【153】设计和实现对机器鱼多个表面的控制【中文6400字】.doc
【153】设计和实现对机器鱼多个表面的控制【中文6400字】
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毕业论文（设计） 外文译文 题 目 设计和实现对机器鱼多个表面的控制 系 部 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年级 2009级 学生姓名 裴 茂 军 学 号 091013025 指导教师 田 大 庆 四川大学锦江学院毕业论文（设计） 1 设计和实现对机器鱼多个表面的控制 【 摘要 】 ： 本文讨 论了机器鱼的启发，结合机械设计与实现，可配置的多个控制表面存在自然的鱼。针对水下环境和多式联运运动要求，原理和机械人工控制设计面涉及尾加尾鳍，胸鳍，腹鳍和背鳍的讨论。初步施工控制问题进行进一步的概述。初步的实验结果验证了该设计的有效性。这样的组合有推进装置，不只有研究鱼类推进机理提供了一个可重复的激发试验平台，同时也形成了一个有前途的高效游泳机。 【 关键词 】 ： 生物启发的机器人，机器鱼，机械设计，多操纵面控制，游泳 1 引言 众所周知，鱼可以执行非常有效在水上运动和机动。特别是，作为一个几百万年进化的 物种 ，水上 游泳包括鱼类和鲸类动物 进行各种活动 通过形态和结构特征 的改变， 以惊人的效率，速度，机动性，和隐形，并优于船舶或自制 的 水下航行器（ 作为一种新兴的生物启发的想法，仿生学（自然的仿生设计）已应用于现代工程，通常包括运动模拟，传感材料模仿，控制 模仿 。那是一个可以改善现有的观念的视角的形态，结构，功能。由鱼的 不同寻常 的游泳壮举也由模仿这样的表现来更新现有的水下机器人技术，从 20 世纪 90 年代 大量的理论和实践研究出推动这一交叉学科。值得注意的是，太多的努力已朝向机器鱼的设计与开发。各种机械机器人的结构和控制方法的 鱼 ， 如今一般来说，游泳鱼类推进模式可以根据使用的方式分为两种模式：身体和尾鳍推进（ 和身体中部 和偶鳍（ 进。一种 普遍 的舆论认为，不存在绝对优势模型在这 两 种模式下，每一个物种都有好的发展的鱼为自己的栖息地。到目前为止，更多的新兴的生物有证据表明，鱼类主要依赖于多个控制表面包括鳍，胸鳍，腹鳍，背鳍，臀鳍以及身体达到快速操纵与推进。这很好的集成，可配置的多控制面提供了一个极好的范例来创建和控制的高性能水下航行器。 然而，完全是不切实际的复制 ， 由于巨大的差异自然鱼生物系统和工程系统之间的。额外的权衡 ，应包括生物机制，设计方法，可行性，成本 、 收益，等。现有的机器鱼，在相同的时间，一直主要用于身体鳍波动，或胸鳍，或侧鳍振荡的协调推进和机动。没有或有限构建多机器鱼的相关研究不同的散热片，即多个控制面，这是可取的增强的可操作性和可控性。在本文中，我们提出了一种新的多控制面利用最新的结果推动机器鱼的生物机器人，鱼类推进机理，力学设计。多链路尾加鳍，胸鳍，腹鳍，以及背鳍是经过精心设计的，在基于行为的协同控制框架。相比于机器鱼的控制驱动的单表面，表面赋予机器人协调控制更有效的水下运动，增加可操作性和硬件冗余。毫无疑 问，这强大四川大学锦江学院毕业论文（设计） 2 的运动能力的机器鱼会更主管的实际工作，如水下探险，海洋监测，军事侦察，等等。本文的其余部分安排如下。设计方案和多重控制程序面推进机器鱼在 2 节概述。控制框架设计了相应的推进行为 3 节。最后， 4 部分总结全文的今后的工作大纲。 2 分析和设计方案 统分析 以完全模仿天然鱼的 运动 能力，我们试图探索各种机械结构和驱动配置开发多种人工控制的机器人原型表面。在我们研究的目标包括：仿生提取：构思推进机制应实现鱼一样游泳，通过工程手段。众所周知，鱼有 鳞片 ， 具体做什么运动 取决于它们的物种（参见图 1 标签。概述常用的 鳞片 和它们的功能。这是值得的注意到鱼的灵感设计主要研究 。 运动仿生学方面。我的一体化设计 因为鱼鳍由僵硬皮肤覆盖射线，目前的刚性的机械零件无法复制这种复杂的生物结构。这要求的机械零件，电路，执行器和防水必须尽可能紧凑， 进一步比较综合，这可能降低了硬件的 依赖。我的功能多样性的一个主要的好处：应用多个控制表面仿鱼推进 实现多功能游泳。比如说呢。大多数的游泳者无法向后游泳。 随着侧鳍的 帮助 ，这个函数将不任何问题了。 计方案 机 器鱼的设计包含了一个数字的不同 的领域，涉及的定理在有机合成中的应用生物仿生技术 ，机器人技术，机械制造，工程机械控制技术 等。在上述要求 中 ，我们提出了一个设计框架，如图 2 所示。总体设计任务可以分为三个部分：机械设计，控制设计，和行 动的设计。 集成这些不同的功能 成 为游泳机是一种困难和复杂的任务，这样的设计框架将确保施工所需的性能和控制。 械设计 如 前所述，不同的鳍上有不同的功能。它还必须强调的是，游泳运动通过对肌肉发达的身体 产生 ，并在一些鱼的鳍 通过 推进做贡献。他们的主要功能是控制 运动 的稳定性和方向。如图 3 所示，所设计的机器鱼组成几个要素： 鱼头和前体，多链路柔软的身体，有 序 的 梗和尾鳍， 一对胸鳍，背鳍和腹鳍。注意，在每片鱼为了完成一 个特定的功能。刚性外壳头部和前体是由纤维增强塑料，提供一个中部空间 密封 的 空间 电子传感器，控制元件，电池用来 平衡重 量 。如图 4 所示， 这些环节软体是由 伺服电机 相 连接 而成的 ，四川大学锦江学院毕业论文（设计） 3 它的外部是由一个兼容的包裹， 弯曲的 橡胶管作为鱼的皮肤。我们说，输出扭矩 最大的应该是鱼的尾部 ，所以第一连杆驱动伺服电机具有更大的转矩。考虑到尾鳍，在其最后的冲击，可能会导致高达百分之 四十 的向前的推力，一个新月形尾鳍相连 接 通过一个小梗制成的硬塑料的最后一个环节。为有助于更多的推力，尾鳍的部分 为 柔性材料。 对于其他的控制面，如图 5 所示，两个机翼的胸鳍上对称放置在刚性壳体后下位置。注意每个胸鳍，能够 0360旋转通过一组定制的齿轮 ，可以独立控制或同步。同时，背鳍、腹鳍分别都位于前上和后下鱼壳 。特别 的 是，该旋转在这副鳍伺服电机发送到在通过一个特别设计的，动态的防水密封（见图 5）。目前，该旋转范围尾鳍，背鳍和腹鳍，是有限的 90，而胸鳍扩大到 180使向前和向后游泳。图 6 阐述了多控制一个机器人原型表面在装配。应该指出的是，确保一个好浮力和重力之间的平衡，分布机电元件要精心安排的。自没有调整装置相当于游泳在真正 的鱼鳔，原则上一个中性浮力状态，是优先。 3 控制框架 如图 2 所述，单片机负责决策和生产所需的 冲脉宽调制）信号来驱动的运动多控制面。在这项研究中，一个基于 富的外围设备和标准的微控制器采用界面， 提供基于平台的解决方案的广泛扩展应用。 运动控制 通常，稳定鱼的游泳所遵循的原则鱼体波。那是，鱼游泳运动可以被描述为： h = 其中 H 表示鱼体的横向位移， X 代表沿纵向轴线的位移， K 鱼的身体曲线的形状参数，是振鱼体的频率，和 振荡鱼的振幅， h1=而，这应该是离散的体波控制数据生成游泳 5。灵感来自于七鳃鳗，像鱼，鳗鱼，其动力是由活性其脊髓神经网络（称为中枢模式发生器（ ，基于模型的某些 建成生产鱼类游泳 14。对于多机器鱼控制面，一个 络图 7 所示的是为了产生不同的游泳在三度耦合的一组非线性神经振荡器一起 最近邻相互作用和分布时滞。相应的数学表达式可以表示为如下： 四川大学锦江学院毕业论文（设计） 4 进行为设计 如前所述，基于推进器的使用，游泳可以分为两种基本模式： 式和强积金模式，虽然结合使用的多个控制表面会 产生更复杂的运动。以下典型的推进行为已采用参与控制设计全部或部分表面。 l 进：机器人游泳在一条直线上的扑翼多链路柔软的身体和鳍横向， 而胸鳍是平行于水平平面功能以增强稳定性，和背鳍和腹鳍保持在中间位置。 l 对称偏转叠加上的多链路鱼尾摆动而其他参数保持相同的 进。在这个推进行为，尾和尾翅片不仅提供提供了大部分的推力，而且产生一个非零的时间平均转矩造成方向的变化。 我强积金前后：这种行为很容易由同步振荡的执行成对的胸鳍在水平面上，用尾鳍保持直的。胸角偏差鱼鳍驱动器的方向决定了落后的。 请注意，这个游泳行为可以使这在落后游泳的无能传统的 为。我强积金的转折：原则上，分化胸鳍的水动力之间，或定向力移动的背鳍和腹鳍，将造成的偏航力矩导致转弯机动鱼体。所以可能的方式来产生偏航此刻是激发定向力从胸鳍，背鳍和腹鳍，全部或部分。我向上 /向下游泳：像常见的鲨鱼，不有鱼鳔，机器鱼实现 3D 俯仰通过改变和提升的胸鳍的攻角散热片。请注意，这是在垂直运动一个较高的游泳速度的生物或前提强积金了游泳。因此，倾斜的胸鳍将产生一个力分解成一个阻力元件和一个正的或负的升力分量。另一种方法是使胸鳍定位于距偏置角并同时 振荡。我的刹车：为灵活操作的目的，我们可以制动机器鱼通过突然旋转胸鳍，垂直于身体的位置，或通过对 90背鳍和腹鳍偏转。请注意，这些手段可以通过单独或同时。伴随的阻力会减速最后停止游动的鱼体。 步结果 为了评估所提出的机械设计和控制框架，实验是在一个游泳池进行 1680 毫米的 870毫米 1000 毫米尺寸（长度宽度深度）。视野开阔的开销相机这是挂垂直上方的游泳池 用于识别的环境信息，并机器鱼的运动状态信息 16 。的相机是直接与主机的连接，和捕获的信息可以被发送到主机 实时分析。目前，机器人的 原型多个控制表面的安装与调整。测试机器鱼配备尾的快照散热片和一对胸鳍。有效推进行为涉及的 进， 折，强积金计划了与落后，强积金的转折，和上 /下游泳。在特别是，无花果。9 和 10 显示快照序列强积金向前和向后。可以明显观察到，机器鱼可以成功地进行了落后的胸鳍游泳。进一步的实验结果将很快。 4 结论和未来的工作 四川大学锦江学院毕业论文（设计） 5 本文首先介绍了鱼类鳍和审查功能，然后集中在机械设计多控制面多式联运游泳。两零件的力学原理及配置被描述。生物启发的 动控制器已经提出了多功能推进行为实现了。已经进行了初步测试显示在生成多个控制 表面的可行性不同的游泳行为。目前和未来的工作主要集中在两个方面：第一，协调推进模型及其控制面组合控制方法精确机动在三维的水生环境中的机器鱼将进行。其次，在此基础上，结合机器鱼多控制面将完全开发，它提供了力学和流体力学的一个测试床探索翅片与翅片的互动方面，以及身体和鳍。 (图表翻译参考原著 ) 四川大学锦江学院毕业论文（设计） 6 : of a by in of a a a 【 : t is in In as a of of of a of to of or 16as a by to or of by s by to to 990s. of 川大学锦江学院毕业论文（设计） 7 up , 7of be to of .A no in in of Up to on as as to . an to it is to a to be 0at or or or to a In we a by of of as as in a to by No be as so of is as a is . . an of 四川大学锦江学院毕业论文（设计） 8 2 of of we to to a in l by As is do on 1). 1 It is on up of by to be as as be 1 of in l of of to is to CF to of be 四川大学锦江学院毕业论文（设计） 9 he of a of on of in we a as 2. be a is a in s It be by of in a do is to of As 3, of a a a a of a 四川大学锦江学院毕业论文（设计） 10 3 of 4: a on a is to a of is of a As 4, is of in is by a as We be to so a in as 0 of a is to a of In to to is of to as 5, at of 川大学锦江学院毕业论文（设计） 11 360 a of be or a a of In of in to a 5). At of 90, of is 180 6 a in It be a of to be is no to in a in is 3 s 2, is to of In is a to a of of of of be h = h of x k is of is of h1 is of h1=c2 , 13be in . by an is by in a , to 4. a 7 is to in by a of 四川大学锦江学院毕业论文（设计） 12 be as s be PF of by in or in l in a by to to in CF is on of as CF In a of a a in PF be by of of
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