仿生鱼机器人设计说明书

仿生鱼机器人 设计说明书 仿生鱼机器人仿生鱼机器人 设计说明书设计说明书 仿生鱼机器人 设计说明书 目录目录 第一章 绪论 3 1 1 目的及意义 4 1 2 研究现状 4 1 3 本文的主要工作 4 第二章 概述 5 2 1 整体构思 5 2 2 仿生依据 5 第三章 机械结构设计 7 3 1 机械设计思路及建模 7 3 2 创新点 8 3 3 零件明细 9 第四章 仿真分析 10 第五章 电路设计 12 第六章 控制系统 13 第七章 总结 17 7 1 优势及创新点 17 7 2 主要关键技术 17 7 3 应用前景与趋势 18 7 4 不足与改进 18 仿生鱼机器人 设计说明书 仿生鱼机器人设计说明书仿生鱼机器人设计说明书 第一章第一章 绪论绪论 1 1 目的及意义目的及意义 21 世纪是海洋的世纪 占全球 71 面积的海洋将是下一个世纪 也是未来 人类赖以生存的资源海洋 对于人类的 发展和社会的进步将起到至关重要的作 用 在民用上 海洋蕴藏着丰富的矿物资源 海洋生物资源和能源 是人类社 会 可持续发展的重要财富 因此 对于海洋的开发和争夺成了很多发达国家的 战略重点 而且愈演愈烈 在各种海洋技术中 作为用在一般潜水技术不可能 到达的深度或区域进行综 合考察和研究并能完成多种作业使命的水下机器人使 海洋 开发进入了新时代 随之 蓝色经济 越来越成为各沿 海地区经济发展 的 正能量 大规模的开发探测和利于海洋 资源 已经成为我们 21 世纪要 面对和必须解决的现实问题 另外 军事方面对其需求也日益增加 为了适应 这种需求 研 究和开发潜水器和水下机器人成为了极佳的选择 鱼类经过长 期的自然选择 具备非凡的游动能力 近年 来随着仿生技术的进步 人类纷纷 模仿自然界中鱼类的运动 方式和运动器官 即各种各样的水下机器人 世界上 第一台水下机器人 Poodle 诞生于 1953 年 近 20 年来 水下机器 人有了 很大的发展 它们既可军用又可民用 到目前为止 全世界大约共建造了 6000 多台各种各样的水下机器 水下机器人有广泛的应用空间 民用和军用均可 不仅可以代 替潜水员在深水长时间工作 降低工作风险 提高工作效率 而且 还可以检测水污染状况 监测鱼类生长状况 探测海底 火山活动状况 在军事 方面 可以用于跟踪敌人的船舰和潜 艇 捕获地方军事信息 也可以降低敌人 对我军的探测几率 甚至可以携带炸药至敌人军舰处 炸毁敌方舰艇的动力系 统 摧毁敌方舰队 此外 仿鱼形水下机器人还可以应用于海洋动物园 仿鱼 形水下机器人是一种集机械 智能控制与一体的高科技设备 在民用 军事 科学研究等领域体现出了广阔的应用前景和巨大的潜在价值 仿生鱼机器人 设计说明书 1 2 研究现状研究现状 目前仿生机器鱼的驱动方式以传统的电机驱动 方式为主 由于其易于控制 驱动力大等特点 现已实现了较好的游动性能 目前国内外的仿鱼形机器人的发展以各高校及科研机构为主 已取得丰富 的成果 但目前国内和国外研究相比系统性和基础性较弱 1 3 本文的主要工作本文的主要工作 本文主要介绍本学期小组设计的一个基于舵机控制的仿生机器鱼 将从仿 生依据 工作原理 运动特性 控制特点等方面详细说明小组工作成果 仿生鱼机器人 设计说明书 第二章第二章 概述概述 2 1 整体构思整体构思 本小组设计的是一个基于舵机控制的仿生机器鱼 将采用 Arduino UNO R3 控制三个舵机进行运动实现 进而实现仿生鱼在水中的直行 转弯 速度控制 避障等功能 其具体机械结构 运动特性以及控制系统 以上内容将在下文详 细说明 2 2 仿生依据仿生依据 鱼类行为学者的研究表明 大多数鱼类把身体当作推进器 身体左右摆动 击水 利用其产生的反作用力使鱼体向前推进 基于这种推进原理 学者们提 出了所谓 的 波动推进理论 1 的鱼类游动机理 该理论主要以鱼 的脊椎曲 线为研究对象 鱼体之所以能够前进 是因为 脊椎曲线带动它所包络的流体 向后喷出 产生推力使鱼 向前 其游姿可以近似为正弦波 设脊椎曲线包络的工作质质量为 M1 躯体对地速度为 VB 是波长 f 为摆动频率 工作质对地速度为 VW 由于鱼体在水中的阻力与速度呈递增 关系 故在启动瞬 间 鱼体受到的阻力可以忽略不计 因此根据动量守恒定理 有公式 M1 VW M0 VB 1 通过动量守恒推出鱼类推进公式 VB Yf Y 是一个小于 1 的系数 它表征了鱼类的几何特征 体重对速度的影响 称 之为动力特征系数 波动推进假设是建立在对脊椎曲线包络的水的质量积分和 动量定理之上 鱼游动时使流体产生了分离 并且以漩涡的方式抛出尾部 漩 涡的抛出速度和摆动频率一致 在一个周期内 尾部产生一对旋向相反的漩涡 推动鱼前进 在对资料进行充分的研读和总结后 我们发现鱼类运动主要有以下几种方 式 仿生鱼机器人 设计说明书 由此根据波动推进理论 利用舵机设计一种三关节仿生鱼 以实现仿生鱼 的前进和自由转向 对于鱼的运动来说 主要靠其优越的体型和鱼鳍来进行推动和灵活的运动 对于各鱼鳍的作用 我们作了以下的总结 背鳍 用来保持鱼身体侧立 控制平衡 尾鳍 用来推进与控制方向 胸鳍 用来推进 控制 平衡 刹车 腹鳍 用来维持平衡 辅助升降 臀鳍 用来辅助控制平衡 目前一般用于机器鱼外形设计的仿生对象有金枪 鱼 梭子鱼 鲤鱼 鳗鱼 这几种鱼或者具有极高的游动速度 或者具有优异的机动性能 或者具有绝佳 的游动效率 它们都符合 波动推进理论 的运动模式 因而成为仿生鱼模仿 的典范 这些鱼类的外形呈现为流线形 不仅从鱼头到鱼尾的水流运动平稳 而且水动力学阻力也很小 显示出这类外形具有良好的水动学性能 因而 这 类流线形鱼体成为机器鱼外形设计的最佳选择 仿生鱼机器人 设计说明书 明确了生物各部分的功能作用以后 我们对仿生机器鱼的总体结构有了初 步的构想 决定利用曲柄转动导杆机构来用一个舵机控制鱼的尾鳍运动 从而 实现整个鱼的身体呈现三个关节 增强其灵活性 同时用两个舵机分别控制一 个胸鳍 以控制其转向和速度 第三章第三章 机械结构设计机械结构设计 3 1 机械设计思路及建模机械设计思路及建模 在初步设想的基础上 我们对仿鱼机器人的内部架构进行了实体建模 从 实体模型中可以看出 我们的方案在多个方面和确定课题时相比发生了较大的 改动 在整体框架方面 身体前部与尾部的连接由弧形框架连接变成了金属杆的 连接 更加贴近鱼的真实结构 也方便控制的实现 同时 在经过研究讨论之 后 改变使用带传动进行推进的想法 利用曲柄转动导杆机构来用一个舵机控 制鱼的尾鳍运动 从而实现整个鱼的身体呈现三个关节 在可摆动部分可以两 个关节运动不同 从而增强其灵活性 仿生鱼机器人 设计说明书 在胸鳍方面 我们将胸鳍作为方向控制 深度控制的主要零件 通过 Arduino 控制板控制舵机的运动角度 带动有一定倾角的胸鳍按指定速度扇动 通过两胸鳍速度差异 来控制仿鱼形机器人的运动方向 同时在其头部安装超 声波测矩装置 给出理想的深度 在测出离水底的矩离后自主判断 控制舵机 运动 带运动胸鳍改变机器人运动状态从而接近给定深度 在外部包装方面 我们将使用三元乙丙橡胶材料进行密封 贴合此内部框 架进行装配 将外侧密封橡胶粘在环形原板上 前后两块用螺丝固定在鱼中间 的板上 中间加密封垫圈 对内部结构及电子器件进行保护和可靠的防水 同 时为整个机器人提供流线型结构利于运动 3 2 创新点创新点 使用一个舵机控制两个鱼尾关节的运动 利用曲柄转动导杆机构 用直径 6mm 的不锈钢长杆进行连接 减少框架的使用 也能够将舵机数量减少 在增 仿生鱼机器人 设计说明书 加灵活性的同时 减轻重量 改变大多数已有产品使用背鳍进行转向控制的思路 利用两个分别舵机控 制的胸鳍来实现精准控制 使鱼形机器人运动协调 避免出现翻身 直立等非 正常运动状态 3 3 零件明细零件明细 仿生鱼机器人 设计说明书 第四章第四章 仿真分析仿真分析 在明确了仿鱼机器人的运动方式和机械结构后 我们对其关键零件进行了 必要的强度校核仿真 通过分析 我们知道 由于整体推动是通过尾部的摆动 提供动力 因此尾部的材料强度非常重要 需要其在有力摆的同时不会发生大 的变形或断裂 因此 我们将鱼的尾部模拟成 1 平方分米的方形板 设其运动的 平均速度为 0 3m s 尾部的材料为 PBT 塑料 通过软件对其压强和受力进行仿 真分析 各项参数如下 Cd Fd p u 2A 2 Cd 2 P Fd A Cd p u 2 2 90N m 2 Cd 阻力系数 A 平板面积 p 水的密度 u 移动速度 PBT 塑料 安全系数 1 5 仿生鱼机器人 设计说明书 可见其在可承受范围内 并仍有较大裕量 由于我们设计的独特性 是由一根金属杆作为连接件 中间以曲柄转动导 杆机构相连接 以达到使用一个舵机控制实现两个关节在水中协调运动的目的 因此对这根长杆进行必要的强度校核仿真分析 定其材料为不锈钢 长度为 0 3 米 通过舵机输出的最大力在此处产生的作用参数及结果如下 不锈钢 R 0 3m F AP 0 01 90 0 9N T RF 0 27Nm 通过仿真分析可得出结论 所受载荷均在屈服范围之内 满足要求 仿生鱼机器人 设计说明书 第五章第五章 电路设计电路设计 在以上机械结构确定的基础上 基于电路中的核心部分 Arduino UNO R3 控 制板和三个舵机 进行了电路设计 电路截图如下 仿生鱼机器人 设计说明书 如图可见 电路图上方为三个舵机 正文为 Arduino 控制板 舵机的电源正 极线与 Arduino 控制板的电源相连共同接高电平 地线如是 其中 Arduino 控制 板的 9 10 11 号接口分别连接三个舵机的信号线 控制电机转速及转角 12 13 号接口接出 连接超声传感器测距装置 测得深度与预期深度对比实现 闭环控制 第六章第六章 控制系统控制系统 本仿鱼形机器人的控制系统主要由 Arduino 控制板 舵机 超声波传感系统 构成 输入期望的深度和运动姿态 由超声波传感设备进行测量和反馈 从而 进行误差调节 接近预期设定姿态 仿生鱼机器人 设计说明书 控制代码 include include include Servo leftservo Servo rightservo Servo behindservo 弧度转速 int depth 鱼体离水底距离 int exceptdepth 预期鱼体离水底距离 float RKP 160 float RKI 1 6 仿生鱼机器人 设计说明书 float RKD 0 05 float Rcons0 RKP RKI RKD float Rcons1 RKP 2 RKD float Rcons2 RKD 右轮 PID 参数 float LKP 160 float LKI 1 6 float LKD 0 05 float Lcons0 LKP LKI LKD float Lcons1 LKP 2 LKD float Lcons2 LKD 左轮 PID 参数 float Rerror float Rerror 1 0 float Rerror 2 0 float Lerror float Lerror 1 0 float Lerror 2 0 左右轮的 e 期待 反馈 n 表示 n 阶 float Ru float Ru 1 0 float deltaRu float Lu float Lu 1 0 float deltaLu 左右舵机 u 有关的参数 int inputPin 13 int outputPin 12 超声波测距输入输出口 int i int anglel int angler 左右鳍煽动角度 void setup 仿生鱼机器人 设计说明书 Serial begin 9600 leftservo attach 9 rightservo attach 10 behindservo attach 11 pinMode inputPin INPUT pinMode outputPin OUTPUT int depthmeasure 测量鱼体与水底距离 digitalWrite outputPin HIGH Serial println outputPin delay 20 digitalWrite outputPin LOW Serial println outputPin delay 20 void loop leftservo write 0 rightservo write 0 behindservo write 0 depth depthmeasure 测深度 Rerror exceptdepth depth Lerror exceptdepth depth deltaRu Rcons0 Rerror Rcons1 Rerror 1 Rcons2 Rerror 2 deltaLu Lcons0 Lerror Lcons1 Lerror 1 Lcons2 Lerror 2 Ru Ru 1 deltaRu 仿生鱼机器人 设计说明书 Lu Lu 1 deltaLu anglel 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 leftservo write anglel rightservo write angler behindservo write 180 第七章第七章 总结总结 7 1 优势及创新点优势及创新点 小组在完成机械结构设计的基础上进行了实体建模 仿真分析 电路设计 仿生鱼机器人 设计说明书 和控制系统的设计 并且完成了初步的运动 装配演示 形成了一个相对完整 的仿生鱼机器人的设计过程 本机器人有以下创新点 1 机械结构的创新 在以往已有的机器人的基础上 进行了机械结构的 优化 在增加灵活度 减小负载 节省能源等方面有了新的想法和设 计成果 并在仿真中得以论证合理 2 控制系统的创新 使用 Arduino 控制板对三个舵机进行精准控制 并 引入反馈环节 对仿生鱼的深度 姿态进行判断和调节 3 姿态及方向控制的创新 改变大多数已有产品使用背鳍进行转向控制 的思路 利用两个分别舵机控制的胸鳍来实现精准控制 使鱼形机器 人运动协调 避免出现翻身 直立等非正常运动状态 7 2 主要关键技术主要关键技术 1 水下仿鱼机器人总体技术 针对仿鱼机器人的性能指标和使用模式 需 重点解决机器人的仿生流体动力构型 仿胸鳍或尾鳍推进多关节驱动模 式等 综合考虑升阻比 游动的机动性和稳定性 动力系统 探测通信 系统安装约束等多方面影响因素 提出设计原理和依据 有必要系统解 决水下仿生构型 2 仿鱼推进建模及控制技术 由于仿鱼推进具有多关节柔性运动的特点 表面会随着身体的摆动发生柔性变形 运动特性与刚体运动有着明显的 差别 运动特性较复杂 同时 仿鱼推进模式压根根据仿生学的原理 模拟生物的往复运动来实现推进 姿态控制以及机动航行等 由于它是 柔性的 运动特性复杂 动力学精确构建模型比较困难 所以需考虑采 用先进的控制方法结合仿