算数值的关系，从而完善设计过程。主要对机器鱼的四个部分进行分析，分别是驱动机构、沉浮机构、转向机构、充电机构。其中，驱动机构由尾部摆动机构实现，鱼身后半部和鱼尾的两节做有相位差的摆动，通过摆动来击打水从而推动鱼身前进。沉浮功能由鱼身前半部分的侧鳍通过转动一定角度来实现的。转向功能，由鱼身前半部分的鳍通过转动一定的角度来实现的，鳍与鱼身竖直方向的夹角的改变使其受到水的推动力的向左或者向右的分力，从而使鱼身可以绕其重心进行旋转。外形设计是根据金枪鱼的外形进行多次拟合而归纳而成的。最终对整个机器鱼进行配重，使重力中心和浮力中心在一条直线上，保证机器鱼能在水中平稳正常运动，同时控制模块中植入远程通信功能。关键词：关键词：水下鱼形机器人；运动仿真；远程通信IVABSTRACT According to the underwater fish-shaped robot to simulate the design, analysis and verification body movement. UG in the use of three-dimensional modeling, motion simulation and design of simulation modules, the fish have been designed machine system simulation, and compare the output value and the numerical calculation, in order to improve the design process. The main fish-machine analysis of four parts, namely the drive mechanism, ups and downs mechanism, steering, charging mechanism. Among them, the drive mechanism from the rear swing institutions, fish and fish tail behind the first half there are two of the swing phase, through the swing to hit the water in order to promote the fish forward. Rise and Fall of the functional from the first half of the fish lateral fins rotate through a certain angle to achieve. Shift function, by the fish through the latter part of the pelvic rotation to achieve a certain point of view, the ventral fin fish vertical with the angle between the direction of change to be the driving force of water to the left or the right of the play, so that fish can rotate around its center of gravity. Design is based on the shape of tuna and summarized a number of fitting together. Eventually the whole fish weight machines, so that center of gravity and buoyancy in a straight line, the fish can assure a smooth and normal movement in the water. Control to transplant long range correspondence in the mold piece function in the meantime.Keywords: Fish-shaped underwater robot; motion simulation; communicationV目目 录录摘 要.IIIABSTRACT.IV第 1 章 绪论.11.1 引言.11.2 水下鱼形机器人技术的基本概念.11.2.1 鱼类游动方式的分类.11.2.2 仿鱼鳍机器鱼的特点.21.3 仿生机器鱼研究概况.21.4 目前研究热点及未来发展方向.51.5 本课题研究内容.5第 2 章 UG 中运动仿真和有限元分析模块功能介绍 .72.1 运动仿真介绍.72.1.1 运动仿真模块.72.1.2 运动仿真模块能执行何种类型分析.72.1.3 如何创建运动仿真.72.1.4 运动仿真的机构运动方式.8第 3 章 水下鱼形机器人机构确定.93.1 沉浮机构的确定.93.2 转向机构的确定.133.3 舵机选择.133.4 整体结构位置设计及外形确定.143.4.1 整体结构尺寸确定.143.4.2 外形结构尺寸确定.15第 4 章 基于 UG 的鱼形机器人的运动仿真 .164.1 沉浮机构运动仿真.174.1.1 计算.174.1.2 三维建模.174.13 最终结果分析.184.2 转向机构的运动仿真.204.2.1 计算.204.2.2 三维模型.204.2.3 最终结果分析.20第 5 章 鱼形机器人远程通信.235.1 通信模块的选用.235.2 具体实现.235.2.1 系统总体设计.235.2.2 模块设计.23VI5.2.3 软件设计.24第 6 章 基于 UG 的鱼形机器人动力学分析 .266.1 机器鱼浮力中心和重力中心的估算.266.2 基于 UG 的机器鱼浮力中心和重力中心计算 .286.2.1 浮力计算.286.2.2 重力计算.28第 7 章 结论与展望.307.1 结论.307.2 不足之处及未来展望.30参考文献.31多关节鱼形机器人的设计11第第 1 1 章章 绪论绪论1.11.1 引言引言随着人类的发展，对资源的需求不断增加。陆上资源的日益紧缺，让我们把目光投向海洋。21 世纪是海洋开发的世纪，水下机器人在海洋环境研究、海洋资源探测和开发等民用领域和海洋军事方面具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值，吸引了人们更多的注意力。利用仿生学原理，开发类似海豚或金枪鱼的操纵与推进技术是一个很有前途的研究方向之一。上世纪三十年代起，人类开始对鱼类游动进行观察，提出了大量关于鱼类游动机理的解释。近年来，随着人类对鱼类游动机理了解的加深，同时伴随着仿生学、流体力学、机器人学的进步，计算机、传感器和智能控制技术的快速发展，以及新型材料的不断涌现，对仿生水下机器人技术的研究达到了一个新的顶峰，涌现了大量基于鱼类游动机理的仿生水下机器人。1.2 水下鱼形机器人技术的基本概念水下鱼形机器人技术的基本概念1.2.1 鱼类游动方式的分类鱼类游动方式的分类鱼类游动方式多种多样，1926 年 Breder 根据鱼类推进运动的特征不同，将鱼类游动方式划分为两大类:1)身体(和/或)尾鳍推进(BCF locomotion);2)中间鳍(和/或)对鳍推进(MPF locomotion). 当然鱼类还有其它运动方式，如喷流推进、滑行等。据估计，大约只有 15%的鱼类采用第一种方式以外的其它方式推进。由于 MPF 推进方式速度慢、效率低，因此我们把重点放在研究 BCF 推进方式上。Breder 将 BCF 推进继续细化为五种，如图 1.1 所示。图中反映了不同推进方式下鱼体推进部分的变化。图 1.1 BCF 推进图 1. l 中鲹科结合月牙形尾鳍推进方式（Thunniform）是效率最高、速度最快的推进方式，海洋中游速最快的“鱼类” （金枪鱼、海豚、鲨鱼）都采用该种方式。无锡太湖学院学士学位论文2该方式中推进运动限制在身体后三分之一，仅通过尾部(坚硬的月牙形尾鳍和尾柄)的运动产生超过 90%的推力;同时鱼体的形状和重量分布保证了身体前三分之二横向移动和转轴极小。在游动过程中，月牙形尾鳍做横移和左右摆动(或升沉和上下摆动)的一种复合运动，并随着鱼体前进划出波浪形的轨迹。研究表明，月牙形尾鳍的展弦比、形状、硬度、摆动都对该推进方式的效率产生影响。 由于相比之下具有高速、高效的特点，结合月牙形尾鳍推进方式很适合用于水下机器人。目前，己有多个机器人较成功的采用了这种方式。1.2.21.2.2 仿鱼鳍机器鱼的特点仿鱼鳍机器鱼的特点与传统的螺旋桨推进器相比仿鱼鳍推进器具有如下特点: (1)能源利用率高，初步试验表明，采用仿鱼鳍水下推进器比常规推进器的效率可提高 30-100%。从长远看，仿鱼鳍的水下推进器可以大大节省能量，提高能源的利用率，从而延长水下作业时间。 (2)使流体性能更加完善，鱼类尾鳍摆动产生的尾流具有推进作用，可使其具有更加理想的流体力学性能。 (3)提高水下运动装置的机动性能，采用仿鱼鳍水下推进器可提高运动装置的启动、加速和转向性能。 (4)可减低噪声和保护环境，仿鱼鳍推进器运行时的噪声比螺旋桨运行时的噪声要低的多，不易被对方声纳发现和识别，有利于突防，具有重要的军事价值。 (5)实现了推进器与舵的统一，仿鱼鳍推进器的应用将改变目前螺旋桨推进器与舵机系统分开，功能单一，结构庞大，机构复杂的情况，实现浆一舵功能和二为一，从而可精简结构和系统，简化制造工艺，并降低成本和造价，具有重大的现实意义和使用价值。 (6)可采用多种驭动方式，对于应用于船舶、游艇等方面的仿鱼鳍推进器可采用机械驱动，也可采用液压驱动和气压驱动，以及混合驱动方式:对于小型水下运动装置，可采用形状记忆合金、人造合成肌肉以及压电瓷等多种驱动元件。1.31.3 仿生机器鱼研究概况仿生机器鱼研究概况 国外学者很早就致力于对鱼类推进模式及仿生机器鱼的研究（表 1） 。1994 年 MIT 研究组成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生金枪鱼(Robotuna)。此后，结合仿生学、材料学、机械学和自动控制的新发展，仿生机器鱼的研制渐成热点,表 1 给出了国外一些典型的机器鱼研究项目可以看出，美国和日本进行的机器鱼研究比较多，取得的成果也比较多。 美国，1995 年 MIT 推出了 Robotuna 的改进版机器鱼“Pike”皆在研究鱼的机动性和静止状态下的加速性。1998 年，MIT 推出的 Robtuna 最高版本 VCUUIV 是仿黄鳍金枪鱼研制的，长 8 英尺，重 300 磅，其目的在于开发一种利用涡流控制推进的自主水下机器人。多关节鱼形机器人的设计3 3图 1-2 Robotuna 英国 Essex 大学机器鱼课题组于 2005 年 5 月开始研制一系列的机器鱼，主要工作集中在实现仿鱼游动,特别是非稳定游动方面。该课题组的机器鱼主要集中在两个系列，G系列和 MT 系列。其中系列均是采用多电机一多关节的尾部结构。而 MT 系列机器鱼则是采用单电机-多关节的尾部结构，MT1 长 0.48m，重 355kg，平均推进速度为0.4m/s，自身携带的电池可以提供长达 4.5 小时的稳定游动。 日本 20 世纪 90 年代初，名古屋大学 Toshio Fukuda 教授开始了微型仿鱼水下推进器的研究，他先后研制出采用形状记忆合金驱动的微型身体披动式水下推进器和压电陶瓷驱动的双鲍微型机器鱼。为了研究最优推进方法开发高推进性能的智能型水下机器鱼，从 1999 年开始，运物省船舶技术研究所开始了一系列的实验机器鱼项目研究。无锡太湖学院学士学位论文4图 1-3 运物省船舶技术研究所的 UPF-2001北京航空航天大学，2004 年 8 月，北航机器人所和中科院自动化所合作研制出一条实用的仿生机器鱼，参加了对郑成功古战船遗址的水下考古探侧，这次水下活动被有关专家认定为是国际上首例水下仿生航行体的试验研究。表 1 国外典型的仿生机器鱼研究项目哈尔滨工业大学在国家自然科掌基金支持下研制出了仿生机器鱼样机，该样机长多关节鱼形机器人的设计50.95m，重约 13kg，航速可达 0.3m/s。2006 年，他们又研制了一条仿生机器鱼样机“HRF- 1” ，游动速度可达 0.5m/s，并进行了升潜和转向实验。哈尔滨工程大学研制了一条仿生机器鱼原理样机“仿生-I” ，该机器鱼长 2.4m，最大直径 0.62m。排水量 320Kg，潜水深度 10m，最高航速 13m/s。图 1-4 仿生-I仿生水下机器人由于具有高效的推进性能，良好的隐身性能和操纵性能，有着广阔的应用前景。在民用方面，它可以用于海洋环境研究、海洋资源探测和开发、海洋援潜救生等，也可以作为智能玩具或电子宠物进入百姓家庭。在军用方面，可用于战时侦察，收集清报，探雷与灭雷，潜艇战与反潜战，作为诱饵干扰敌方等，同时也可以作为高性能的智能化武器或武器平台，直接用于袭击和破坏敌方的港口、水下侦察系统、舰船(要害部位)、海上平台、破坏敌方海上运输线等。另外，仿生水下机器人作为一种新兴的水下运载器，为机械、电子、材料、能源等硬件的研制以及单机器鱼控制算法、多机器鱼协调控制等软件的开发提供了全新的平台。1.41.4 目前研究热点及未来发展方向目前研究热点及未来发展方向目前，新型仿鱼鳍机器人的研究及未来发展主要集中在以下几方面; （1）尾鳍摆动式推进模式水动力模型的建立;（2）尾鳍摆动时尾流的产生及其与推进力和推进效率关系数学模型的建立（3）)弹性元件在降低尾鳍摆动能量损失中的应用:（4）机器人姿态、运动轨迹控制;（5）机器人的微型化,1.51.5 本课题研究内容本课题研究内容无锡太湖学院学士学位论文61.鱼的外形设计，本设计是以金枪鱼为模型，要尽量达到其仿真效果 2.鱼体内部各部分的位置安排，保证机器鱼在水里能平稳游动 3.控制部分的设计，达到每秒钟鱼尾摆动 4 次的频率 4.计算部分，包括浮力中心和重力中心的计算，推进力和阻力的计算，各个翻转力矩的计算。多关节鱼形机器人的设计7第第 2 2 章章 UGUG 中运动仿真和有限元分析模块功能介绍中运动仿真和有限元分析模块功能介绍2.12.1 运动仿真介绍运动仿真介绍2.1.12.1.1 运动仿真模块运动仿真模块运动仿真（Motion Simulation）是 UG/CAE 模块中的主要部分，它能对任何二维或三维机构进行复杂的动学分析和设计仿真.通过 UG 建立一个三维实体模型，利用 UG/ Motion Simulation 的功能给三维实体摸型的各个部件斌予一定的运动学特性，再在各个部件之间设立一定的连接关系即可建立一个运动仿真棋型。UG/ Motion Simulation 的劝能可以对运动机构进行大量的装配分析工作、运动合理性分析工作，诸如千沙检查、轨迹包络等，得到大最运动机构的运动参数.通过对这个运动访真模型进行运动学成动力学运动分析，就可以验证该运动机构设计的合理性，并且可以利用图形翰出各个部件的位移、坐标、加速度、速度和力的变化情况，对运动机构进行优化。2.1.22.1.2 运动仿真模块能执行何种类型分析运动仿真模块能执行何种类型分析运动仿真模块可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中的零件速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。运动仿真模块的分析结果可以指导修改零件的结构设计（加长或缩短构建力臂的长度、修改凸轮线性、调整齿轮比等）或调整零件的材料（减轻或加重以及增加硬度等） 。设计的更改可以反映在装配的主模型的复制品运动仿真中再重新分析，一旦确定有话设计方案，设计更改就可以直接反应到装配主模型中。2.1.32.1.3 如何创建运动仿真如何创建运动仿真可以认为机构是一组连接在一起运动的连杆（Links）的集合，UG 可以用下面 3 步生成一个运动仿真：第一步 创建连杆UG 可在运动机构中创建代表运动的连杆。第二步 创建运动副UG 可创建约束连杆运动的运动副。在某些情况下，同时可以创建其他的运动约束特征，如弹簧、阻尼、弹性衬套和接触。第三步 定义运动驱动运动驱动使机构产生运动。每个运动副可以包含下列 5 种可能的运动驱动的一种：无运动驱动：机构只受重力作用。运动函数：用数学函数定义运动方式。恒定驱动：给定初速度和加速度。间歇运动驱动：振幅、频率和相位角。关节运动驱动：步长和步数。2.1.42.1.4 运动仿真的机构运动方式运动仿真的机构运动方式 运动仿真中的机构以下面两种形式运动：关节运动：关节运动是基于位移的一种运动方式。机构已指定的步长（旋转角度或直线距离）和步数运动。无锡太湖学院学士学位论文8运动仿真：运动仿真是基于时间的一种运动形式。机构在指定的时间段种运动，同时指定该时间段中的运动步数进行运动仿真。多关节鱼形机器人的设计9第第 3 3 章章 水下鱼形机器人机构确定水下鱼形机器人机构确定3.13.1 沉浮机构的沉浮机构的确定确定鱼类的上浮和下沉主要要靠其腹内鱼鳔的收缩来实现。鱼鳔收缩使得鱼体体积发生变化，进而影响排开水的体积，从而实现上浮下沉。对鱼鳔充气，鱼体的体积就增大了，从而获得大于自身重量的浮力，将其送到水面；对鱼鳔放气，鱼体的体积就减小，从水中获得的浮力就小于自身重量，鱼便能够实现下潜；当这些鱼类将鱼鳔的体积控制在一定范围内时，鱼类便保持停留在水中的某个位置。鱼类就是这样轻松地通过调整自身鱼鳔的体积很好的实现了浮潜控制。鱼类中，也有一部分不存在鱼鳔，而它们的浮潜运动则是通过侧鳍或躯干来实现的。如鲨鱼，如果停止游动的话，就会沉入水底。所以鲨鱼只能不断游动，靠自身的鱼鳍保持平衡。机器鱼的沉浮机构分为五种：1. 排水法：类似于潜艇，通过控制水箱中的水量来控制重力，从而控制沉浮。图3-1 排水法2. 侧鳍法：类似于飞机的方向舵，是应用非常广泛的机器鱼沉浮控制方法。无锡太湖学院学士学位论文10图3-2 侧鳍法3. 改变鱼头指向法：通过一组机构控制鱼头绕铰链俯仰一定角度，起到与侧鳍相似的作用。图3-3 改变鱼头指向法4. 改变鱼尾指向法：通过一组机构控制鱼尾绕铰链俯仰一定角度，从而获得推动力垂直方向的分力。多关节鱼形机器人的设计11图3-4 改变鱼尾指向法5. 重物调节法：通过鱼体内配重的前后移动，使机器鱼的重力和浮力作用线不共线，从而使机器鱼绕中心进行俯仰，获得推动力垂直方向的分力。图3-5 重物调节法本设计的沉浮机构是侧鳍法。由于侧鳍的电机可以放在鱼身偏前的位置，所以可以根据设计的侧鳍的位置来布置舵机，这样就可以使传动距离比较近，近距离的运动传递可靠性较高且容易实现，这样会减小设计的难度。考虑到要根据不同的要求进行不同的转动角度，所以选择齿轮机构来传递运动，这种机构的优点是传动比稳定，便于控制。但是齿轮作为传动机构的缺点就是重量较大，对于机器鱼这个设计，可知整鱼的浮力中无锡太湖学院学士学位论文12心在鱼身偏前的位置，而重力中心在鱼身中心线靠后的位置，需要在前部增加重量来进行配重，所以侧鳍传动机构的重量偏大在这里是可取的。首先确定了侧鳍的外形，根据图 3-6，黄鳍金枪鱼的外形尺寸，并将一系列金枪鱼的外形进行分析综合得到侧鳍的比较优化的行装和尺寸数据。侧鳍的长度大约为鱼身总长的 1/5，取为 180mm。侧鳍的宽度大约为鱼身高度的 1/4，取为 90mm.侧鳍厚度根据比例定为 30mm。为保证流线型，侧鳍的 UG 三维图生成是通过去不同大小的椭圆，然后生成的曲面。图3-6 金枪鱼外形图3-7 侧鳍传动机构如图3-7，为侧鳍的传动机构图，设计思想是通过舵机牵引，驱动摇臂，从而带动侧鳍进行升降控制。根据电机输出轴的尺寸和位置关系以及轴承具有的尺寸来确定轴的各段直径和外形，最后要对轴和轴承进行校核。多关节鱼形机器人的设计133.23.2 转向机构的确定转向机构的确定经过对水中真实的鱼类运动的观察、试验和分析，得出鱼类的转弯主要是靠尾鳍偏转一定得角度实现的，胸鳍在转向过程中也会起到一定的辅助作用。在此基础上，通过仿生学的研究和模拟，设计出一些解决鱼形机器人转向的方法。本设计采用船舵法。此种机构的理论依据是，尾舵通舵机驱动转动角度，方向舵旋转与游动速度方向成一定的角度，这样游动时水的阻力就会给舵一个垂直于运动方向的力，此力产生力矩，绕重心所在轴线旋转，由此可判定尾舵的位置应尽量远离重心，这样才能使尾舵旋转一个小的角度就有比较明显的效果。图3-8 转向机构外形（如图3-8）尾舵相当于金枪鱼的胸鳍鳍，根据测量和拟合，设计尾舵的竖直长度为鱼身总高度的1/4，取为150mm,横向宽度约为鱼身总长度的1/10，故取为90mm,厚度取为16mm。外形为保证流线型，UG中三维建模为椭圆的拉伸，然后进行小角度的拔模。3.33.3 舵机选择舵机选择1）类型选择由于舵机直接输出转矩与转角，相比电机，省去了一系列减速装置，可以很大程度上进行结构的简化与减重。本设计选用舵机驱动升降舵与方向舵。2）参数确定静转矩的确定，一般来讲负载转矩和最大静转矩的比值通常取为 0.3-0.5 左右，所以：0.4Tax负MT其中侧鳍受的最大力为NFM37. 12 . 017. 1FFax阻浮侧鳍边缘与轴之间的水平距离为 52.5mm，则可知无锡太湖学院学士学位论文14m07124. 037. 1052. 0052. 0NFTMax负m18. 04 . 007124. 0axNTM根据标准舵机参数与尺寸，选用futaba 3003 3001型标准舵机比较合适（图3-9）。参数：1) 适用电压: 4.8 6.0V2) 速度: 0.16sec/60o (无负载)3) 极限扭矩: 3.5kg. Cm4) 工作电流: 300mA5) 静态电流: 1mA6) 死区宽度: 10 uses7) 连接线长度: 255mm8) 尺寸 (L x H x W): 40.8 x 20.1 x 36.5mm9) 重量: 36g10)插头类型: JR 插头图3-9 futaba 3003 3001型标准舵机3.43.4 整体结构位置设计及外形整体结构位置设计及外形确定确定3.4.13.4.1 整体结构尺寸确定整体结构尺寸确定在各种传动机构设计完成以后，要将各种机构安装到比较合理的位置，使得从配重、多关节鱼形机器人的设计15受力、协调性、便于控制、视觉效果好等各个方面更能体现出优化的设计理念。为了更好的利用金枪鱼的生物机理来设计一条较为合理的鱼形机器人，首先对金枪鱼进行了分析。如图3-10所示为一条金枪鱼，根据设计要求，设计一条全长1000mm的鱼形机器人。 图3-10 机器鱼身长各部分尺寸确定由根据测量和计算，设定机器鱼鱼头、鱼前身、鱼后身以及鱼尾的各部分长度，如图3-4所示。个部分采用模块化结构，分为动力，控制，方向控制和电源模块为使得重心尽量靠前，各部件将尽可能的靠前放置。经过反复修改，最后得到如图3-9 的机构。最后进行重力中心及浮力中心的计算并配重，使鱼在水中可以平衡。图3-9 机器鱼机构的总体设计3.4.23.4.2 外形结构尺寸确定外形结构尺寸确定该机器人以金枪鱼(见图3-1)为蓝本，长1m，最大截面椭圆长半轴196.3mm，短半轴71.0mm，体积198413399mm3。外形设计的参数见表3-1，根据表中数值，得到机器鱼的外形特征，如图3-11 图3-12所示。表3-1 机器鱼外型尺寸参数表 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10鱼高 156.6 238.4 287.6 327.6 357.8 382.8 392.6 387.4 362.8 324.0侧厚 57.4 83.2 108.6 124.2 135.6 139.6 142.0 137.6 131.6 125.2 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20鱼高 277.8 224.0 178.4 127.6 93.4 68.2 43.4 244.6 360.8 362.8无锡太湖学院学士学位论文16侧厚 113.0 97.2 78.0 62.8 51.0 38.4 23.6 10.8 4.2 3.8图 3-11 机器鱼龙骨图 3-12 机器整体图多关节鱼形机器人的设计17第第 4 4 章章 基于基于 UGUG 的鱼形机器人的运动仿真的鱼形机器人的运动仿真UG 运动分析模块是一个基于刚体学的模拟仿真分析的 CAE 工具。它能对任何二维或三维机构进行复杂的运动学分析、静力学分析和动力学分析，同时进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。运动分析的结果可以指导修改零件的结构设计，调整零件的材料。运动分析模块自动复制主模型的装配文件，并建立一系列不同的运动分析方案。每个运动分析方案均可独立修改，而不影响装配主模型，一旦完成优化设计方案，就能直接更新装配主模型以反映优化设计的结果。本章内容主要介绍机器鱼在 UG 运动分析模块中的运动学仿真模型，并对比分析了仿真结果与理论计算结果的差异。运用 UG6.0 建立机器鱼的运动学仿真模型，图 5-1 表示整个建模的过程。图 4-1 系统运动学分析的过程4.14.1 沉浮机构运动仿真沉浮机构运动仿真4.1.14.1.1 计算计算 根据选择的舵机最大角度输出时，则侧鳍转动角度应为 45。当设置为关节运动时，每运动一步，侧鳍转动 45，从而实现整个机器鱼的上升与下降。4.1.2 三维建模三维建模简化沉浮机构（侧鳍）的部件，去除不影响运动学仿真结果的零部件，如图 4-2 所示为其简化结果。无锡太湖学院学士学位论文18图 4-2 侧鳍三维建模4.13 最终结果分析最终结果分析不同的运动驱动产生不同的运动。当运动驱动定义为关节运动驱动时，机械系统以特定的步长和步数运动，用户可以对其进行关节运动分析（基于位移的系统运动分析） 。当运动驱动为运动函数、恒定驱动或简谐运动时，则可以对机械系统进行运动仿真（基于时间的系统运动分析） 。同时根据需要利用各种封装选项来完成跟踪、测量、干涉检查的功能。这里采用简谐运动驱动，简谐运动的运动规律为： *sin()AB*t +A、B、t 分别表示幅值、角频率、相位角、角位移和时间。连杆一（电机输出轴）为输入机构，连杆三（侧鳍）为输出机构。根据所选的舵机，设置幅值 45，频率 90。Y轴为速度，Y 轴的分量为欧拉角度 3 即沿 Z 坐标轴的转动分量。旋转副三的位移和时间关系曲线如图 5-4 所示。多关节鱼形机器人的设计19图 4-3 侧鳍运动副截图图 4-4 侧鳍运动图表无锡太湖学院学士学位论文20运动结果分析：由图 4-4 可知，侧鳍在电动机的带动下，每侧旋转 45，与计算结果一致。此机构设计准确。实际运动过程中，侧鳍不是往复运动，机器鱼需要上升时侧鳍转过 45，需要下降时侧鳍转过-45，从而实现机器鱼的沉浮运动。4.24.2 转向机构的运动仿真转向机构的运动仿真4.2.14.2.1 计算计算根据选择的舵机，最大输出转角时，胸鳍转过 45。当设置为关节运动时，每运动一步，舵转动 45，从而实现整个机器鱼的转向。4.2.24.2.2 三维模型三维模型简化转向机构（舵）的部件，去除不影响运动学仿真结果的零部件，如图 4-5 所示为其简化结果。图 4-5 转向机构的三维建模4.2.34.2.3 最终结果分析最终结果分析不同的运动驱动产生不同的运动。当运动驱动定义为关节运动驱动时，机械系统以特定的转角，用户可以对其进行关节运动分析（基于位移的系统运动分析） 。当运动驱动为运动函数、恒定驱动或简谐运动时，则可以对机械系统进行运动仿真（基于时间的系统运动分析） 。同时根据需要利用各种封装选项来完成跟踪、测量、干涉检查的功能。这里采用简谐运动驱动，简谐运动的运动规律为： *sin()AB*t +A、B、t 分别表示幅值、角频率、相位角、角位移和时间。连杆一（电机输出轴）多关节鱼形机器人的设计21为输入机构，连杆四（舵）为输出机构。根据所选的舵机，设置幅值 45，频率 90。Y 轴为速度，Y 轴的分量为欧拉角度 3 即沿 Z 坐标轴的转动分量。旋转副五的位移和时间关系曲线如图 4-6。图 4-6 方向舵运动副截图无锡太湖学院学士学位论文22图 4-7 舵运动图表运动结果分析：由图 4-7 可知，每侧旋转约为 45，与计算结果基本一致。此机构设计基本准确。实际运动过程中，转向舵不是往复运动，机器鱼需要左转时舵向右转过 45，需要右转时舵向左转过 45，从而实现机器鱼的转向运动。多关节鱼形机器人的设计23第第 5 5 章章 鱼形机器人远程通信鱼形机器人远程通信5.15.1 通信模块的选用通信模块的选用无线传感器网络具有节点体积小 ,消耗能源器和 Clinux 嵌入式操作系统的节点，用节点少 ,自组织网络和应用广的特点。随着手机 GPRS 网络的普及，利用 GPRS 实现网络远程无线通信不失为一种很好的手段。5.25.2 具体实现具体实现5.2.15.2.1 系统总体设计系统总体设计整个系统分为远程监控中心和现场监控网络两部分 。远程监控控制中心主要由监控中心服务器、数据库系统与应用软件和 GPRS通信模块组成 ;现场监控网络主要由无线传感网络实现 ,包括监控中心节点和监控终端节点组成 。监控中心节点由 GPS接收机、单片机、 CC2430模块和 GPRS通信模块组成 ;监控终端节点由传感器和 CC22430模块组成 。由 GPRS网络实现远程监控中心和现场监控网络之间的通信 。将本系统用于现场监控时 ,将终端节点放置控区域内 ,终端节点能够自主形成无线监控网络 。每个节点搜集周围环境的信息 ,通过无线传感网络信息传至 ZigBee中心节点 ,由中心节点通过 GPRS网络将数据信息及中心节点的地理信息发送到监控中心 ,与控制端交换信息和指令 ,监控人员根据检测信息及时进行决策和处理 。5.2.25.2.2 模块设计模块设计现场监控网络主要由监控中心节点和监控终端节点组成 ,其中监控终端节点主要完成数据采集 ,监控中心节点一方面接收终端节点的环境信息 ,同时要将环境信息和地理信息通过 GPRS网络发送至远程监控控制中心。监控终端节点由传感器模块、 块和电源模块组成 .传感器负责监控区域内信息的探测和数据转换 ; CC2430负责控制整个节点的管理、数据采集和无线通信 ;电源模块为传感器节点提供运行所需的能量 . 监控中心节点由单片机、 GPRS通信模块、 GPS接收机和电源组成 .其中单片机为主控机 GPRS通信模块发送和接收数据 .系统中集成了 GPS接收机 ,主要是考虑便于现场监控网络系统的移动监测和随机布点需要 . a.单片机 .监控中心节点选用 8051系列单片机 ,由于 GPRS ,CC2430和 GPS模块都需要通过串口与单片机通信 ,因此通过模拟开关 74 HC4052芯片选择不同模块进行通信 .当 74 HC4052芯片的使能端 VEE为低电平时 ,若 S1和 S2都为低电平时 ,串口 0接通 ,单片机与 GPRS进行通信 ;若为 S1低电平 ,S 0为高电平时 ,串口 1接通 ,单片机与监控点 CC2430模块进行通信 ; S1为高电平 ,S 2为低电平时 ,串口 2接通 ,单片机与 GPS进行通信 .因此通过 P0. 0和 P0. 1口来控制 S1和 S0的状态就能选择 A T89C52与不同模块进行通信 。b.电源模块 .由于单片机、 74 HC4052芯片、 Max232芯片和 TC35i模块的供电电压为 5 V,而 CC2430模块和 GPS模块的供电电压为 3.3 V,为了将 5V转化为 3.3 V,需要采用 TPS7333Q芯片来实现电压的转换。c. GPS模块 .系统的 GPS模块采用 E531 GPS接收模块 ,定位信息模块的串行通信接口 ,以 NM EA0183格式传送到单片机 ,再经 GPRS模块发送出去供监控管理中心接收。无锡太湖学院学士学位论文24d. GPRS模块 . GPRS模块选用 TC35系列的 TC35i模块 ,具有设计紧凑、高性价比等特点 ,并且已经有国内的无线电设备入网证。5.2.5.2.3 3 软件设计软件设计软件可根据现有GPRS协议进行编写。多关节鱼形机器人的设计25第第 6 6 章章 基于基于 UGUG 的鱼形机器人动力学分析的鱼形机器人动力学分析6.16.1 机器鱼浮力中心和重力中心的估算机器鱼浮力中心和重力中心的估算当机器鱼在游动中胸鳍转动一定角度时，由于鱼的向前游动，水对侧鳍会有一定的冲力，由于这个力较小，所以要求机器鱼在水中的状态为悬浮状态或接近悬浮状态。既然要求机器鱼在水中处于悬浮状态，就要求密封完的机器鱼重量等于或略小于鱼体排水量，这里设计成略小于的状态，这里我们通过配重使鱼体重量为排水量的 98%，这样有利于鱼体的升潜运动。对于以侧鳍转动为升潜方式的机器鱼，重力作用点位置以及浮力作用点的选择至关重要。当浮力的作用点与机器鱼体重心不相同时，仿生机器鱼在水下游动时将不能够保持水平状态，这是在鱼体整体设计时所必须考虑的方面。机器鱼在静止状态的情况下主要受到两个力的作用，一个是流体的浮力，一个是仿生机器鱼的重力。如图 7-1 所示：浮力中心坐标是，重力中心坐浮力中心11,x y22,xy与重力中心在 x 方向的差值会形成对 y 轴的转矩 My，转矩 My 会使鱼体产生前后的颠覆运动。在 y 方向的差值会形成对 x 轴的转矩 Mx，转矩 Mx 会使鱼体产生左右的转动运动。这种左右的滚动运动、前后的颠覆运动对鱼体的推进毫无帮助，只会损害鱼体的推进效率。而且转矩 Mx、My 在鱼体前进过程中是变化的，这种变化还会增加机器鱼控制上的难度。因此在设计上要尽量减少这种静态的不稳定性，还要计算出转矩 Mx、My 在每一时刻的值，以便对仿生机器鱼进行反馈控制。图 6-1 机器鱼受力图无锡太湖学院学士学位论文26浮力中心的估算步骤：第一步，绘出仿生机器鱼鱼体主视图的外形， 。取出 X 方向一些间隔相等的点。第二步，将鱼体分为 N 片，每片的截面都是一个形状相似、大小不同的椭圆。如图7-3 所示图 6-2 体积单元计算第三步，计算浮力。半径为 a 和 b 的椭圆面积为， 底面积为 s 高为 h 的圆锥或棱锥的体积为。那ab3sh我们假定相邻的片 i 和 i+l 有相似的形状。相邻片之间的体积 Q和排水量就3miW kgf可以用下面的式子来计算。式中为较大的面积，为较小的面积，h 为两相邻片之间的距2S离，p 为比重（）31000/Kg m 12221111311iiSQhSSSSS iiWQ第四步：计算浮力中心由下式可以计算出浮力中心的坐标,其中为相邻片间的体积，为相邻片,GGXYiQ,ix间的中点坐标.多关节鱼形机器人的设计27 1,1 12233111NiiNNiGQ xQ xQ xQ xQxxQQ基于上面的讨论，我们可以得到机器鱼排水量和浮力的计算结果。总排水量应该要比总质量大。重力中心的横坐标应与浮力中心的横坐标很接近，如果有小的差值可以用一个平衡块来调节。6.26.2 基于基于 UGUG 的机器鱼浮力中心和重力中心计算的机器鱼浮力中心和重力中心计算6.2.16.2.1 浮力计算浮力计算在 UG 中，可以通过软件直接计算出鱼体的体积与重力中心，当把机器鱼外壳填充成实心物体，然后计算这个实心物体的体积和重力中心。得到的重力中心就是机器鱼的浮力中心，在这个设计的机器鱼中，可得到如下数据（坐标原点如图 7-1 所示） 体积 3V=19841399m m 浮力中心x =369. 9m m y=0. 00m m z=0. 00m m可以计算出浮力 NxVW41.198)9(101984139910310g6.2.26.2.2 重力计算重力计算 在 UG 中，重力和和重力中心的计算可通过对各个实体赋予材料来准确计算。在这个机器鱼中，由于电机和减速箱的外形尺寸得质量和体积大概为 M =0. 2*4+0. 4=1. 2kg=1200g 233.5 332.6 2327. 7V=42. 33. 14=199459. 36m m2于是上式可得出电机和减速箱的平均密度 3391200 106016.26/199459.36 10MKg mV所以将电机和减速箱体的密度赋予，将箱体的质量赋予可锻铸铁的密36016.26/Kg m度，尾巴和侧鳍赋予密度为 1150 的橡胶，外壳赋予密度为 1400 37192/Kg m3/Kg m的玻璃钢，太阳能板赋予密度为 2400 ，将其他实体赋予铸钢的密度3/Kg m3/Kg m（UG 中默认材料的密度为） 。然后将 UG 中坐标设置在鱼嘴的中37831/Kg m37831/Kg m心处。通过 UG 分析，可得机器鱼的相关数据： 质量 15.2311MKg重量 1149.3659GN质量中心的位置 111415.4,0.00,3.45xmm ymm zmm可知，重力中心几乎在 X 轴上，在 Y.Z 轴上的偏移不大。无锡太湖学院学士学位论文28在头部应该容纳的重量 01198.41 149.3749.04GWGN为保证重力中心与浮力中心一致，由力矩平衡，可得头部的重心应该在 1 100-198.41 369.9 149.37 415.4231.349.04WxG xxmmG浮由于力基本上作用在 X 轴上，因此 00ymm 00zmm为保证头部重心的位置，可调节平衡板的重量。机器鱼在摆动的时候，重力中心在 XY 平面内会有一定的偏移，但由于机器鱼身体前部摆动幅度不大，可以近视为刚性体，而机器鱼的重心正处于身体的前部分。即使有一定的偏移，浮力中心也会随着身体的摆动而发生相同方向的偏移，在加上机器鱼的摆动频率，依靠水的阻力可以平衡掉相当一部分倾覆力矩，所以在机器鱼摆动的过程中，机器鱼倾覆的可能性不大。水下鱼形机器人系统仿真29第第 7 7 章章 结论与展望结论与展望7.17.1 结论结论仿生机器鱼的研究是仿生学研究的一个部分，其最终目的是要将鱼类的一些优点移植到仿生机器鱼平台上，从而设计出能在军事及民用领域实际应用的机器鱼。但由于生物系统的复杂性及流体的不确定性，仿生鱼只能做到近视仿生。本课题主要做了如下工作：1） UG 曲面造型设计鱼的外形，要尽量达到其仿真效果。 2） 鱼体内部各部分的位置安排以及四个主要的结构设计，保证机器鱼在水里能平衡游动。 3）UG 运动仿真，仿真机器鱼的运动效果，并与预期值相比较。 4）UG 动力学分析。7.27.2 不足之处及未来展望不足之处及未来展望本文的研究虽然取得了初步的成功，但依然任重道远，尚有许多有待进一步深入进行的研究工作。结构设计方面：1）内部结构布置还可以更加优化，使得重心进一步前移；2）侧鳍伸出较长，会影响机器鱼的游动灵活性，可以设计一个可以折叠的机构，档机器鱼不进行沉浮运动时可以收回，贴身放置；3）侧鳍、背鳍、腹鳍的外形设计还不够理想，应多做研究，找出更加合理的流线型设计方案.传动机构设计方面：尾部传动的杆件设计还不够优化，需要进行进一步优化，使得机器鱼能够更加快速的游动。附录30致谢致谢 值此论文完成之际，谨向我的指导老师俞经虎老师致以最诚挚和最衷心的谢意！在我做毕业设计的过程中，俞老师在选题，课题分析和撰写论文的过程中都给与了我耐心的指导和帮助，使我在理论和实践的知识上都有了很大的提高。课题的顺利完成和我所获得的知识及成绩都凝聚了俞老师的心血。无论在学业上循循善诱的教导，还是生活上无微不至的关怀，乃至俞老师敬业务实的工作作风都给与我莫大的感触和激励！最重要的是，俞老师渊博的知识、严谨的治学态度、忘我的工作热情和谦逊的人格魅力，都将使我受益终生！ 最后，对所有关心我、支持我和帮助我的老师、同学和朋友们表示衷心的感谢和祝福！附录31参考文献参考文献1胡仁喜,夏德伟.UG NX5.0 工业设计实用详解.电子工业出版社.2程云建.UG NX5 曲面设计自学手册.人民邮电出版社.3戴波. 仿生机器鱼的控制系统设计与实验研究. 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