多關(guān)節(jié)魚形機(jī)器的設(shè)計(jì)【畢業(yè)論文+CAD圖紙全套】

買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 摘 要 根據(jù)水下魚形機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真，分析運(yùn)動(dòng)規(guī)律及校核機(jī)構(gòu)。利用 三維建模、運(yùn)動(dòng)仿真及設(shè)計(jì)仿真等模塊，對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的機(jī)器魚進(jìn)行系統(tǒng)仿真，并比較輸出數(shù)值和計(jì)算數(shù)值的關(guān)系，從而完善設(shè)計(jì)過程。主要對(duì)機(jī)器魚的四個(gè)部分進(jìn)行分析，分別是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、沉浮機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、充電機(jī)構(gòu)。其中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由尾部擺動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，魚身后半部和魚尾的兩節(jié)做有相位差的擺動(dòng)，通過擺動(dòng)來擊打水從而推動(dòng)魚身前進(jìn)。沉浮功能由魚身前半部分的側(cè)鰭通過轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度來實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)向功能，由魚身前半部分的鰭通過轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度來實(shí)現(xiàn)的，鰭與魚身豎直方 向的夾角的改變使其受到水的推動(dòng)力的向左或者向右的分力，從而使魚身可以繞其重心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。外形設(shè)計(jì)是根據(jù)金槍魚的外形進(jìn)行多次擬合而歸納而成的。最終對(duì)整個(gè)機(jī)器魚進(jìn)行配重，使重力中心和浮力中心在一條直線上，保證機(jī)器魚能在水中平穩(wěn)正常運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制模塊中植入遠(yuǎn)程通信功能。 關(guān)鍵詞： 水下魚形機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)仿真；遠(yuǎn)程通信 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 to to UG in of of in to of of to in to of of a to by of to a of of to be of to or of so of is on of a of so of in a a in to in in 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 錄 摘 要 . I . 1 章 緒論 . 1 言 . 1 下魚形機(jī)器人技術(shù)的基本概念 . 1 類游動(dòng)方式的分類 . 1 魚鰭機(jī)器魚的特點(diǎn) . 2 生機(jī)器魚研究概況 . 2 前研究熱點(diǎn)及未來發(fā)展方向 . 5 課題研究?jī)?nèi)容 . 5 第 2 章 運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析模塊功能介紹 . 7 動(dòng)仿真介紹 . 7 動(dòng)仿真模塊 . 7 動(dòng)仿真模塊能執(zhí)行何種類型分析 . 7 何創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)仿真 . 7 動(dòng)仿真的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式 . 7 第 3 章 水下魚形機(jī)器人機(jī)構(gòu)確定 . 9 浮機(jī)構(gòu)的確定 . 9 向機(jī)構(gòu)的確定 . 13 機(jī)選擇 . 13 體結(jié)構(gòu)位置設(shè)計(jì)及外形確定 . 14 體結(jié)構(gòu)尺寸確定 . 14 形結(jié)構(gòu)尺寸確定 . 15 第 4 章 基于 魚形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 浮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真 . 17 算 . 17 維建模 . 17 終結(jié)果分析 . 18 向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真 . 20 算 . 20 維模型 . 20 終結(jié)果分析 . 20 第 5 章 魚形機(jī)器人遠(yuǎn)程通信 . 23 信模塊的選用 . 23 體實(shí)現(xiàn) . 23 統(tǒng)總體設(shè)計(jì) . 23 塊設(shè)計(jì) . 23 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 軟件設(shè)計(jì) . 24 第 6 章 基于 魚形機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析 . 25 器魚浮力中心和重力中心的估算 . 25 于 機(jī)器魚浮力中心和重力中心計(jì)算 . 27 力計(jì)算 . 27 力計(jì)算 . 27 第 7 章 結(jié)論與展望 . 29 論 . 29 足之處及未來展望 . 29 參考文獻(xiàn) . 31 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 1 第 1 章 緒論 言 隨著人類的發(fā)展，對(duì)資源的需求不斷增加。陸上資源的日益緊缺，讓我們把目光投向海洋。 21 世紀(jì)是海洋開發(fā)的世紀(jì)，水下機(jī)器人在海洋環(huán)境研究、海洋資源探測(cè)和開發(fā)等民用領(lǐng)域和海洋軍事方面具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在價(jià)值，吸引了人們更多的注 意力。利用仿生學(xué)原理，開發(fā)類似海豚或金槍魚的操縱與推進(jìn)技術(shù)是一個(gè)很有前途的研究方向之一。 上世紀(jì)三十年代起，人類開始對(duì)魚類游動(dòng)進(jìn)行觀察，提出了大量關(guān)于魚類游動(dòng)機(jī)理的解釋。近年來，隨著人類對(duì)魚類游動(dòng)機(jī)理了解的加深，同時(shí)伴隨著仿生學(xué)、流體力學(xué)、機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)、傳感器和智能控制技術(shù)的快速發(fā)展，以及新型材料的不斷涌現(xiàn)，對(duì)仿生水下機(jī)器人技術(shù)的研究達(dá)到了一個(gè)新的頂峰，涌現(xiàn)了大量基于魚類游動(dòng)機(jī)理的仿生水下機(jī)器人。 下魚形機(jī)器人技術(shù)的基本概念 類游動(dòng)方式的分類 魚類游動(dòng)方式多種多樣， 1926 年 據(jù)魚類推進(jìn)運(yùn)動(dòng)的特征不同，將魚類游動(dòng)方式劃分為兩大類 : 1)身體 (和 /或 )尾鰭推進(jìn) ( 2)中間鰭 (和 /或 )對(duì)鰭推進(jìn) ( 當(dāng)然魚類還有其它運(yùn)動(dòng)方式，如噴流推進(jìn)、滑行等。據(jù)估計(jì)，大約只有 15%的魚類采用第一種方式以外的其它方式推進(jìn)。由于 進(jìn)方式速度慢、效率低，因此我們把重點(diǎn)放在研究 進(jìn)方式上。 進(jìn)繼續(xù)細(xì)化為五種，如圖 示。圖中反映了不同推進(jìn)方式下魚體推進(jìn)部分的變化。 圖 進(jìn) 圖 1. l 中鲹科結(jié)合月牙形尾鰭推進(jìn)方式（ 效率最高、速度最快的推進(jìn)方式，海洋中游速最快的“魚類”（金槍魚、海豚、鯊魚）都采用該種方式。 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 2 該方式中推進(jìn)運(yùn)動(dòng)限制在身體后三分之一，僅通過尾部 (堅(jiān)硬的月牙形尾鰭和尾柄 )的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生超過 90%的推力 ;同時(shí)魚體的形狀和重量分布保證了身體前三分之二橫向移動(dòng)和轉(zhuǎn)軸極小。在游動(dòng)過程中，月牙形尾鰭做橫移和左右擺動(dòng) (或升沉和上下擺動(dòng) )的一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)，并隨著魚體前進(jìn)劃出波浪形的軌跡。研究表明，月牙形尾鰭的展弦比、形狀、硬度、擺動(dòng)都對(duì)該推進(jìn)方式的效率產(chǎn)生影響 。 由于相比之下具有高速、高效的特點(diǎn)，結(jié)合月牙形尾鰭推進(jìn)方式很適合用于水下機(jī)器人。目前，己有多個(gè)機(jī)器人較成功的采用了這種方式。 魚鰭機(jī)器魚的特點(diǎn) 與傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)器相比仿魚鰭推進(jìn)器具有如下特點(diǎn) : (1)能源利用率高，初步試驗(yàn)表明，采用仿魚鰭水下推進(jìn)器比常規(guī)推進(jìn)器的效率可提高30從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，仿魚鰭的水下推進(jìn)器可以大大節(jié)省能量，提高能源的利用率，從而延長(zhǎng)水下作業(yè)時(shí)間。 (2)使流體性能更加完善，魚類尾鰭擺動(dòng)產(chǎn)生的尾流具有推進(jìn)作用，可使其具有更加理想的流體力學(xué)性能 。 (3)提高水下運(yùn)動(dòng)裝置的機(jī)動(dòng)性能，采用仿魚鰭水下推進(jìn)器可提高運(yùn)動(dòng)裝置的啟動(dòng)、加速和轉(zhuǎn)向性能。 (4)可減低噪聲和保護(hù)環(huán)境，仿魚鰭推進(jìn)器運(yùn)行時(shí)的噪聲比螺旋槳運(yùn)行時(shí)的噪聲要低的多，不易被對(duì)方聲納發(fā)現(xiàn)和識(shí)別，有利于突防，具有重要的軍事價(jià)值。 (5)實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)器與舵的統(tǒng)一，仿魚鰭推進(jìn)器的應(yīng)用將改變目前螺旋槳推進(jìn)器與舵機(jī)系統(tǒng)分開，功能單一，結(jié)構(gòu)龐大，機(jī)構(gòu)復(fù)雜的情況，實(shí)現(xiàn)漿一舵功能和二為一，從而可精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，簡(jiǎn)化制造工藝，并降低成本和造價(jià)，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和使用價(jià)值。 (6)可 采用多種馭動(dòng)方式，對(duì)于應(yīng)用于船舶、游艇等方面的仿魚鰭推進(jìn)器可采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)，也可采用液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)，以及混合驅(qū)動(dòng)方式 :對(duì)于小型水下運(yùn)動(dòng)裝置，可采用形狀記憶合金、人造合成肌肉以及壓電瓷等多種驅(qū)動(dòng)元件。 生機(jī)器魚研究概況 國(guó)外學(xué)者很早就致力于對(duì)魚類推進(jìn)模式及仿生機(jī)器魚的研究（表 1）。 1994 年 究組成功研制了世界上第一條真正意義上的仿生金槍魚 (此后，結(jié)合仿生學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械學(xué)和自動(dòng)控制的新發(fā)展，仿生機(jī)器魚的研制漸成熱點(diǎn) ,表 1 給出了國(guó)外一些典型的機(jī)器魚研究項(xiàng)目可以看出，美國(guó) 和日本進(jìn)行的機(jī)器魚研究比較多，取得的成果也比較多。 美國(guó)， 1995 年 出了 改進(jìn)版機(jī)器魚“ 在研究魚的機(jī)動(dòng)性和靜止?fàn)顟B(tài)下的加速性。 1998 年， 出的 高版本 仿黃鰭金槍魚研制的，長(zhǎng) 8 英尺，重 300 磅，其目的在于開發(fā)一種利用渦流控制推進(jìn)的自主水下機(jī)器人。 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 3 圖 1國(guó) 學(xué)機(jī)器魚課題組于 2005 年 5 月開始研制一系列的機(jī)器魚，主要工作集中在實(shí)現(xiàn)仿魚游動(dòng) ,特別是非穩(wěn)定游動(dòng)方面。該課題組的機(jī)器魚主要集中在兩個(gè)系列， G 系列和 列。其中系列均是采用多電機(jī)一多關(guān)節(jié)的尾部結(jié)構(gòu)。而 列機(jī)器魚則是采用單電機(jī) 3 55均推進(jìn)速度為 s，自身攜帶的電池可以提供長(zhǎng)達(dá) 時(shí)的穩(wěn)定游動(dòng)。 日本 20 世紀(jì) 90 年代初，名古屋大學(xué) 授開始了微型仿魚水下推進(jìn)器的研究，他先后研制出采用形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微型身體披動(dòng)式水下推進(jìn)器和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的雙鮑微型機(jī)器魚。為了研究最優(yōu)推進(jìn)方法開發(fā)高推進(jìn)性能的智能型水下機(jī)器魚，從 1999年開始，運(yùn)物省船舶技術(shù)研究所開始了一 系列的實(shí)驗(yàn)機(jī)器魚項(xiàng)目研究。 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 4 圖 1物省船舶技術(shù)研究所的 京航空航天大學(xué)， 2004 年 8 月，北航機(jī)器人所和中科院自動(dòng)化所合作研制出一條實(shí)用的仿生機(jī)器魚，參加了對(duì)鄭成功古戰(zhàn)船遺址的水下考古探側(cè)，這次水下活動(dòng)被有關(guān)專家認(rèn)定為是國(guó)際上首例水下仿生航行體的試驗(yàn)研究。 表 1 國(guó)外典型的仿生機(jī)器魚研究項(xiàng)目 哈爾濱工業(yè)大學(xué)在國(guó)家自然科掌基金支持下研制出了仿生機(jī)器魚樣機(jī)，該樣機(jī)長(zhǎng)買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 5 約 13速可達(dá) s。 2006 年，他們又研制了一條 仿生機(jī)器魚樣機(jī)“ ”，游動(dòng)速度可達(dá) s，并進(jìn)行了升潛和轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)。 哈爾濱工程大學(xué)研制了一條仿生機(jī)器魚原理樣機(jī)“仿生 該機(jī)器魚長(zhǎng) 大直徑 水量 320水深度 10m，最高航速 13m/s。 圖 1生 生水下機(jī)器人由于具有高效的推進(jìn)性能，良好的隱身性能和操縱性能，有著廣闊的應(yīng)用前景。 在民用方面，它可以用于海洋環(huán)境研究、海洋資源探測(cè)和開發(fā)、海洋援潛救生等，也可以作為智能玩具或電子寵物進(jìn)入百姓家庭。 在軍用方面，可用于戰(zhàn)時(shí)偵察，收集清報(bào)，探雷與滅雷， 潛艇戰(zhàn)與反潛戰(zhàn)，作為誘餌干擾敵方等，同時(shí)也可以作為高性能的智能化武器或武器平臺(tái)，直接用于襲擊和破壞敵方的港口、水下偵察系統(tǒng)、艦船 (要害部位 )、海上平臺(tái)、破壞敵方海上運(yùn)輸線等。 另外，仿生水下機(jī)器人作為一種新興的水下運(yùn)載器，為機(jī)械、電子、材料、能源等硬件的研制以及單機(jī)器魚控制算法、多機(jī)器魚協(xié)調(diào)控制等軟件的開發(fā)提供了全新的平臺(tái)。 前研究熱點(diǎn)及未來發(fā)展方向 目前，新型仿魚鰭機(jī)器人的研究及未來發(fā)展主要集中在以下幾方面 ; （ 1）尾鰭擺動(dòng)式推進(jìn)模式水動(dòng)力模型的建立 ; （ 2）尾鰭擺動(dòng)時(shí)尾流的產(chǎn)生及其與推進(jìn)力和 推進(jìn)效率關(guān)系數(shù)學(xué)模型的建立 （ 3） )彈性元件在降低尾鰭擺動(dòng)能量損失中的應(yīng)用 : （ 4）機(jī)器人姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡控制 ; （ 5）機(jī)器人的微型化 , 課題研究?jī)?nèi)容 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 6 設(shè)計(jì)是以金槍魚為模型，要盡量達(dá)到其仿真效果 證機(jī)器魚在水里能平穩(wěn)游動(dòng) 到每秒鐘魚尾擺動(dòng) 4 次的頻率 括浮力中心和重力中心的計(jì)算，推進(jìn)力和阻力的計(jì)算，各個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算。 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 7 第 2 章 運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析模塊功能介紹 動(dòng)仿真介紹 動(dòng)仿真模塊 運(yùn)動(dòng)仿真（ 塊中的主要部分，它能對(duì)任何二維或三維機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的動(dòng)學(xué)分析和設(shè)計(jì)仿真 G 建立一個(gè)三維實(shí)體模型，利用 功能給三維實(shí)體摸型的各個(gè)部件斌予一定的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，再在各個(gè)部件之間設(shè)立一定的連接關(guān)系即可建立一個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真棋型。 勸能可以對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行大量的裝配分析工作、運(yùn)動(dòng)合理性分析工作， 諸如千沙檢查、軌跡包絡(luò)等，得到大最運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù) 可以驗(yàn)證該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并且可以利用圖形翰出各個(gè)部件的位移、坐標(biāo)、加速度、速度和力的變化情況，對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。 動(dòng)仿真模塊能執(zhí)行何種類型分析 運(yùn)動(dòng)仿真模塊可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉分析，跟蹤零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析機(jī)構(gòu)中的零件速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。運(yùn)動(dòng)仿真模塊的分析結(jié)果可以指導(dǎo)修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（加長(zhǎng)或縮短構(gòu)建力臂的長(zhǎng)度、修改凸輪線性、調(diào)整齒輪比等）或調(diào)整零件的材料（減輕 或加重以及增加硬度等）。設(shè)計(jì)的更改可以反映在裝配的主模型的復(fù)制品 運(yùn)動(dòng)仿真中再重新分析，一旦確定有話設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)更改就可以直接反應(yīng)到裝配主模型中。 何創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)仿真 可以認(rèn)為機(jī)構(gòu)是一組連接在一起運(yùn)動(dòng)的連桿（ 集合， 以用下面 3 步生成一個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真： 第一步 創(chuàng)建連桿 在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中創(chuàng)建代表運(yùn)動(dòng)的連桿。 第二步 創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副 創(chuàng)建約束連桿運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副。在某些情況下，同時(shí)可以創(chuàng)建其他的運(yùn)動(dòng)約束特征，如彈簧、阻尼、彈性襯套和接觸。 第三步 定義運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)使機(jī)構(gòu)產(chǎn) 生運(yùn)動(dòng)。每個(gè)運(yùn)動(dòng)副可以包含下列 5 種可能的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的一種： 無運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)：機(jī)構(gòu)只受重力作用。 運(yùn)動(dòng)函數(shù)：用數(shù)學(xué)函數(shù)定義運(yùn)動(dòng)方式。 恒定驅(qū)動(dòng)：給定初速度和加速度。 間歇運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)：振幅、頻率和相位角。 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)：步長(zhǎng)和步數(shù)。 動(dòng)仿真的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式 運(yùn)動(dòng)仿真中的機(jī)構(gòu)以下面兩種形式運(yùn)動(dòng)： 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)：關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是基于位移的一種運(yùn)動(dòng)方式。機(jī)構(gòu)已指定的步長(zhǎng)（旋轉(zhuǎn)角度或直線距離）和步數(shù)運(yùn)動(dòng)。 運(yùn)動(dòng)仿真：運(yùn)動(dòng)仿真是基于時(shí)間的一種運(yùn)動(dòng)形式。機(jī)構(gòu)在指定的時(shí)間段種運(yùn)動(dòng)，同時(shí)指定買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 8 該時(shí)間段中的運(yùn)動(dòng)步數(shù)進(jìn)行運(yùn) 動(dòng)仿真。 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 9 第 3 章 水下魚形機(jī)器人機(jī)構(gòu)確定 浮機(jī)構(gòu)的確定 魚類的上浮和下沉 主要要靠其腹內(nèi)魚鰾的收縮來實(shí)現(xiàn)。魚鰾收縮使得魚體體積發(fā)生變化， 進(jìn)而影響排開水的體積，從而實(shí)現(xiàn)上浮下沉 。對(duì)魚鰾充氣，魚體的體積就增大了，從而獲得大于自身重量的浮力，將其送到水面；對(duì)魚鰾放氣，魚體的體積就減小，從水中獲得的浮力就小于自身重量，魚便能夠?qū)崿F(xiàn)下潛；當(dāng)這些魚類將魚鰾的體積控制在一定范圍內(nèi)時(shí)，魚類便保持停留在水中的某個(gè)位置。魚類就是這樣輕松地通過 調(diào)整自身魚鰾的體積很好的實(shí)現(xiàn)了浮潛控制。 魚類中，也有一部分不存在魚鰾，而它們的浮潛運(yùn)動(dòng)則是通過側(cè)鰭或軀干來實(shí)現(xiàn)的。如鯊魚，如果停止游動(dòng)的話，就會(huì)沉入水底。所以鯊魚只能不斷游動(dòng)，靠自身的魚鰭保持平衡。 機(jī)器魚的沉浮機(jī)構(gòu)分為五種： 1. 排水法：類似于潛艇，通過控制水箱中的水量來控制重力，從而控制沉浮。 圖 3水法 2. 側(cè)鰭法：類似于飛機(jī)的方向舵，是應(yīng)用非常廣泛的機(jī)器魚沉浮控制方法。 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 10 圖 3鰭法 3. 改變魚頭指向法：通過一組機(jī)構(gòu)控制魚頭繞鉸鏈俯仰一定角度，起到與側(cè)鰭相似的作用。 圖 3變魚 頭指向法 4. 改變魚尾指向法：通過一組機(jī)構(gòu)控制魚尾繞鉸鏈俯仰一定角度，從而獲得推動(dòng)力垂直方向的分力。 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 11 圖 3變魚尾指向法 5. 重物調(diào)節(jié)法：通過魚體內(nèi)配重的前后移動(dòng)，使機(jī)器魚的重力和浮力作用線不共線，從而使機(jī)器魚繞中心進(jìn)行俯仰，獲得推動(dòng)力垂直方向的分力。 圖 3物調(diào)節(jié)法 本設(shè)計(jì)的沉浮機(jī)構(gòu)是側(cè)鰭法。由于側(cè)鰭的電機(jī)可以放在魚身偏前的位置，所以可以根據(jù)設(shè)計(jì)的側(cè)鰭的位置來布置舵機(jī)，這樣就可以使傳動(dòng)距離比較近，近距離的運(yùn)動(dòng)傳遞可靠性較高且容易實(shí)現(xiàn)，這樣會(huì)減小設(shè)計(jì)的難度。考慮到要根據(jù)不同的要求進(jìn)行不同的 轉(zhuǎn)動(dòng)角度，所以選擇齒輪機(jī)構(gòu)來傳遞運(yùn)動(dòng)，這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)比穩(wěn)定，便于控制。但是齒輪作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)就是重量較大，對(duì)于機(jī)器魚這個(gè)設(shè)計(jì)，可知整魚的浮力中心在魚身偏買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 12 前的位置，而重力中心在魚身中心線靠后的位置，需要在前部增加重量來進(jìn)行配重，所以側(cè)鰭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的重量偏大在這里是可取的。 首先確定了側(cè)鰭的外形，根據(jù)圖 3鰭金槍魚的外形尺寸，并將一系列金槍魚的外形進(jìn)行分析綜合得到側(cè)鰭的比較優(yōu)化的行裝和尺寸數(shù)據(jù)。側(cè)鰭的長(zhǎng)度大約為魚身總長(zhǎng)的1/5，取為 180鰭的寬度大約為魚身高度的 1/4，取為 根據(jù)比例定為30保證流線型，側(cè)鰭的 維圖生成是通過去不同大小的橢圓，然后生成的曲面。 圖 3槍魚外形 圖 3鰭傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 如圖 3側(cè)鰭的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)思想是通過舵機(jī)牽引，驅(qū)動(dòng)搖臂，從而帶動(dòng)側(cè)鰭進(jìn)行升降控制。 根據(jù)電機(jī)輸出軸的尺寸和位置關(guān)系以及軸承具有的尺寸來確定軸的各段直徑和外形，最后要對(duì)軸和軸承進(jìn)行校核。 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 13 向機(jī)構(gòu)的確定 經(jīng)過對(duì)水中真實(shí)的魚類運(yùn)動(dòng)的觀察、試驗(yàn)和分析，得出魚類的轉(zhuǎn)彎主要是靠尾鰭偏轉(zhuǎn)一定得角度實(shí)現(xiàn)的，胸鰭在轉(zhuǎn)向過程中也會(huì)起到一定的輔助作用。在此基 礎(chǔ)上，通過仿生學(xué)的研究和模擬，設(shè)計(jì)出一些解決魚形機(jī)器人轉(zhuǎn)向的方法。 本設(shè)計(jì)采用船舵法。此種機(jī)構(gòu)的理論依據(jù)是，尾舵通舵機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，方向舵旋轉(zhuǎn)與游動(dòng)速度方向成一定的角度，這樣游動(dòng)時(shí)水的阻力就會(huì)給舵一個(gè)垂直于運(yùn)動(dòng)方向的力，此力產(chǎn)生力矩，繞重心所在軸線旋轉(zhuǎn)，由此可判定尾舵的位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離重心，這樣才能使尾舵旋轉(zhuǎn)一個(gè)小的角度就有比較明顯的效果。 圖 3向機(jī)構(gòu) 外形（如圖 3舵相當(dāng)于金槍魚的胸鰭鰭，根據(jù)測(cè)量和擬合，設(shè)計(jì)尾舵的豎直長(zhǎng)度為魚身總高度的 1/4，取為 150向?qū)挾燃s為魚身總長(zhǎng)度的 1/10，故取為 90度取為16形為保證流線型， 后進(jìn)行小角度的拔模。 機(jī)選擇 1）類型選擇 由于舵機(jī)直接輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角，相比電機(jī)，省去了一系列減速裝置，可以很大程度上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化與減重。本設(shè)計(jì)選用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)升降舵與方向舵。 2） 參數(shù)確定 靜轉(zhuǎn)矩的確定，一般來講負(fù)載轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的比值通常取為 右，所以： 阻浮 側(cè)鰭邊緣與軸之間的水平距離為 可知 a x 負(fù) 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 14 1 2 T M 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)參數(shù)與尺寸，選用 003 3001型標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)比較合適（圖 3 參數(shù)： 1) 適用電壓 : ) 速度 : 0o (無負(fù)載 ) 3) 極限 扭 矩 : ) 工作電流 : 300) 靜態(tài)電流 : 1) 死區(qū)寬度 : 10 ) 連接線長(zhǎng)度 : 255) 尺寸 (L x H x W): 40.8 x 20.1 x ) 重量 : 36g 10)插頭類型 : 頭 圖 3-9 003 3001型標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī) 體結(jié)構(gòu)位置設(shè)計(jì)及外形確定 體結(jié)構(gòu)尺寸確定 在各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成以后，要將各種機(jī)構(gòu)安裝到比較合理的位置，使得從配重、受力、協(xié)調(diào)性、便于控制、視覺效果好等各個(gè)方面更能體現(xiàn)出優(yōu) 化的設(shè)計(jì)理念。為了更好買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 15 的利用金槍魚的生物機(jī)理來設(shè)計(jì)一條較為合理的魚形機(jī)器人，首先對(duì)金槍魚進(jìn)行了分析。如圖 3據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)一條全長(zhǎng) 1000 圖 3器魚身長(zhǎng)各部分尺寸確定 由根據(jù)測(cè)量和計(jì)算，設(shè)定機(jī)器魚魚頭、魚前身、魚后身以及魚尾的各部分長(zhǎng)度，如圖3部分采用模塊化結(jié)構(gòu)，分為動(dòng)力，控制，方向控制和電源模塊 為使得重心盡量靠前，各部件將盡可能的靠前放置。經(jīng)過反復(fù)修改，最后得到如圖 3的機(jī)構(gòu)。最后進(jìn)行重力中心及浮力中心的計(jì)算并配重，使魚 在水中可以平衡。 圖 3器魚機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì) 形結(jié)構(gòu)尺寸確定 該機(jī)器人以金槍魚 (見圖 3藍(lán)本，長(zhǎng) 1m，最大截面橢圓長(zhǎng)半軸 積 198413399。 外形設(shè)計(jì)的參數(shù)見表 3據(jù)表中數(shù)值，得到機(jī)器魚的外形特征，如圖 3 3 表 3器魚外型尺寸參數(shù)表 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 魚高 厚 1 12 13 14 15 16 17 18 19 20 魚高 厚 文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 16 圖 3器魚龍骨 圖 3器整體圖 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 17 第 4 章 基于 魚形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真 動(dòng)分析模塊是一個(gè)基于剛體學(xué)的模擬仿真分析的 具。它能對(duì)任何二維或 三維機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析，同時(shí)進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉分析，跟蹤零 件的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析機(jī)構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。運(yùn)動(dòng)分析的結(jié)果可以指導(dǎo)修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，調(diào)整零件的材料。運(yùn)動(dòng)分析模塊自動(dòng)復(fù)制主模型的裝配文件，并建立一系列不同的運(yùn)動(dòng)分析方案。每個(gè)運(yùn)動(dòng)分析方案均可獨(dú)立修改，而不影響裝配主模型，一旦完成優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，就能直接更新裝配主模型以反映優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果。 本章內(nèi)容主要介紹機(jī)器魚在 動(dòng)分析模塊中的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，并對(duì)比分析了仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的差異。 運(yùn)用 立機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，圖 5示整個(gè)建模的過程。 圖 4 統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的過程 浮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真 算 根據(jù)選擇的舵機(jī)最大角度輸出時(shí)，則側(cè)鰭轉(zhuǎn)動(dòng)角度應(yīng)為 45。當(dāng)設(shè)置為關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，每運(yùn)動(dòng)一步，側(cè)鰭轉(zhuǎn)動(dòng) 45，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)器魚的上升與下降。 維建模 簡(jiǎn)化沉浮機(jī)構(gòu)（側(cè)鰭）的部件，去除不影響運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果的零部件，如圖 4示為其簡(jiǎn)化結(jié)果。 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 18 圖 4鰭三維建模 終結(jié)果分析 不同的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)定義為關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)以特定的步長(zhǎng)和步數(shù)運(yùn)動(dòng)，用戶可以對(duì)其進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析（基于位移的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng) 分析）。當(dāng)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)為運(yùn)動(dòng)函數(shù)、恒定驅(qū)動(dòng)或簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)，則可以對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真（基于時(shí)間的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析）。同時(shí)根據(jù)需要利用各種封裝選項(xiàng)來完成跟蹤、測(cè)量、干涉檢查的功能。 這里采用簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為： * s i n ( ) *t+ A、B、 t 分別表示幅值、角頻率、相位角、角位移和時(shí)間。連桿一（電機(jī)輸出軸）為輸入機(jī)構(gòu)，連桿三（側(cè)鰭）為輸出機(jī)構(gòu)。根據(jù)所選的舵機(jī)，設(shè)置幅值 45，頻率 90。 Y 軸為速度， Y 軸的分量為歐拉角度 3 即沿 Z 坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)分量。旋轉(zhuǎn)副三的位移和時(shí)間 關(guān)系曲線如圖 5 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 19 圖 4鰭運(yùn)動(dòng)副截圖 圖 4鰭運(yùn)動(dòng)圖表 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 20 運(yùn)動(dòng)結(jié)果分析：由圖 4知，側(cè)鰭在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，每側(cè)旋轉(zhuǎn) 45，與計(jì)算結(jié)果一致。此機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確。實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中，側(cè)鰭不是往復(fù)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器魚需要上升時(shí)側(cè)鰭轉(zhuǎn)過 45，需要下降時(shí)側(cè)鰭轉(zhuǎn)過 從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的沉浮運(yùn)動(dòng)。 向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真 算 根據(jù)選擇的舵機(jī)，最大輸出轉(zhuǎn)角時(shí)，胸鰭轉(zhuǎn)過 45。當(dāng)設(shè)置為關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，每運(yùn)動(dòng)一步，舵轉(zhuǎn)動(dòng) 45，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)器魚的轉(zhuǎn)向。 維模型 簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)（ 舵）的部件，去除不影響運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果的零部件，如圖 4示為其簡(jiǎn)化結(jié)果。 圖 4向機(jī)構(gòu)的三維建模 終結(jié)果分析 不同的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)定義為關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)以特定的轉(zhuǎn)角，用戶可以對(duì)其進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析（基于位移的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析）。當(dāng)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)為運(yùn)動(dòng)函數(shù)、恒定驅(qū)動(dòng)或簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)，則可以對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真（基于時(shí)間的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析）。同時(shí)根據(jù)需要利用各種封裝選項(xiàng)來完成跟蹤、測(cè)量、干涉檢查的功能。 這里采用簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為： * s i n ( ) *t+ A、 B、t 分別表示幅值、角頻率、相位角、角位移