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 II ABSTRACT 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； communication III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 水下鱼形机器人技术的基本概念 . 1 1.2.1 鱼类游动方式的分类 . 1 1.2.2 仿鱼鳍机器鱼的特点 . 2 1.3 仿生机器鱼研究概况 . 2 1.4 目前研究热点及未来发展方向 . 5 1.5 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 . 7 2.1 运动仿真介绍 . 7 2.1.1 运动仿真模块 . 7 2.1.2 运动仿真模块能执行何种类型分析 . 7 2.1.3 如何创建运动仿真 . 7 2.1.4 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 . 9 3.1 沉浮机构的确定 . 9 3.2 转向机构的确定 . 13 3.3 舵机选择 . 13 3.4 整体结构位置设计及外形确定 . 14 3.4.1 整体结构尺寸确定 . 14 3.4.2 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 . 17 4.1.1 计算 . 17 4.1.2 三维建模 . 17 4.13 最终结果分析 . 18 4.2 转向机构的运动仿真 . 20 4.2.1 计算 . 20 4.2.2 三维模型 . 20 4.2.3 最终结果分析 . 20 第 5 章 鱼形机器人远程通信 . 23 5.1 通信模块的选用 . 23 5.2 具体实现 . 23 5.2.1 系统总体设计 . 23 5.2.2 模块设计 . 23 IV 5.2.3 软件设计 . 24 第 6 章 基于 UG 的鱼形机器人动力学分析 . 25 6.1 机器鱼浮力中心和重力中心的估算 . 25 6.2 基于 UG 的机器鱼浮力中心和重力中心计算 . 27 6.2.1 浮力计算 . 27 6.2.2 重力计算 . 27 第 7 章 结论与展望 . 29 7.1 结论 . 29 7.2 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 (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。 1.2.2 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。 1.3 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 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 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 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 5 0.95m，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。 1.4 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 6 1.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（ 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。 2.1.2 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