水下捕捉海星遥控机器人（ROV）的设计和运动分析（全套CAD图纸+设计说明书+翻译）
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水下
捕捉
海星
遥控
机器人
rov
设计
以及
运动
分析
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摘 要
海星是海洋中的一类海底栖息的无脊椎动物。一方面，海星强大的捕食和繁殖能力会对贝类会造成破坏，从而对沿岸渔业和水产养殖造成威胁和损失。另一方面，海星特殊的生长环境让它的营养价值丰富，而且对于疾病有很好的疗效。因此，抓捕海星对于我们来说变得越来越重要。
随着世界水下机器人技术的发展，越来越多的针对具体工程应用的机器人被开发使用。其中，ROV因其经济性好、灵活性高、环境适应性好、工作效率高、使用有效等特点，得到了迅猛发展。本论文在总结国内外ROV发展的并参阅了大量的学术期刊和论文的基础上，针对水下抓捕海星的具体应用，设计了一种封闭式的、具有对称框架结构的水下ROV机器人。
本论文根据海星的生存环境，对于ROV的具体工作环境要求进行了设定；主要介绍了ROV的系统方案和结构设计，完成了舱内各部分位置的分配；设计了ROV下潜器的浮体结构、框架结构，并对于耐压壳体部分进行了选择和设计；重点设计了ROV的动力传动系统，并对相关轴和齿轮等进行了计算校核；对于封闭框架的静密封和推进器旋转轴的动密封环节进行了方案的选择和设计。
本论文设计了基于四连杆曲柄摇杆单驱动机构和五连杆的双曲柄双驱动机构的机械手；建立了基于五连杆的双曲柄双驱动机构的运动学方程，并用matlab进行了轨迹的设计和优化过程，得出了机械手相关参数的优化设计。使用ADAMS软件完成了对于轨迹的模拟仿真和运动分析。
关键词：捕获海星； 水下机器人； 曲柄连杆机构； 优化设计； 运动仿真
- 内容简介：
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水下捕捉海星 设计 和运动分析 结题答辩 毕业设计 意义及背景 目录 相关计算 毕业设计 海洋面积巨大 海洋 海洋资源丰富 意义及背景 毕业设计 啃 食珊瑚；有些物种以贝类为 食 海星 破坏渔场、湖泊 大的捕食力、繁殖力 意义及背景 选题背景 富含蛋白质、微量元素、维生素等 海星 含有皂苷、生物碱、多糖等生物活性代谢产物 食品及动物饲料 营养价值丰富 保健、医药 抗癌抑菌、抗炎抗病毒等药理和生理活性 意义及背景 毕业设计 效率低（一个潜水员一天 100 下潜时间和深度受限 水下伴有意外 肌肉骨骼出现减压病 效率高（发现目标后 10 下潜时间和深度与设计参数有关 排除了人身危险及疾病 寿命高、使用方便、适应性高 意义及背景 国内外背景 英国 直径 190 6个推进器 美国 E 52m 航速： 2 重 应用于水产养殖、港口安检、水下救援打捞等 4个前后推进器 可在流速 “江豚” 小型线缆观测机器人 天津深之蓝海洋设备科技有限公司 总重 3 实现 2 s 转弯 搜查目标、堤坝维护、港湾监视等 上海交大水下工程研究所应用于核工业无损检测的 0m 4个推进器 配备旋转云台、像头 意义及背景 毕业设计 工作环境 要求 项目 目录 几何模型 尺寸 限制：长 高 1000 1. 重力 ： G 701（ 2个人可以轻松放置 ） 2. 水中 的最小负荷： 5海星重量 ） 环境条件 1. 海流速度： s（ 海水的平均流速 ） 2. 海水的透光度： . 潜水深度： 40m 4. 着陆地质：沙滩 、 海泥 、 海底 礁石潜在 障碍：海藻 、 丢弃的渔网 、 岩石 5. 海水温度： 525 运动 1. 自由度 （ ： 6自由度 2. 推进速度： 1m/s（ 2节 ， 1节 =(1852/3600)m/ss） 3. 悬停运动：捕捉海星作业的主要运动 4. 捕捉速度：在潜航器发现目标后 105. 捕捉目标：各种各样的海星 能量 1. 动力源和传送：外部线缆 ， 内置 12/242. 线缆长度： 150m 3. 电源： 220V 5000传感器 等装置 1. 视觉系统：机器人摄像头 2. 照明系统：前进时照亮距离 1m 3. 传感器：距离 、 重量 、 速度加速度传感器等 信号传递 通过 线缆进行传递 ， 从船上收发指令后自动进行工作 耐久力 1. 能够承受 5 每 10米水约等于 1个大气压 ） 2. 能够克服上述的潜在航行障碍 水下捕捉海星 计思路及方案 毕业设计 小型 机械手及海星装载装置 机械手设计 装载海星笼子设计 四连杆 五连杆 总体设计构思 浮体设计 框架设计 耐压壳体设计 传动系统设计 静密封和动密封 水下海星捕获机器人装置 校核+运动分析 水下捕捉海星 计思路及方案 毕业设计 水下捕捉海星 计思路及方案 形状和推进器布置设计 毕业设计 水下捕捉海星 计思路及方案 浮体设计 提供水下 减小运动中的阻力 与框架配合构成 浮体主要功能： 毕业设计 水下捕捉海星 计思路及方案 抗腐蚀、抗冲击、易成型 整体 起到整体外壳的固定连接作用 框架设计 框架主要功能： 毕业设计 水下捕捉海星 计思路及方案 耐压壳设计 耐压壳主要功能： 保证不会渗入海水或遭受海水的腐蚀，以保证内部的相关传动系统等设备 毕业设计 水下捕捉海星 计思路及方案 弹性模量： 2300 质量密度： 1060kg/ 张力强度和屈服强度： 500 热导率： mK） 适合水下的抗水压要求 耐压壳分析 毕业设计 水下捕捉海星 计思路及方案 传动系统设计 毕业设计 水下捕捉海星 计思路及方案 蓄电池 行星轮减速无刷 直流电机 梅花形夹紧 联轴器 锥齿轮 轴 大 锥齿轮 万向联轴器 传动轴 传动轴 推进器连接杆 传动系统设计 毕业设计 水下捕捉海星 计思路及方案 耐压壳体 转轴 聚四氟乙烯滑环 密封设计 毕业设计 水下捕捉海星 连杆轨迹分析 单位： 1=80 08 04 5=101 毕业设计 水下捕捉海星 连杆轨迹分析 毕业设计 水下捕捉海星 连杆轨迹分析 业设计 水下捕捉海星 连杆轨迹设计分析 五连杆数学模型 根据五连杆的数学解析公式 将 11， 4的关系式 利用 点的关系求出 个变量外加 毕业设计 水下捕捉海星 连杆 轨迹设计分析 设计思路 1 2 3 4 5 6X , , , , , , , L L L L 设计变量： 2211 Np i p im i n F X m i n x x t y y 目标函数： 约束条件： 满足五连杆物理模型的非线性条件 各个变量有效范围 . . 00m i n f xs t C xC e q xA x bA e q x b e ql b x u b 毕业设计 水下捕捉海星 连杆 轨迹设计分析 设计思路 * 5 0 ; 2 1 7 . 8 5 9 ; 2 3 3 . 7 1 7 ; 9 0 ; 1 0 0 ; 1 3 7 . 2 5 4 ; 2 7 3 . 7 8 9 ; 1 8 4 . 2x 变量结果： 1 50L 2 220L 3 230L 4 90L 5 100L 6 137L 273 184 捕捉海星的有效 跨度甚至达到 400 次 捕捉数量较多 上下 有效跨度达到 175 回程 有交点， 但平滑 度 较高 五 连杆可以通过灵活进行调节 毕业设计 水下捕捉海星 关计算 计算总结 推进器整体转动负载 重力与浮力估算 耐压壳有限元分析 传动系统的计算 圆锥齿轮的设计计算 轴的设计计算 毕业设计 水下捕捉海星 论与展望 结论 （ 1） 括形状设计和自由度分析，浮体的设计，框架的设计，耐压壳的设计，传动系统的设计以及密封的设计。 （ 2） 分析 了四连杆和五连杆的实现方式，验证了四连杆的运动轨迹，基于月牙形的轨迹进行了五连杆的设计和优化分析。 （ 3） 对 推进器 整体转动负载、重力与浮力进行了计算，对耐压壳体利用 传动系统进行了设计校核。 展望 （ 1） 实物样机的模拟 （ 2） 试 （ 3）五连杆反解法进行更加灵活的设计 毕业设计 水下捕捉海星 谢 致谢 在此感谢给予我帮助的老师和同学！ 谢谢大家！ 本科毕业 设计 任务书 设计 题目 水下 捕捉海星 院（系、中心） 工程学院 机电工程系 专 业 机械设计制造 及其自动化 年 级 2011级 选题来源 科研 课题 纵向课题（ ） 选题类型 理论研究（ ） 横向课题（ ） 教师自拟课题（ ） 应用基础研究（ ） 学生自拟课题（ ） 技术或工程开发（ ） 设计 的基本构思和基本任务： 基本构思 ： 海星灾害会对海洋环境、水产养殖造成巨大破坏，本项目拟设计一种可以捕获海星的水下机器人装置。 基本任务 ： 1. 查阅文献，查 找已有的水下海星捕获装置，构思 2 2. 对构思方案进行评估，确定一种合理方案。 3. 对机构运动进行分析，绘制装置的三维图。 4. 对机构的整体装配进行设计。 目前的基础（包括资料收集情况、前期工作情况等） 资料收集情况： 1. 已经收集了大量水下机器人的资料。 2. 收集了有关海星性质和海星捕捞装置的设想的文献。 前期工作情况 ： 1. 已经初步进行了捕捞机械手载体的设计 。 2. 进行了捕捞机械手的分析及其轨迹分析 。 设计 进度安排 1 继续查阅文献，完成构思和方案选定 。 3 确定主要技术参数，进行初步设计计算工作。 6 根据设计计算结果，进行概念设计和机构设计。 8 周 机械手机构的运动分析和仿真。 9 进行装置的结构设计，绘制三维模型，绘出装配图以及主要零部件图纸。 12 周 汇总工作，查漏补缺，修改设计中的问题， 准备答辩 论文起止时间：自 年 月 日起 年 月 日止 学生（签名）： 指导教师（签名）： 院（系、中心）负责人（签名）： 注：表格不够可另附页 1 本科毕业设计 开题报告 题 目 水下海星捕获机器人装置的 设计和运动分析 2 一、 选题 依据 课题来源、选题依据和背景情况 ； 课题研究目的、 学术价值或 实际应用价值 1、课题来源、选题依据和背景情况 从全球来看，整个地球的表面积是 平方千米，而其中海洋的面积为到了 平方千米，占地球总表面积的 海洋，是人类赖以生存和发展的四大战略空间 陆、海、空、天中继陆地之后的第二大空间，是能源、生物资源和金属资源的战略性开发基地，是目前最现实的，也是最具有 发展潜力的空间。随着 21 世纪，全世界科学技术的高速发展，面对蕴含丰富的生物资源、矿产和能源资源的海洋，人们已经从单纯的观测进入到了对海洋进行充分探索、开发和利用的时代。新世纪人类面临着诸如人口过度膨胀、陆上化石能源进一步枯竭、生存环境污染严重等问题，充分地对海洋进行开发，有利于我们的可持续发展和相关经济产业壮大，是我们的必然选择。 海洋生物资源丰富，生物种群复杂多样，种类繁多。海星是海洋中的一类海底栖息的无脊椎动物。海星具有强大的捕食和繁殖能力，它们对于贝类会造成比较显著的破坏，从而对沿岸的渔业和水产养殖造 成较大的威胁和损失。例如：在韩国的南部海岸，分布着一种阿穆尔海星，这种入侵的海星物种给当地带来的相当大的麻烦。它们胃口很大，捕食贝类，在韩国海域不存在自然天敌，从而繁殖和再生能力巨大。不仅仅是海岸的渔场，而且自然的湖泊也会受到这些海星的威胁。例如，澳大利亚的大堡礁连续不断地报道海星数量爆炸性增长的问题。联合国 （ 国际海事组织（ 经把海星列为了全球有害生物之一 1。 虽然海星对于贝类有巨大的威胁，但是它特殊的生长环境使得它不仅具有丰富的营养价值，而且对于人类及动物的多种疾病具有很好的疗效。海星 富含蛋白、氨基酸、不饱和脂肪酸、微量元素和维生素等，必须氨基酸比例合理，将其作为人类的营养美食有很好的开发前景。此外，海星还含有大量结构独特的具有生物活性的代谢产物，如皂苷、生物碱、甾醇、多糖、维生素、蛋白质、多肽和氨基酸等，他们具有多种多样的生理和药理活性，如抗癌、抑菌、抗病毒、抗炎、降血压和降血脂等，将其应用于医药、保健食品及动物饲料资源开发等领域中有着巨大的前景 2。 不论是减小海星对于渔业的影响，还是捕捉进行科学研究或者相关产业的开3 发利用，海星的抓捕工作已经提上了日程。在韩国，一个潜水员一天可以手 工采集 100星。然而，这项工作非常辛苦， 效率低下，而且水下工作总会伴有意外的风险和减压病。用潜水器潜水，一个潜水员利用一个空气储蓄器可以下潜30钟，到达 20M 的深度。往往一个水下任务结束后，一些潜水员会出现肌肉骨骼病，皮肤病和排尿困难等疾病。潜水员一般都患有慢性头痛和肌肉骨骼疾病，因为他们每天要反复潜水 5时。 水下机器人（也成无人潜水器）完全可以胜任这类工作，它安全性好、效率高、作业深度大、能在水下长时间工作。按照无人潜水器与水面支持设备（母船或平台）间联系方式的不同，水下机器人可以分为 两大类：一类是有缆水下机器人，即遥控水下机器人（ ；另一类 是无缆水下机器人，即自治水下机器人（ 自带能源，依靠自身的自治能力来管理和控制自己。 其经济型号、下水出水灵活性高、环境适应性好、作业效率高、使用有效等有点，得到了迅速发展。随着功能及可靠性的迅速提高， 来越被广泛地应用于海洋资源开发、水下工程、海底调查、打捞作业等领域。 2、课题研究目的、学术价值和实际应用价值 本课题希望设计一种专门应用于水下海星捕捞的 下机器人及其捕捉装置，来替代人工的捕捞工作。这样，不但可以节省许多潜水员的人力成本，而且会提高工作的效率。水下机器人的研究和发展虽然始于 20 世纪 50 年代，但是在捕捞海星这类工作的实际应用中并不多见，因此 本课题的设计对于实际海星捕捞工作有着重要的价值 ，对于我国进行海洋资源开发和蓝色强国梦想的实现从技术和方向上有着一定的促进作用。 4 二、文献综述 国内外研究现状、发展动态；查 阅 的主要 文献 1、 国内外研究现状、发展动态 有缆水下机器人的简称，需要 由电缆从母船接受动力， 是完全自主的，它需要人们通过电缆对 行认为的遥控干预，电缆对于 说 像 “脐带 ”对于胎儿一样至关重要。有缆水下机器人根据运动方式的不同可分为拖拽式、（海底）移动式和浮游（自航）式三种。 最 早 得到开发和应用的无人潜水器，其研制始于 20 世纪 50 年代，雏形 是几个美国人想要观察神秘的海底世界。他们将普通摄像机密封在防水壳体内，将其带入海底，成为了第一代第一个浮游式有缆潜水器。 而世界上真正意义上的第一个 1960 年美国研制的 “ 1966 年 1 月它与载人潜水器 配合，在西班牙外海找到了一颗因轰炸机失事而失落在海底的氢弹，并且进行了成功地打捞。这在全世界引起了极大的轰动，从此 术开始引起人们的重视。 随着军事及海洋工程的需要及电子、计算机、材料等高新技术的发展， 20世纪 70 年代和 80 年代， 到了飞速发展，形成了初具规模的 业。1975 年，第一台商业化的 问世。这台 于观察型 被称为 “眼球 ”，因为它的外形非常像一只球。北海油田和墨西哥湾是 “眼球 ”首先被应用的地区。 “ 型 是在 “ 的基础上由 司在 1978 年到 1980 年期间，进行改装设计的（图 1）。 以下潜的最大深度是 914m，配备有四个推进器，它主要应用在水下的管道连接作业和水下钻井方面。 图 1 代 统的种类可以按照尺寸、驱动形式、功率和下潜深度进行划分，5 如表 1 所示 3。 表 1 统分类 类型 能力 功率 /型（电动） 观察（小于 300 米） 小于 型（电动） 观察 /轻微作业（小于 3000 米） 小于 深（电动） 观察 /数据采集（小于 3000 米） 小于 等（电动 /液压） 轻微 /中等强度作业（小于 2000 米） 小于 型（电动 /液压） 大强度 /大负载（小于 3000 米） 小于 深（电动 /液压） 大强度 /大负载（大于 3000 米） 小于 981 年国际水下公司出售的 最早市场上出售的小型 价为 45000 美元。 1984 年国际深海系统公司出售的 价为 286000 美元。 1985 年深海工程公司设计的 售价为 30000 美元。目前，这类小型 数量占所有 比例约为 22%。 美国 司生产的 般都是系列化的， 2）额定下潜深度 150m，长 530m，宽 245m，高 254m，对角线长 353m，在空气中重 11用耐压壳体和聚乙烯框架作为安装架及保护框架。图 2 有 4 个无刷直流 推进器，前向 2 个，推力 71 个垂向推进器，推力 31 个侧向推进器，推力 3 水面运动时的速度可以达到 3 节，最大的抗流能力为 2 节。配有 520 线摄像头以及 180旋转云台，可以观察 270范围内景物。配有方向、深度和温度传感器。配备了直径为 8 150过凯夫拉加强，工作强度为 100断强度为 700过6 内部的屏蔽双绞线 传输电 源和控制信号，通过普通双绞线传输视频信号。固、耐用、体积小巧，转动灵活，操作使用简单，维护方便，质量可靠，并且配备了工业级摇杆和防水键盘，可以控制 前进、后退、转向、上浮、下潜和侧移，而且 还可以控制照 明灯的强度和摄像头的转向和俯仰，可以调整摄像头焦距 4。 英国 司的 3）具有单个人在 3 分钟内单手完成布放的快速简单的特点。 203 152 146以灵活地进入直径 190管道。重量仅为 3深 100m。有 4 个水平推进器，并且呈矢量分布，这样的布置使其前推进器数相当于 4 个以及侧推进器数也等同于 4 个。 推进器矢量分布设计使其侧推与前推动力相同，使其前后左右运动可以拥有相等的速度，从而也可以在给定的任意方 向流场环境中使持稳定状态。 拥有 2 个垂向推进器，可以控制 有深度、温度、潮湿和进水检测传感器，可以见识 作环境和自身参数 5。 图 3 国 司开发了 和 系列的超小型水下机器人，它们主要用于海上石油平台、港口安检、水库检测、水产养殖、商业潜水、教育、科学研究等领域。其中， 系列 包括 E， S， 潜深 152m 总重量不同 的潜水器，它们可以适应不同水下使用情况。 系列包括 00 00 00潜深 300m 应用于水产养殖、港口安检和水下救援打捞等不同用途的小型 7 E（图 4）最大潜水深度 152m，航速为 23 节。长 305 225 210 机器人配有前后摄像头以及照明灯、深度 计和电子罗盘等 6。 图 4 E 由 司研发的 子部分安装在耐压舱内，前后有透明玻璃罩供前后摄像头观察之用，并配备有照明光源安装在主壳体上。 5）配两个前后推进器， 6）配备 4 个前后推进器，可以在流速达 s 的水流中工作。 图 5 图 6 前国内小型 天津深之蓝海洋设备科技有限公司设计研发的小型缆控水下观测机器人 “江豚 ”（图 7） ，天津斯卡特科技有限公司的 5C（图8）和 50C（图 9）。 “江豚 ”的尺寸为长 330 202 175小型缆控水下观测机器人由通过线缆连接的水下运动平台和 甲板 监控单元两部分组成 。水下运动平台安装有多角度彩色摄像头和照明装置、大推力螺旋桨推进器、位置姿态测量传感器、数据处理和动作控制电路等，可以实现灵活的水下运动控制和清晰的视频图8 像获取。 “江豚 ”总重量 3大前进速度 3m/s，最大升潜速度为 2m/s，可以实现快速 2s 灵活原地转弯，航向精准保持和位置悬停等。 “江豚 ”主要应用于河流、湖泊、港湾、海水等水下目标搜查，以及水产养殖、堤坝维护、港湾监视和舰艇维护等领域。 图 7 江豚 5C 要包括： 10机器人，控制台， 50m 水下专用电缆，用户手册和工具包等，系统总重 38括了一台彩色摄像机和一台 7 英寸的彩色液晶屏监视器，控制台上配有视频输出端子。当遇到需要录制视频的任务时，可以很方便地进行视频录制。摄像机为广角电动变焦彩色摄像机，内置云台，俯仰140 度。摄像头 530 线分辨率 号为 式。配备有 2 个 35W 高效率卤素灯和 2 个 60旋桨的配有导流罩的水平推进器，有 1 个 60旋桨的配有导流罩的垂直推进器。配备深度传感器、姿态倾斜传感器和电子罗 盘。 5C 大潜深 76m，航行速度 1m/s（ 2 节），电缆长度 50m。 50C 75C 的不同之处在于水平推进器 150C 是 100，垂直推进器是 75大潜深为 150m，航行速度 s（ 3 节），电缆长度为100m。 图 8 5C 图 9 50C 9 通过上面的介绍和分析，我们可以清楚的发现，经过几十年的经济和科 学技术的发展，小型 到了迅猛的发展，尤其是国外的 术已经发展到了一个全新的阶段。由此，国外许多的 司应运而生，并且针对不同的使用领域开发了具有明显特征的可靠实用的产品。然而，相对于国外，国内的 术发展和水平比较落后，现阶段可靠的应用型 是国内的巨大需求。 二、参考文献 1 , , , , ： of of a an 2013,14902 汪行舟，安利龙 J3 吴丙伟 构设计与仿真 D制理论与控制工程，2013： 14 5 6 7 于华南 D船舶与海洋结构物设计制造， 2003： 18 张铁栋 M9 9 许竞克，王佑君，侯宝科，杨立浩 研发现状及发展趋势 J 32 卷第 4 期 10 徐玉如，李彭超 J 33 卷第 3期 11 , , , ： of a 12 钟先友，谭跃刚 J 2006：第一期 13 陈宗桓，盛堰，胡波 海洋科学科考中的发展现状及应用 J2014：第 21 期 10 三、研究内容 1 学术构想与思路 ； 主要研究内容及拟解决的关键 问题（或 技术 ） （ 1）学术构想与思路 1） 通过了解国内外潜水小型 发展现状，对目前已有的 商业化的行外形结构的分析和研究。 2）结合捕捉海星的实际应用情况，考虑相关的环境参数和对 要求，类比进行 设计。 3）进行 设计时，分模块进行设计。例如：总体框架、形体、水密方案、动力系统、传动系统、观测和照明系统 、机械手系统 等等。提高设计的效率，减小设计的难度。 3）捕捉海星的机械手装置，参考已有成熟的相关技术，进行改进使其适应于海星的捕捉，并且运用相关软件进行运动分析。 4）如果各方面条件允许的话，可以进行实物的测试 ，或者可以用相关软件进行模拟。 （ 2）主要研究内容 0 前言 1. 研究综述 （ 1） 引言 （ 2） 水下机器人分类 （ 3） 内外研究现状 （ 4） 论文 需要 完成 的 工作介绍 2. 系统方案设计 （ 1） 统组成 （ 2） 总体设计构思 （ 3） 浮体的设计 11 （ 4） 框架的设计 （ 5） 耐压壳的设计 （ 6） 静密封和动密封设计 3. 搭载的机械手和捕获装置的设计 （ 1） 功能需求分析 （ 2） 机械手设计 （ 3） 装载海星笼子设计 （ 4） 装置与 相连接设计 4. 机械结构设计与强度校核 （ 1） 机械结构包括水密耐压舱的 结构 （ 2） 水下推进器的设计 （ 3） 舱内各部分的位置分配 （ 4） 对于设计的相关传动轴进行校核。 5. 机械手空间分析 6. 论文总结与展望 （ 3）拟解决的关键问题（或技术） 作环境和相关技术要求条件的设置。 关模 块的结构设计。 行相关的三维和二维建模，完成图纸和论文。 2拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析 12 （ 1） 文献研究法。根据我们的课题，通过调查相关的文献来获取资料，从而全面地、正确地了解掌握小型 术的历史发展和国内外现状，可以帮助我们确定研究的课题。 （ 2）跨学科研究法。在 关材料的选择上，涉及到海洋化学的知识；在海星的习性和特点的问题上，涉 及到海洋生物的知识；在 架内的相关电器的应用上，涉及到自动化电气专业。因此，需要我们进行跨学科的研究，以便更快更准的服务于我们的课题。 （ 3）模拟法。通过 软件进行三维、二维和运动分析模拟，利于我们总结归纳，优化我们的设计。 （ 4）数学方法。在校核强度方面，需要引入数学在机械方面的引用公式，进行相关的计算。 13 3 实施方案及可行性分析 水下海星捕获机器人装置由小型 航器和机械手及还行装载装置组成。 首先 确定海星的生存环境，即 工作环境要求。海星生存的海水平均深度设为 30m，并且贝类养殖场的海底相对平坦。海流的速度低于 s，并且海水的透光度超过 于海星来说，它们本身的粘着力很小，也不能快速移动，因此经常会借助海流来移动。由于它们数量巨大，因此会形成群组式的生存状态。 对于 器人来说， 宽度必须小于 700度要小于 1000度要小于 500外，为了在没有发射装置的情况下， 2 个人可以对机器人进行控制，对于它的重量也有限制，需要低于 601左右 。最小的前进速度是 1m/s，机器人平台可以在工作区域内保持运动和方向，避免水下工作中的海流和机械手的反作用力。 为此，我们采用封闭式的框架，并把 体设计成对称的结构。平台使用 4 个旋转推进器，并且能够进行轴向的旋转，每两个推进器可以同步进行旋转。机器人平台可以实现 6 个自由度的空间运动。 框架可以考虑采用 合物制造。在框架的基础上，可以装备有机玻璃、螺钉、 O 型圈进行密封。浮体装在装置的顶部和底部，可以考虑使用高分子聚丙烯（ 平台的上面和下面有对接环装置，用来装载机械手或者其他捕获装置。整个机器人潜航深度应小于 40m，承受 5力内是防水的。 需要 2 个直流电源供应， 2 个直流无刷电机， 采用锥齿轮进行传动，并且考虑用等速万向节进行两个旋转推进器的连接，保证每两个推进器轴向旋转时的等速性。 机械手设计连杆装置，考虑连杆的运动形式，模拟相关运动曲线，择优选择。海星的框架，采用笼式的结构。 本文所研究的内容已经参阅了大量的学术期刊与中外相关的论文，并在查阅相关的论文中对于 设计思路和技术路线有了一个 比较清晰的认识。在今后的研究过程中，将充分利用学校图书馆所提供的宝贵的学术资源资料，包括维普科技期刊网、知网等平台，不断更新和补充相关的知识，在导师、同学和研究生学长的帮助下，相信会取得不错的研究成果。 14 四、论文 （设计） 进度 安排 起止时间 主要内容 预期目标 2015 年 3 月 8 日 - 2015 年 3 月 30 日 收集相关资料，进行充分的筛选、论证、比较和分析 文献综述、开题报告及论文的初步构想 2015 年 4 月 1 日 - 2015 年 4 月 16 日 完成 型的搭建，进行运动分析和相关的校核，完成主 要的设计和计算任务 成三维和总装二维图纸，用 行运动分析，进行计算校核 2015 年 4 月 16 日 - 2015 年 5 月 20 日 完成其他的二维图，完成毕业论文，并完成最终更改 完成毕业论文及二维图 2015 年 5 月 20 日 - 2015 年 5 月 底 完成终期答辩 完成最终答辩 五、 审 核 意见 导师意见 导师签字 : 年 月 日 15 审核小组意见 审核小组成员签字： 年 月 日 注： 1、 表格不够 可加附页。 2、 审核小组应至少由三位具有高级职称的教师组成；必要时可召集开题报告会。 本 科 毕 业 设 计 水下捕捉海星 设计和运动分析 摘 要 海星是海洋中的一类海底栖息的无脊椎动物。 一方面， 海星强大的捕食和繁殖能力会对贝类会造成破坏，从而对沿岸渔业和水产养殖造成威胁和损失。另一方面， 海星特殊的生长环境让它的 营养价值 丰富 ，而且对于 疾病 有很好的疗效。 因此，抓捕海星对于我们来说变得越来越重要。 随着 世界 水下机器人技术的发展，越来越多的针对具体工程应用的机器人被开发使用。其中， 其经济性好、 灵活性高、环境适应性 好、工作 效率高、使用有效等特点，得到了 迅猛 发展。本论文在总结国内外 展的并参阅了大量的学术期刊和论文的基础上 ，针对 水下 抓捕海星的具体应用，设计了一种封闭式的、具有对称框架结构的水下 器人。 本论文 根据海星的生存环境，对于 具体 工作环境要求进行了设定； 主要介绍了 系统方案和结构设计，完成了舱内各部分位置的分配；设计了 潜器的浮体 结构 、框架 结构 ，并对于耐压壳体 部分 进行了选择和设计；重点设计了 动力传动系统，并对相关轴和齿轮等进行了计算校核；对于封闭框架的静密封和 推进器旋转轴的 动密封环节进行了方案的选择和设计。 本论文设计了基于四连杆曲柄摇杆单驱动机构和五连杆的双曲柄双驱动机构 的机械手 ；建立了基于五连杆的双曲柄双驱动机构的运动学方程，并用 行了轨迹的设计和优化过程，得出了机械手相关参数的优化设计。使用 件完成了对于 轨迹的 模拟仿真 和运动分析。 关键词： 捕获海星； 水下机器人 ； 曲柄连杆 机构 ； 优化 设计 ； 运动 仿真 he is of on On of to a to On of it at it is on of in OV to to of on of of OV in to a of a OV As of OV of of of OV of of of is on on is of is At is in 目录 1 绪论 . 1 言 . 1 下机器人种类 . 2 内外研究现状 . 2 论文完成的主要工作 . 4 2 系统方案设计 . 6 计构思 . 6 体设计 . 8 状设计和自由度分析 . 8 体的设计 . 8 架的设计 . 9 压壳的设计 . 10 动系统的设计 . 11 封的设计 . 12 章小结 . 13 3 获装置的设计 . 14 于四连杆单驱动的曲柄连杆机构 . 14 于五连杆的双曲柄双驱动机构 . 15 杆捕捉海星轨迹规划 . 16 迹规划思路 . 16 杆机构数学模型 . 18 化工具箱 . 21 迹设计过程 . 22 化结果分析 . 24 章小结 . 25 4 关结构的校核与设计 . 26 进器整体转动负载计算 . 26 力与浮力的计算 . 28 压壳体的仿真分析 . 29 动系统的设计校核 . 30 轮的设计校核 . 30 的强度校核 . 33 章小结 . 41 论文的总结与展望 . 42 参考文献 . 43 附录 . 45 致谢 . 47 1 绪论 1 1 绪论 言 我们 地球表面的面积 是 平方 公里 ，然而这其中 平方 公里 是海洋 ， 它 占地球总表面积的 比例为 海洋，是我们四大生存发展空间 陆、海、空、天中在陆地后面 的第二大 发展空间，是化石能源 、生物资源和金属资源 极具 战略性 的 开发场所 ， 这个空间的发展潜力也是最大的 1。 在 21 世纪，人类科技一直在迅速地 发展， 人们面对蕴含丰富资源和能源 的海洋， 已经 不仅仅局限于单纯的观测行为，而更加注重的是如何对海洋进行全方位的开发和利用 。现在，人类面临着诸如能源几近枯竭、环境污染严重等问题，因此 对海洋进行开发 和利用，有利于我们的可持续发展和相关海洋产业的壮大， 这也是 我们的必然选择。 海星具有强大的捕食和繁殖能力，它们对于贝类会造成比较显著的破坏，从而对沿岸的渔业和水产养殖造成较大的威胁和损失。例如 ， 在韩国的南部海岸，分布着一种阿穆尔海星，这种入侵的海星物种给当地带来的相当大的麻烦。它们胃口很大，捕食贝类，在韩国海域不存在自然天敌，从而繁殖和再生能力巨大。不仅仅是海岸的渔场，而且自然的湖泊也会受到这些海星的威胁。例如，澳大利亚的大堡礁连续不 断地报道海星数量爆炸性增长的问题。 虽然海星对贝类有很大威胁，但是它营养方面的价值较高 ，而且 对多种疾病是有一定作用的 。海星富含 大量 蛋白、 一些 不饱和脂肪酸、 大量氨基酸 、 微量元素和维生素等， 如果 把它 作为我们的营养食物，将会有较好发展 远景 。 另外 ，海星有大量 构造 独特的具有生物活性的代谢产物，如 生物碱、 皂苷、 多糖、 甾醇、多肽等， 它们 具有较好的生理作用 ，如抗 击 癌 症、抑制病菌、抗击炎症、降血压和 血脂等， 若是 将其应用在 医药 行业、保健 品 以及 动物饲料 等 范畴 ，会有 巨大的 应用 前景 2。 不论是减小海星对于渔业的影响，还是捕捉进行科 学研究或者相关产业的开发利用，海星的抓捕工作已经提上了日程。在韩国，一个潜水员一天可以手工采集 100而，这项工作非常辛苦，效率低下，而且水下工作总会伴有意外的风险和减压病。用潜水器潜水，一个潜水员利用一个空气储蓄器可以下潜 30钟，到达 20M 的深度。往往一个水下任务结束后，一些潜水员会出现肌肉骨骼病，皮肤病和排尿困难等毕业设计 2 疾病。潜水员一般都患有慢性头痛和肌肉骨骼疾病，因为他们每天要反复潜水 5时。 如果这类捕捉海星的工作交给水下 器人来完成，那么工作效率会大幅度提升；工作时候的安全事 故率也会降到最低；另外，下潜的深度有很大的灵活性 ；最后，它可以在水下更长时间地进行工作。 下机器人种类 根据可以不可搭载人，将 水下机器人 分类为 载人和无人水下机器人。载人水下机器人的运动是由潜航员来进行操控的，其中的实验者可以直接观察外部的海洋环境，其优势在于人的感觉可以处理各种复杂的问题，但是危险性也是很大的。另外，水下载人和航天工程是非常类似的，需要为潜航员提供生命保障系统，这就造成 潜航器的体积巨大、系统复杂、成本昂贵、应用环境受限等不利因素。无人水下机器人，通常来说就是我们熟悉的水下机器人，排除了人的 考虑因素，它工作的时间、空间都有很大的自由。水下机器人 按照有无线缆与水面实验平台联系 分为两大类 3。 一类是有缆水下机器人，即遥控水下机器人（ 另一类是无缆水下机器人，即自治水下机器人（ 自带能源，依靠自身的自治能力来管理和控制自己。 内外研究现状 有缆水下机器人的简称， 它由电缆从母船获取 动力， 并不是完全自主的，需要人利用 电缆对 纵 。 据不同的运动方式， 可分为 3 种： （海底）移动式、拖拽式 和浮游（自航）式 4。 较早获得 应用的无人潜水器 便是 研制始于 20 世纪 50 年代，雏形是几个美国人想要观察神秘的海底 。他们把 摄像机密封在防水 的 壳体内，将其带入海底，成为了第一代浮游式有缆潜水器。 1960 年由美国人研制的 “ 是 世界上第一个 下潜1966 年 1 月它与载人潜水器 共同协作 ，在西班牙 的外海找到了一个 因轰炸机失事而 掉到海底的氢弹，对其完成了成功 打捞。从此 之后，全世界都轰动了， 术的开发与应用 引起 了不少国家的 重视 5。 1 绪论 3 和 系列水下机器人 是由美国 司设计开发的。 它们主要 应用的领域为 海上石油平台、港口水库检测、水产养殖、教育科研等领域。其中， 系列包括 E， S， 总重量不同的潜水器。 系列包括 00 00 00潜深 300m 在安检和打捞等方面应用的 小型 E（图1大潜深 为 152m6。 目前国内小型 天津深之蓝海洋设备科技有限公司设计开发 的小型缆控水下观测机器人 “ 江豚 ” （图 1天津斯卡特科技有限公司 设计 研发 的 5C 和50C，以及上海交通大学应用于 核工业无损检测的 “ 江豚 ” 的尺寸为长 330 202 175小型缆控水下观测机器 人由甲板监控单元和利用电缆联系的水下运动平台构成 。水下运动平台 可以实现灵活的水下的空间控制，并且可以获得较高质量的图像和视频 。 “ 江豚 ” 可以实现快速 2 确前进方向的保持和工作位置的 悬停 运动等。 “ 江豚 ” 主要应用于河道 、港湾、 湖泊、海水等水下目标 搜捡，以及水产行业、大坝保护、港口安全和船舶日常维图 1豚 图 1E 毕业设计 4 护 等领域 7。 5C 1外包装是器材箱的形式， 主要 包括水下 体、用户操作平台、多种线缆和其他必要的工具等，重量是 38置云台，俯仰 140 度。 5C 1最大潜深 76m，航行速度 1m/s（ 2 节）。 50C 75C 的不同之处在于水平推进器 和 垂直推进器 的长度较长 ， 电缆长度较长， 航行速度 为 s（ 3 节）。 上海交大研究过一种核工业检测的 1， 可以潜航 50m 深 ，长 宽高分别为 500500 480前进 的 速度为 8。 经过上面的介绍，我们可以看出 下机器人技术一直在不断的发展。 国外的研究和商业化的成果较多，国内这些年相关技术也在蓬勃发展。现阶段，对于具体的工程应用，仍然亟待进一步的研究。 论文完成的主要工作 本论文主要针对于捕捉海星这一实际的工程应用情景，希望通过设计新型的 15C 图 150C 图 1工业无损检测 绪论 5 结构来代替人力高效完成相关的工作。从全篇来看，主要把文章分成了下面 3 个大方面的内容： （ 1） 统的系统方案的设计：通过对于海星生活环境的分析，得出 工作环境要求，进行了 体的设计构思，对于运动的自由度完成了相关的分析；完成主要的浮体、框架、耐压壳、传动系统、静密封和动密封的设计。 （ 2） 载捕捉海星机械手设计：通过捕捉海星需求的功能分析，基于四连杆和五连杆结构进行相关结构设计，利用 行优化，用 行轨迹的仿真分析。 （ 3） 关结构的校核与设计：包括推机器需要的负载计算；重力与浮力的计算；耐压壳体的 析； 重点进行了传动系统传动轴和齿轮的校核工作。毕业设计 6 2 系统方案设计 计构思 考虑到捕捉海星， 要通过摄像头传感器对于海星的位置进行相关的测量，并通过线缆实 时地传到测量平台上，并进行捕捉动作的操纵。另外，为了能够在水下稳定地运动，把 体设计成为一个对称的结构，需要加载捕捉海星的笼子，因此 部设计成对称的布置。除此之外，还有很多如下的技术指标要求： （ 1） 尺寸重量限制：为了 2 个人能够轻松地进行放置， 重力 G 601； 其在水中的最小负荷为 5星的重量） ； 其尺寸长 宽 高1000700500（单位为 9。 （ 2） 环境条件：海水的平均流速为 s；海水的透光度设定为 海水的温度为 5， 潜水深度小于 40m；其着陆的地质为沙滩、海泥、海底礁石（海星平常的生活环境）；潜在的障碍有海藻、丢弃的渔网、海底岩石等； （ 3） 运动要求： 需要在空间运动上实现 六 个自由度； 进的速度要 大于 1m/s（ 2 节， 1 节 s）；可以进行悬停运动；在潜航器发现目标后 10 秒 内完成捕获；可以对各种各样的海星进行捕捉。 （ 4） 能量：动力源除了外部电缆 外，内置 12/24V 的交直流蓄电池；线缆长度预设为 200m，线缆电源为 220V 交流电，配置 5000稳压器。 （ 5） 其他：能够承受 5压力（每 10 米水约等于 1 个大气压）；产生的噪音尽量小于 140会对其他水下生物造成影响）；内置摄像头、距离、 量、速度、加速度等传感器进行实时的信号测量与传输。 通过上面 5 个方面， 得到 设计要求 表： 表 2设计要求说明 设计要求说明 项目 目录 模型 尺寸限制：长 宽 高 10000000 系统方案设计 7 表 2设计要求说明 （续） 重量 1、重力： G 601 2 个人可以轻松放置） 2、水中的最小负荷： 5星重量） 工作 条件 1、 海流速度： s（海水的平均流速） 2、 海水的透光度： 月海水透光度最小值的平均值） 3、 潜水深度： 40m 4、 着陆地质：沙滩、海泥、海底礁石（海星平常的生活环境） 5、 潜在障碍：海藻、丢弃的渔网、岩石 6、 海水温度： 5 运动 要求 1、 自由度（ 6 自由度 2、 推进速度： 1m/s（ 2 节， 1 节 =(1852/3600)m/ss） 3、 悬停运动：捕捉海星作业的主要运动 4、 捕捉速度：在潜航器发现目标后 10 秒 内捕获 5、 捕捉目标：各种各样的海星 能量 1、 动力源和传送：外部线缆，内置 12/24V 交直流蓄电池 2、 线缆长度： 150m 3、 电源： 220V 5000压器 传感器等装置 1、 视觉系统：机器人摄像头 2、 照明系统：前进时照亮距离 1m 3、 传感器：距离、 量、速度加速度传感器等 信号传递 通过线缆进行传递，从船上收发指令后自动进行工作 耐久力 1、 能够承受 5压力（每 10 米水约等于 1 个大气压） 2、 能够克服上述的潜在航行障碍 毕业设计 8 体设计 状设计和自由度分析 捕捉海星的笼子较大，为了与其 配合，把 计成长方体封闭式 10的框架结构，使用 4 个推进器，其位于长方体的 4 个角上，并处于一个水平面内。浮体位于框架的上下两侧，潜航器最下面装载机械手和笼子。 推机器螺旋桨的转向可以通过控制台来进行控制，那么如果推进器两两组合，同时整体 转向， 就 可以实现 水下空间六自由度的运动。 为了验证此方案在实际的运动中是可行的，通过简单的示意图来分析它能够完成的自由度，如图 2 通过对于 上面 6 个过程的分析， 发现推进器这样布置和运动，可以实现 前进后退、上浮下潜、横移、航向、俯仰和横滚，即 水 下 能够实现 捕捉海星和潜航 所需 运动 自由度 要求。 体的设计 浮体的最大作用就是为 供足够的浮力， 采用 分子聚丙烯材料，并且 其应该与 框架固定安装 。根据正方形的框架结构，浮体的形状也设计成正方形 的结构。为了减小运动的阻力，其前后端做成流线型的结构 。 图 2由度 分析 2 系统方案设计 9 图 2体 如图 2示， 浮体的四边需要设定 4 个长方形槽，为了方便 电源线插入框架进行连接。两端部分应该留出摄像头与 缆连接口。中间部分设置 一个圆环，可以通过圆环来连接起吊装置或者装载机械手和笼子等。另外，需要在浮体上设置必要的连接孔，以方便其固定在框架结构上。 架的设计 框架是 主体结构， 对于它来说，需求 的功能有：与浮体相连接；装载 蓄电池、传动系统、传感器等装置；是静密封的主要对象；封闭后提供 要的大部分浮力；决定密封壳体的形状 。 框架一般分为密封式和开架式，因为要内置蓄电池、传动系统，我们采用密封式的结构。 整个框架设计成长方体类型，基本上下左右成对称分布；连接支撑推进器的 45 度方向 设置支撑；除蓄电池座外，呈中 空设计，以 方便传动系统的布置；设置上下位置的环形静密封槽口，利用 O 型垫圈 密封；前后留出摄像头和线缆接头的空间，具体如下 图2示 ： 图 2架 毕业设计 10 考虑为了减轻整体 重量，并且具备抗冲击、抗腐蚀、易成型等特点， 因此框架的材料采用 不锈钢 。 压壳的设计 为了保证水下机器人在水下不会渗入海水，或者遭受海水的腐蚀，我们需要用耐压壳体来对水下机器人与海水接触的部分进行一定程度的密封工作，以保证在机器人内部的相关传动系统等电力自 动化设备不会受到海水的威胁。另外，耐压壳体通过对整个密封舱的密封，能够提供给 部分的浮力，有利于 本体设计工作的进行。故对于耐压壳体的物理性能有较高的要求，而且需要进行有效的密封。 常用的 压壳体的形式有球形和圆筒形。 但是除此之外，根据具体的工程应用环境和对 体要求 ， 还能够 采用 例如方形和 长方形 形状的 壳体 11。 对于耐压壳体来说，另一个需要考虑的因素就是材料。根据水下机器人 工作条件的不同，耐压壳体实用的 材料也会 有差异 。总体来说，壳体的材料分为金属和非金属两类，为了能够保证机器人水下 作业的良好性能，需要对材料的物理性能作周密的考虑。 材料本身需要抗 海水的化学或者电化学腐蚀，还需考虑材料的低周疲劳、张力强度、蠕变 、可成型性、成本和是否易获得等等因素。 本次设计的耐压壳 需要进行捕捉海星的工作，与框架相配合，采用整体方形的机构（如图 2，这种结构非常适合浅水作业级别的潜水器 。 对于壳体的材料，采用 它的弹性模量为 2300量密度为 1060kg/力强度和屈服强度 为 500导率为 mK），适合水下的抗水压要求。为了验证强度等安全性 能，在后续 章节中通过 行了 仿真计算分析，在此不再赘述。 图 2压壳 2 系统方案设计 11 动系统的设计 为了完成 于自由度的要求，平面分布的四个推进器需要完成整体的旋转运动，并且前端两个推进器应该同时整体转向，后端两个推进器也要同时完成转向运动。通过分析可知， 运动时方向的改变是比较频繁的，因此整个 传动系统也需要频繁改变传动方向。 据此，选择了锥齿轮的主要传动形式，通过大锥齿轮轴与万向联轴器的联接，把动力传递给推进器的连接杆，带动前端或者后端两个推进器同时运动。为了保证 水中的稳定性，传动系统也被设计成 前后 对 称的结构，具体形式如 图 2示 ： 由于传动系统呈对称分布，因此下面就圆圈内的结构做以下分析 ，参考图 2 （ 1） 主要功能：通过图中我们可以清晰的看出，由锥齿轮轴和大锥齿轮、以及万象联轴器组成的主要传动机构，同时连接着左边上下两个推进器，而另一边也是相同的；图 2动系统 图 2动系统放大图 毕业设计 12 当动作需要推进器完成整体旋转式，传动系统就可以实现两两的运动，根据图 2分析， 通过调整推进器的推进方向， 水下 就能够实现捕捉海星和潜航所需运动自由度 要求 。 （ 2） 主要结构： 首先介绍一下传动系统的几个组成部分，分别是 蓄电池， 行星轮减速无 刷直流电机， 梅花形夹紧联轴器， 锥齿轮轴， 大锥齿轮， 万向联轴器， 传动轴 2， 传动轴 3， 推进器连接杆。 传动系统的起始端是直流无刷电机 ，电机支座作为支撑，通过专用的驱动器控制，从机载蓄电池获取能源；电机通过梅花形夹紧联轴器与锥齿轮轴连接，齿轮轴把动力通过大锥齿轮传递给两个万向联轴器；然后通过推进器连接杆输出转矩，带动 其 运动。 封的设计 在 下捕捉海星机器人的结构中， 需要考虑 密封的 主要 部位 是框架与壳体 、推进器的密封座与耐压壳体 、 以及 推进器密封座与转轴之间。前两个密封是 静密封，后者属于动密封。 对于 耐压壳体与框架之间、推进器密封座与耐压壳体之间 密封，可以通过 O 型圈 进行密封 。 其中，耐压壳体与框架的密封，通过在框架上下两侧开槽，进行密封，可以参考图 2进器密封座与耐压壳体之间的密封，如下图 2示。 对于水下机器人的动密封，有很多种方法： O 型圈密封。容易出现爬行现象，另外，很难做到零泄漏，只能控制泄漏量处于一定的范围之内 。 O 型圈与聚四氟乙烯滑环的组合密封。 机械密封。应用也比较广泛，而且适用于各种工况条件。 磁流体密 图 2密封示意图 2 系统方案设计 13 封。 能自润滑，有自密封性和高传续效率，但是成本较高 12。 其中 为耐 压壳体， 为转轴， 为聚四氟乙烯滑环， 为 O 型密封圈。 因为整个推进器旋转需要的 转速并不是很高，并且 下潜的深度并不深 ，选用 O 型圈与聚四氟乙烯滑环的组合密封是较合适的。 章小结 本章节，通过对捕捉海星这一工程应用的分析，制订了 体的设计构思，对于水下潜航器工作的环境参数进行了设计。从形状、自由度、浮体、框架、耐压壳、传动系统和密封等角度对于 体进行了设计，对于其初步的结构有了比较明确的定义，这为后续的捕获装置的设计奠定了基础。毕业设计 14 3 获装置的设计 于四连杆单驱动的曲柄连杆机构 水下如果要高效地进行海星的捕捞工作，就不能够仅仅局限于单个海星的逐一抓捕，由于海星的生存也是呈小群落式的分布，因此我们可以利用曲柄连杆机构实现的曲线来完成海星的抓捕工作。 对于曲柄连 杆结构来说， 四连杆机构 的研究是比较多的 。 通过 资料的整理 15可以发现，如下的 月牙形轨迹的 单驱动的四连杆可以轻松完成海星的抓捕工作，如图 3示的机构模型： 其中考虑到笼子尺寸和 体机构的尺寸，各连杆的长度分别为 02=1080401中弹簧的作用是为了当 地面海泥接触后，进行一定的缓冲作用，可以减小阻力。 在 建立曲柄连杆机构的模型，并与框架笼子进行装配，再保存成为 式的文件， 导入到 证是否可以完成捕获的工作。 通过 轨迹运动仿真，可以发现这个曲线是可以完成我们捕捉海星的任务图 3连杆模型 图 3连杆运动轨迹分析 3 获装置的设计 15 的，并且曲线的水平跨度和深度跨度在合理的范围之内。但是四连杆的缺点有以下几点： 不能够进行灵活的轨迹规划，驱动和杆长给定后，运动轨迹就一定了； 不能够灵活适应其他工况下的变化要求，急回特性非常明显。 仅仅只有一个自由度。 相对而言，五连杆的灵活性更大，不仅是杆长，初相位角， 双驱动角速度等都能够影响五连杆的 运动轨迹，而且五连杆是具有两个自由度的多自由度机构，完成运动的可能 性较四连杆大很多。 因此本论文从另一个角度探索了利用五连杆进行轨迹规划完成捕捉海星动作的可行性。 于五连杆的双曲柄双驱动机构 （ 一 ） 五杆机构 分类 本文中，将五连杆应用与海星捕捉的应用中，也是尚属首次。 其中如图 3示为平面两自由度 五杆机构的几种主要的结构 13。 我们选择比较简单的铰链五连杆作为我们研究的主要对象。 （ 二 ）五杆机构双曲柄存在的必要条件 对于五连杆来说，双曲柄存在条件非常严格，实际应用中 会 极大 限制 其 运动。为了配合运动输入，夏定玲等人 14研究总结了五杆双曲柄存在的必要条件。所谓的必要条件就是指两 原动件 按照一定的运动规律作整周运动时，五杆机构在任一时刻都满足装配条件。 首先我们利用 出五连杆的二维模型，并进行数学解析的分析。 通过三角形基本的三角形原理可以得出双曲柄存在的必要条件。 图 3连杆主要结构 毕业设计 16 由图 3以分析出 B 点和 D 点的坐标： 11115 4 4c o L 44s 其中，21 1 1 112 t ，24 4 4 412 t 则 原动 件按一定规律运动史， 间的距离为： 222 X X Y D B D 2 2 24 5 4 5 4 1 5 1 1 4 4 12 c o s 2 c o s 2 c o L L L L L L L 即在任意时刻需要23 L，23 L两个式子成立。 杆捕捉海星轨迹规划 迹规划思路 五 连杆的轨迹规划问题，可以总结归述为一个数学模型的 设计 优化问题，这个优化问题是基于五连 杆本身的解析模型和各种线性或者非线性的约束条件下的优化设计问题。 优化设计（ 一种设计的方法，它由设计变量、目标函数和约束条件这三个部分构成。 （一） 设计变量 为了表示方便和简化计算，我们可以用向量来表示设计问题中的变量。有 n 个变量，图 3连杆双曲柄存在必要条件 3 获装置的设计 17 就设置其为 n 维列向量。 1212x x (3其中 ， 1, 2 , ,ix i n表示第 i 个变量。在确定，向量 x 就表示一个 完整的设计方案。 （二） 目标函数 目标函数 一般将其 表示为： 12 nf x f x x x (3（三） 约束条件 通过对特性不同点的分析， 把 约束 分类 ： （ 1）边界 类型的 约束： 设计变量在已给
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