会员注册 | 登录 | 微信快捷登录 支付宝快捷登录 QQ登录 微博登录 | 帮助中心 人人文库renrendoc.com美如初恋!
站内搜索 百度文库

热门搜索: 直缝焊接机 矿井提升机 循环球式转向器图纸 机器人手爪发展史 管道机器人dwg 动平衡试验台设计

   首页 人人文库网 > 资源分类 > DOC文档下载

多关节鱼形机器的设计

  • 资源星级:
  • 资源大小:3.90MB   全文页数:35页
  • 资源格式: DOC        下载权限:注册会员/VIP会员
您还没有登陆,请先登录。登陆后即可下载此文档。
  合作网站登录: 微信快捷登录 支付宝快捷登录   QQ登录   微博登录
友情提示
2:本站资源不支持迅雷下载,请使用浏览器直接下载(不支持QQ浏览器)
3:本站资源下载后的文档和图纸-无水印,预览文档经过压缩,下载后原文更清晰   

多关节鱼形机器的设计

摘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。关键词水下鱼形机器人运动仿真远程通信IIABSTRACTAccordingtotheunderwaterfishshapedrobottosimulatethedesign,analysisandverificationbodymovement.UGintheuseofthreedimensionalmodeling,motionsimulationanddesignofsimulationmodules,thefishhavebeendesignedmachinesystemsimulation,andcomparetheoutputvalueandthenumericalcalculation,inordertoimprovethedesignprocess.Themainfishmachineanalysisoffourparts,namelythedrivemechanism,upsanddownsmechanism,steering,chargingmechanism.Amongthem,thedrivemechanismfromtherearswinginstitutions,fishandfishtailbehindthefirsthalftherearetwooftheswingphase,throughtheswingtohitthewaterinordertopromotethefishforward.RiseandFallofthefunctionalfromthefirsthalfofthefishlateralfinsrotatethroughacertainangletoachieve.Shiftfunction,bythefishthroughthelatterpartofthepelvicrotationtoachieveacertainpointofview,theventralfinfishverticalwiththeanglebetweenthedirectionofchangetobethedrivingforceofwatertotheleftortherightoftheplay,sothatfishcanrotatearounditscenterofgravity.Designisbasedontheshapeoftunaandsummarizedanumberoffittingtogether.Eventuallythewholefishweightmachines,sothatcenterofgravityandbuoyancyinastraightline,thefishcanassureasmoothandnormalmovementinthewater.Controltotransplantlongrangecorrespondenceinthemoldpiecefunctioninthemeantime.KeywordsFishshapedunderwaterrobotmotionsimulationcommunicationIII目录摘要..............................................................................................................................................IABSTRACT...................................................................................................................................II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............................................................................................7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...............................................错误未定义书签。4.1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......................................................................................................................23IV5.2.3软件设计.......................................................................................................................24第6章基于UG的鱼形机器人动力学分析...........................................................................256.1机器鱼浮力中心和重力中心的估算.................................................................................256.2基于UG的机器鱼浮力中心和重力中心计算.................................................................276.2.1浮力计算......................................................................................................................276.2.2重力计算......................................................................................................................27第7章结论与展望.....................................................................................................................297.1结论.....................................................................................................................................297.2不足之处及未来展望.........................................................................................................29参考文献.......................................................................................................................................31多关节鱼形机器人的设计1第1章绪论1.1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1.2.1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BCFlocomotion2中间鳍和/或对鳍推进MPFlocomotion.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1.1BCF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。1.2.2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30100。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。1.3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图12Robotuna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3~55kg,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ToshioFukuda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13运物省船舶技术研究所的UPF2001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HRF1,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14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。1.4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,1.5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2章UG中运动仿真和有限元分析模块功能介绍2.1运动仿真介绍2.1.1运动仿真模块运动仿真(MotionSimulation)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/MotionSimulation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/MotionSimulation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。2.1.2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。2.1.3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。2.1.4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。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,同时指定无锡太湖学院学士学位论文8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3章水下鱼形机器人机构确定3.1沉浮机构的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31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32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33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34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35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,可知整鱼的浮力中心在鱼身偏无锡太湖学院学士学位论文12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36,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36金枪鱼外形图37侧鳍传动机构如图37,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。

注意事项

本文(多关节鱼形机器的设计)为本站会员(QQ401339828)主动上传,人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知人人文库网([email protected]),我们立即给予删除!

温馨提示:如果因为网速或其他原因下载失败请重新下载,重复下载不扣分。

copyright@ 2015-2017 人人文库网网站版权所有
苏ICP备12009002号-5