仿生魚機器人設計說明書

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1、臺州黃巖區(qū)濱江公園建設工程 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 研究現狀 . 4 1.3 本文的主要工作 4第二章概述 ..5 2. 1 整體構思 ..… .5 2. 2仿生依據 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 ..10 第五章電路設計 ..12 第六章控制系統 ..13 第七章總結 ..17 7.1 優(yōu)勢及創(chuàng)新點 7.2 主要關鍵技術 .17 7.3 應用前景與趨勢 ..18 7.

2、4 不足與改進 …….18 頁腳內容2 臺州黃巖區(qū)濱江公園建設工程 頁腳內容9 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

3、了新時代。隨之“藍色經濟”越來越成為各沿海地區(qū)經濟發(fā)展的 “正能量”,大規(guī)模的開發(fā)探測和利于海洋資源，已經成為我們21世紀要面對和必須解決的現實問題。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

4、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，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出了廣闊的應用前景和巨大的潛在價值。 1.2 研究現狀 目前仿生機器魚的驅動方式以傳統的電機驅動方式為主，由于其易于控制

5、、驅動力大等特點，現已實現了 較好的游動性能。  目前國內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。但目前國內和國外研 究 相比系統性和基礎性較弱。 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、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 1.1 整體構思 Arduino UNO R3控制三個舵機進行運動實現, 其具體機械結構、運動特性以及控制系統, 本小組設計的是一個基于舵機控制的仿生機器魚，將采用 進而實現仿生魚在水中的直行、轉彎、速度控制、避障等功能。 上內容將

6、在下文詳細說明。 2. 2仿生依據 魚類行為學者的研究表明，大多數魚類把身體當作推進器，身體左右擺動擊水，利用其產生的反作用力使 魚體向前推進，基于這種推進原理，學者們提出了所謂的“波動推進理論口］ ”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,人是波長，f為擺動頻率，工作質對地速 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 根據動量守恒定理有公式： M1 X

7、 VW=M X 0 VB (1) 通過動量守恒推出魚類推進公式：VB二Yf入 Y是一個小于1的系數，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，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，尾部產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)現魚類運動主要有以下幾種方式： 由此根據波動推進理論，利用舵機設計一種三關節(jié)仿生魚，以實現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

8、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 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。這些魚類的外形呈現為流線形，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

9、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，從而實現整個魚的身體呈現三個關節(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 2.1 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。 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。同時

10、，在經過研究討論之后，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，從而實現整個魚的身體呈現三個關節(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

11、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。 2.2 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，也能夠將舵機數量減少。在增加靈活性的同時，減輕重量。 改變大多數已有產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精準控制，使魚 形機器人運動協調，避免出現翻身、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構

12、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，各項參數如下： Cd=Fd/(p*u"2A/2) Cd =2; p 二 Fd/A = Cd*p*/2/2=90N/nT2 Cd阻力系數 A平板面積 P水的密度 u移動速度 PBT塑料 安全系數：1.5 可見其在可承受范圍內，并仍有較大裕量。 由

13、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 舵機控制實現兩個關節(jié)在水中協調運動的目的。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生的作用參數及結果如下： 不銹鋼 R=0. 3m 臺州黃巖區(qū)濱江公園建設工程 F=AP=O. 01*90=0. 9N T二RF二0. 27Nm 通過仿真分析可得出結論，所受載荷均在屈服范圍之內，滿足要求 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

14、。電路截圖如下： 頁腳內容 X a 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閉環(huán)控 制。 第六章控制系統 本仿魚形機器人的控制系統主要由 Arduino控制板、舵機、超聲波傳感系統構成。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，從而進行誤差調節(jié)，接近 預期設定姿態(tài)

15、 控制代碼： # i ncIude # i ncIude # i ncIude Servo Ieftservo; Servo r i ghtservo; 弧度轉速 魚體離水底距 離 Servo behindservo; // int depth; // i nt exceptdepth; // fI oat RKP=

16、160; float RKin.6; float RKD=0.05; float RconsO=RKP+RKI+RKD; float Rcons1=-RKP-2*RKD; float Rcons2=RKD; // float LKP=160; float LKI=1.6; float LKD=0. 05; float LconsO=LKP+LKI+LKD; float Lcons1=-LKP-2*LKD; float Lcons2=LKD; // float Rerror; float Rerror_1=0; float Rerror_2=0; float

17、Lerror; float Lerror_1=0; float Lerror_2=0; // float Ru; float Ru_1=0; float deltaRu; float Lu; float Lu_1=0; float de ItaLu; // int inputPin=13; i nt outputPi 0=12; // int i; 右輪PID參 數 左輪PID參 數 左右輪的e二期待-反饋_n表示n 階 左右舵機u有關的參 數 超聲波測距輸入輸出 □ int angle I;

18、 mt angler; 左右鰭煽動角 度 void setup () I Ser i a I. beg i n (9600); I eftservo. attach (9); r i ghtservo. attach (10); beh

19、i ndservo. attach (11); pi nMode (inputPi n, INPUT); p i nMode(outputPi n, OUTPUT); 測量魚體與水底距離 i nt depthmeasure 0 // digitalWrite (outputPin, HIGH); Ser i a I.pr i nt In(outputPi n); de I ay (20); digitalWrite (outputPin,LOW); Ser iaI.pr i nt In(outputPin); de I ay (20); I void Ioop() I

20、eftservo. wr i te (0); r i ghtservo. wr i te (0); beh i ndservo. wr i te(0); depth=depthmeasure () / 測深度 ； / Rerror=exceptdepth-depth; Lerror=exceptdepth-depth; de ItaRu=RconsO*Rer ror+Rcons1*Rer ror_1+Rcons2*Rer ror_2; de ItaLu=LconsO*Lerror+Lcons1*Lerror 1+Lcons2*Lerror 2; WB “ Ru=Ru_1+de

21、ItaRu; Lu=Lu_1+deltaLu; angleI=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; I eftservo. wr i te (ang lei); r i ghtservo. wr i te (ang I er); beh i ndservo. wr i te (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

22、析、電路設計和控制系統的設計，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)進行判斷和調節(jié)。 3. 姿態(tài)及方向控制的創(chuàng)新。改變大多數已有產品使用背鰭進行轉向控制的思路，利用兩個分別舵機控 制的胸鰭來實現精準控制，使魚形機器人運動協調，避免出現翻身、直立等非正常運

23、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、探測通信系統安裝約束等多方面影響因素，提出設計原理和依據，有必要系統解決水下仿生構 型。 2 .仿魚推進建模及控制技術。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仿生 學的原理，模擬生物的往復運動來實現推進、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

24、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設計技術。仿魚推進機構的效率和靈活性取決于關節(jié)數量、長度比例的配 置，如何合理的配置關節(jié)參數是一大重點。同時怎樣結合仿生拍動系統的特點建立集參數化建模、多 學科聯合仿真分析、循環(huán)優(yōu)化等技術的一體化設計仿真平臺，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“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

25、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節(jié)。同時目前此設計功能較為單一，只實現運動的基本功能。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。