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新型两关节机器鱼的研制及实验研究.doc

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新型两关节机器鱼的研制及实验研究.doc

专业文档,值得下载专业文档,值得珍藏新型两关节机器鱼的研制及实验研究刘英想,刘军考,陈维山,陈思摘要以鲹科加新月形尾鳍推进模式鱼类的仿生学研究成果为基础,采用模块化设计思想,设计了新型两关节仿生机器鱼HRFII,其尾部模块采用单电机驱动,易于实现尾部运动参数的调整其升潜模块采用吸排水实现机器鱼升潜.对仿生机器鱼直线推进、转向、升潜和逆向游动的动作进行了水下实验.实验结果表明HRFII具备良好的推进特性和升潜特性,并且实现了逆向游动.关键词机器鱼本体设计水下实验中图分类号TP24文献标识码B文章编号10006982200804002804DevelopmentandexperimentofnewtwojointrobotfishLIUYingxiang,LIUJunkao,CHENWeishan,CHENSiHarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,ChinaAbstractBasedonthebionicresearchofthethunniformmodefish,thenewtwojointbionicrobotfishHRFIIisdesignedbymodularization.Itstailmoduleisdrivenbyasingleelectricmotorandeasytorealizetheadjustmentofthemovingparametersofthetail.Theliftingmoduleusesabsorbinganddrainingwatertorealizetheupanddownmovementoftherobotfish.Theforwardswimming,swerve,theupanddownmovementandthebackwardswimmingoftherobotfishHRFIIarecarriedonintheunderwaterexperiment.TheexperimentalresultshowsthattheHRFⅡhaspreferablecapacityinforwardswimmingandtheupanddownswimming,anditaccomplishesthebackwardswimming.Keywordsrobotfishentitydesignunderwaterexperiment0引言作为一种新型的水下推进器,仿生机器鱼具有能源利用率高、流体性能更加完善、机动性能好、低噪声、实现了推进器与舵的统一、驱动方式多样化等优点1.仿生机器鱼可以进行长时间、大范围、工况较复杂的水下作业,既可以用于机动性能要求较高的场合,也可以用于海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等场合.另外仿生机器鱼在声纳上的表现形式和生物鱼类几乎相同,具有噪声低,对环境扰动小等特点,极有利于隐蔽.鉴于仿生机器鱼的诸多优点,国内外学者越来越重视新型仿生机器鱼的研究与开发,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)2.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36.本文以鲹科加新月尾鳍推进模式鱼类的仿生学研究成果为基础,采用模块化的设计思想,设计并研制了采用吸排水实现升潜、尾鳍运动参数易于调整的两关节机器鱼HRFII,并进行了水下实验.1鲹科加新月形尾鳍推进模式鱼类的推进机理鲹科加新月形尾鳍推进模式是效率最高、速度最快的推进模式,海洋中游速最快的鱼类如鲨鱼、金枪鱼等,几乎都采用这种模式,鲹科加新月形尾鳍推进模式的鱼类游动时鱼体前2/3部分波幅很小,特别明显的侧向位移仅仅发生在尾鳍及尾柄部分,通过具有一定刚度尾鳍的运动产生超过90的推进力7.在鲹科加新月形尾鳍推进模式鱼类的稳态游动收稿日期20070904修回日期20071025基金项目国家自然科学基金资助项目(59705011)作者简介刘英想(1982),男,博士研究生.研究领域仿生机器鱼.29中,尾鳍作摆动-平动复合运动,如图1所示.尾鳍的平动运动是由于鱼体和后颈部的波动而引起的,尾鳍的平动运动产生主要的击水动作尾鳍的摆动运动主要为尾鳍的击水动作提供合适的击水角度.图1尾鳍运动2机器鱼HRFII结构2.1基本设计思想以鲹科加新月形尾鳍推进模式鱼类的仿生学研究成果为基础,设计并研制了仿生机器鱼HRFII,其结构如图2所示.HRFII的鱼体外形参考鱼雷外形设计,保证具有较好的水动力学特性.鱼体中间部分采用透明的有机玻璃管作为壳体,因为有机玻璃管密度小且表面光滑,推进引起的粘滞阻力小,此外,还便于观察机器鱼内部的运动状态,有助于试验观察和系统调试.HRFII采用模块化设计,分别设计了升潜模块和尾部模块,这两个模块分别通过端盖联接到有机玻璃管的两端,装卸方便且互不影响.HRFII总长1037mm(不含尾鳍),鱼体直径220mm,尾柄长200mm,排水质量26.2kg.图2仿生机器鱼HRFII2.2尾部模块图3为机器鱼尾部模块实体模型.机器鱼HRFII尾部模块采用直流力矩电机驱动,通过一对直齿圆锥齿轮减速,驱动中心轴转动,通过两侧偏心轴带动滑块实现直线往复运动,从而带动尾部连杆机构运动,最终实现尾鳍的平动摆动复合运动.通过一个接近传感器,实现对尾部摆动周期的测量.该尾部模块具有如下优点1)机构简单可靠2)尾鳍运动参数易于调整通过改变两个圆盘上偏心轴安装位置,就可改变尾鳍平动运动和摆动运动之间的相位差通过调整联杆2的长度,可以调整尾鳍最大击水角度通过更换不同长度的尾柄和联杆3,可改变尾鳍摆动轴平动幅值3)质量分布合理,尾柄、尾鳍自身质量很小,且尾柄摆动击水产生的水动力很小,这都有助于抑制鱼体摆动8.图3机器鱼尾部模块2.3升潜模块机器鱼HRFII的升潜模块如图4所示,采用一个力矩电机驱动,通过一对直齿圆柱齿轮减速后,再经过一个滑动螺旋传动副实现活塞的前后移动,从而完成吸排水动作,最大吸排水质量为1847g.图4机器鱼升潜模块用于HRFII的升潜模块设置在鱼体前端,因而能将改变机器鱼重量实现升潜和改变机器鱼重心位置实现升潜很好的融合在一起.实际HRFII游动时,活塞有三种状态1)活塞位于缸筒中间位置通过合理的配重实现这种状态下机器鱼的重力和浮力大小相等,重心位于浮力作用点的正下方并且二者连线垂直于鱼体中线,此时机器鱼的游动为无升潜游动2)活塞位于缸筒最前端活塞将缸筒内的水全部排出,使重力小于浮力,将重心后移鱼头上倾,机器鱼实现上升3)活塞位于缸筒最后端活塞缸筒内吸满水,使得重力大于浮力,将重心前移鱼头下倾,机器鱼实现下潜.设计中,升潜模块的活塞上安装了一个检测杆,升潜模块尾部驱动部分尾柄尾鳍尾鳍尾柄联杆3联杆1联杆2滑块电机接近传感器偏心轴缸筒活塞检测杆丝杠大齿轮小齿轮电机摆动平动尾鳍摆动轴游动方向尾鳍尾柄30通过两个接近传感器来实现活塞的定位.HRFII的升潜模块具有如下优点1)整个模块均位于鱼体内部,因此不需要在鱼体上开槽来安装鱼鳍实现升潜,鱼体外表面光滑简单,密封简单方便,有利于减小形体阻力2)可以实现无尾鳍推进力情况下的升潜,当尾部模块出现故障时仍可以实现可靠的升潜3)尾部不摆动时,可以实现竖直方向升潜,能有效控制机器鱼的潜水深度4)当尾部快速摆动时,由于融合了两种升潜方式,能实现快速的升潜HRFII的升潜模块吸水排水会引起机器鱼内部的空气压强变化,吸排水过程中鱼体内部压强最大值为1.13106Pa,最小值为8.95105Pa,变化范围不大,因此,不用单独考虑压缩空气的处理问题.3机器鱼HRFII水下实验由于该仿生机器鱼尚处于实验阶段,故采用电缆提供外接电源和信号输出,采用手动操作的方式进行实验.装配完成的仿生机器鱼HRFII的样机如图5所示,表1是机器鱼HRFII的实验参数.图5仿生机器鱼样机HRFII表1机器鱼的实验参数尾柄摆幅尾鳍摆角幅值尾鳍面积尾鳍展长尾鳍展弦比实验水池尺寸24°40°0.0176m2290mm2.7510m20m2m3.1直线推进实验仿生学研究表明,机器鱼尾部摆动频率对推进速度的影响比摆幅更明显,自然界的鱼类往往通过提高摆动频率来提高游动速度.改变尾部摆动频率进行水下实验,得到了机器鱼HRFII推进速度与尾部摆动频率之间的关系曲线如图6所示.从图6实验结果可以看出,HRFII的推进速度随着尾部摆动频率增大而增大,在实验频率范围内成近似正比关系.此外,机器鱼HRFII推进过程中鱼体摆角幅值很小,具有良好的运动稳定性,这主要是因为HRFII设计过程中尽量降低尾柄和尾鳍的质量,使得机器鱼的质量分布更加合理.图6HRFII尾部摆动频率对推进速度的影响3.2转向实验在HRFII的水下转弯实验中,对惯性前进转弯和静止转弯进行了实验观察.实验表明HRFII能很好的完成惯性前进转弯和静止转弯采用静止转弯能够获得较惯性前进转弯小的转弯半径,尾鳍摆动速度越快,转弯半径越小.3.3升潜实验在机器鱼HRFII的升潜实验中,分别观测了机器鱼在无推进速度和有推进速度两种情况下的升潜特性.实验结果表明在无推进速度的情况下,HRFII可实现竖直方向的升潜,最大上升速度可达0.35m/s,最大下潜速度可达0.32m/s.上升速度大于下潜速度,这是因为HRFII上升时鱼体的倾角大于下潜时的倾角,使得上升时的形体阻力较小.在有推进速度的情况下,HRFII可实现斜向升潜,且机器鱼升潜速度随着尾部摆动频率的增大而增大.3.4逆向游动实验对机器鱼的逆向游动研究很少,国内外已经成型的机器鱼很少提及逆向游动,而机器鱼的逆向游动在实现避障过程中十分重要,也是机器鱼实现快速制动的基础.机器鱼尾鳍摆动运动与平动运动的相位差为90°时,在整个摆动周期内尾鳍均产生负向推进力.通过控制HRFII尾部模块直流电机的正反转,可以实现尾鳍摆动运动与平动运动的相位差在90°和90°之间的变换,从而实现机器鱼直线推进和逆向游动之间的变换.图7为机器鱼HRFII逆向游动时的姿态.图7HRFII逆向游动姿态实验结果表明HRFII可以实现逆向游动,在00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0机器鱼尾部摆动频率/Hz0.80.60.40.20机器鱼推进速度/ms1/ms131尾部摆动频率为1.6Hz时,逆向游动速度可达0.14m/s,逆向游动速度不高,主要原因是HRFII的尾部中间开槽造成逆向游动的形体阻力增大.4结论采用模块化设计思想,设计并研制了仿生机器鱼样机HRFII,其尾部模块易于实现尾部运动参数的调整,其升潜模块采用吸排水实现机器鱼升潜,将改变机器鱼自身重量实现升潜和改变机器鱼重心位置实现升潜很好的融合在一起,各模块相互独立,拆装调试方便.对仿生机器鱼直线推进、转向、升潜和逆向游动的三维动作进行了水下实验.结果证明,机器鱼HRFII具备良好的推进特性和升潜特性,实现了逆向游动.在本文工作的基础上,下一步将研制机器鱼HRFII闭环控制系统和传感系统,实现无缆控制和水下自主避障.在控制系统和传感系统研制成熟以后,将开展在更为开阔水域和流动水域中的机器鱼水下实验研究.参考文献1刘军考,陈在礼,陈维山,王力刚.水下机器人新型仿鱼鳍推进器J.机器人,2000,225427432.2M.Nakashima,K.Tokuo,K.Amiaga,K.One.ExperimentalStudyofaSelfPropelledTwojointDolphinRobotC.ProceedingsoftheNinthInternationalOffsoreandPolarEngineerConference.1994419214.3AndersonJM,KerrebrockK.TheVorticityControlUnmannedUnderseaVehicleVCUUVPerformanceresultsC.Procof11thIntSympsiumonUnmannedUntetheredSubmersibleTechnology.s.l.s.n.,1999360369.4JindongLiu,IanDukes,HuoshengHu.NovelMechatronicsDesignforaRoboticFishC.IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems.200520772082.5ShuxiangGuo,YuyaOKUDA,KinjiAsaka.ANewTypeofFishLikeUnderwaterMicrorobotJ.IEEE/ASMETransactionsonMechatronics.March200348814886.6喻俊志,陈尔奎,王硕,谭民.仿生机器鱼研究的进展与分析J.控制理论与应用,2003,204485491.7M.Sfakiotakis,D.M.Lane,J.B.C.Davies.ReviewofFishSwimmingModesforAquaticLocomotionJ.IEEEJournalofOceanicEngineering.l999,242237252.8刘英想,刘军考,陈维山.两关节机器鱼无升潜游动动力学建模与仿真J.机械工程师,2007,51922.

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