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4983-鱼类的形体结构与机器鱼的游动机构设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】,鱼类,形体,结构,机器,游动,机构,设计,机械,毕业设计,全套,资料,已经,通过,答辩

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黄河科技学院 本科毕业 论文 任务书 工 学院 机械 系 机械设计制造及其自动化 专业 08 级 3 班 学 号 080105506 学生 宛中洋 指导教师 孔令云 毕业论文 题目 鱼类的形体结构与机器鱼的游动机构设计 毕业论文 工作内容与基本要求 （目标、任务、途径、方法，应掌握的原始资料（数据）、参考资料（文献）以及设计技术要求、注意事项等）（纸张不够可加页） 一、 设计工作内容与目标 本课题来源于重大科技攻关预研项目“声纳隐身仿生机器鱼鱼雷关键技术研究”仿生机器鱼可以有较大的声纳隐身效果，可以悬停、浮潜，可以游动、调整姿态。本课题仅初步研究鱼类的形体结构与机器鱼的机构设计问题。 通过本毕业设计课程，完成下列主要内容： 1） 查阅相关资料，熟悉机器鱼技术研究现状； 2） 鱼类的形体结构及游动机理； 3） 机器鱼的游动机构设计 二、设计工作任务与要求 1） 查阅文献资料 12 种以上，外文资料不少于两种。写出 3000 字以上文献综述，单独装订成册。 2） 翻译与本课题有关的外文科技资料一篇不少于 3000 汉字，单独装订成册。 3） 完成开题报告，填写开题报告表。 4） 按照黄河科技学院本科毕业设计（论文）指导手册的要求，完成毕业设计说明书一份，字数不少于 8000 字。编写中英文摘要不少于 300 字。 5） 机器鱼游动的设计图纸至少 3 张。 6） 包含本次设计所有内容的光盘一张。 三、 时间安排 第 1 周 3 周 查阅资料，调研，写开题报告，写文献论述，翻译外文资料； 第 4 周 6 周 鱼类的形体结构及游动机理研究； 第 7 周 9 周 机器鱼的游动机构设计； 第 10 周 11 周 编制设计说明书，验 收； 第 12 周 修改整理，准备答辩。 毕业设计（论文）时 间： 2012 年 02 月 13 日至 2012 年 05 月 15 日 计 划 答 辩 时 间： 2012 年 05 月 19 日 专业（教研室）审批意见： 审批人 签名： 黄河科技学院毕业论文 (文献翻译 ) 第 1 页 he is or to It in so on on of to be or is a in in so on If is to on to on in a do of as is on a to to is is to in a On be on if a to A to is to is to to to A of is an A 黄河科技学院毕业论文 (文献翻译 ) 第 2 页 of in it to a is at is a if to is to In to to of if in in of is to up of in in to s is to is an to to in is be to on In to to on on is is In to on to (1) is (2) (3) of is (4) is 黄河科技学院毕业论文 (文献翻译 ) 第 3 页 (5) is to be to to in on to on of to in to or to in to to in of or in in of is a a to to be In be to so on s to of In to or to s so on to on to In is by in to in to to to of is (a) (b) (c) In 黄河科技学院毕业论文 (文献翻译 ) 第 4 页 of is If is to or In of to to to be to If a in in of In to a up in of or on to so of in to in in be as as to if to to or is in is of is in is it to is on in by to to In is to to on be to In to to to 黄河科技学院毕业论文 (文献翻译 ) 第 5 页 in in on to to in to to to to be of in to to is on to to on of by is in to in of In (a) or (b) to to to to be to to (c) as is in (d) is (e) is by to is to of to be to on of to to 黄河科技学院毕业论文 (文献翻译 ) 第 6 页 黄河科技学院毕业论文 (文献翻译 ) 第 7 页 机械设计理论 机械设计是一门通过设计新产品或者改进老产品来满足人类需求的应用技术科学。它涉及工程技术的各个领域，主要研究产品的尺寸、形状和详细结构的基本构思，还要研究产品在制造、销售和使用等方面的问题。 进行各种机械设计工作的人员通常被称为设计人员或者机械设计工程师。机械设计是一项创造性的工作。设计工程师不仅在工作上要有创造性，还必须在机械制图、运动学、工程材料、材料力学和机械制造工艺学等方面具有深厚的基础知识。 如前所 述 ，机械设计的目的是生产能够满足人类需求的产品。发明、发现和科技知识本身并不一定能给人 类带来好处，只有当它们被应用在产品上才能产生效益。因而，应该认识到在一个特定的产品进行设计之前，必须先确定人们是否需要这种产品。 应当把机械设计看成是机械设计人员运用创造性的才能进行产品设计、系统分析和制定产品的制造工艺学的一个良机。掌握工程基础知识要比熟记一些数据和公式更为重要。仅仅使用数据和公式是不足以在一个好的设计中做出所需的全部决定的。另一方面，应该认真精确的进行所有运算。例如，即使将一个小数点的位置放错，也会使正确的设计变成错误的。 一个好的设计人员应该勇于提出新的想法，而且愿意承担一定的风险，当 新的方法不适用时，就使用原来的方法。因此，设计人员必须要有耐心，因为 所花费的时间和努力并不能保证带来成功。一个全新的设计，要求屏弃许多陈旧的，为人们所熟知的方法。由于许多人墨守成规，这样做并不是一件容易的事。一位机械设计师应该不断地探索改进现有的产品的方法，在此过程中应该认真选择原有的、经过验证的设计原理，将其与未经过验证的新观念结合起来。 新设计本身会有许多缺陷和未能预料的问题发生，只有当这些缺陷和问题被解决之后，才能体现出新产品的优越性。因此，一个性能优越的产品诞生的同时，也伴随着较高的风险。应该强调 的是，如果设计本身不要求采用全新的方法，就没有必要仅仅为了变革的目的而采用新方法。 在设计的初始阶段，应该允许设计人员充分发挥创造性，不受各种约束。即使产生了许多不切实际的想法，也会在设计的早期，即绘制图纸之前被改正掉。只有这样，才不致于堵塞创新的思路。通常，要提出几套设计方案，然后加以比较。很有可能在最后 黄河科技学院毕业论文 (文献翻译 ) 第 8 页 选定的方案中，采用了某些未被接受的方案中的一些想法。 心理学家经常谈论如何使人们适应他们所操作的机器。设计人员的基本职责是努力使机器来适应人们。这并不是一项容易的工作，因为实际上并不存在着一个对所有人来说都是最优的操作范围和操作过程。 另一个重要问题，设计工程师必须能够同其他有关人员进行交流和磋商。在开始阶段，设计人员必须就初步设计同管理人员进行交流和磋商，并得到批准。这一般是通过口头讨论，草图和文字材料进行的。为了进行有效的交流 ，需要解决下列问题： （ 1）所设计的这个产品是否真正为人们所需要？ （ 2）此产品与其他公司的现有同类产品相比有无竞争能力？ （ 3）生产这种产品是否经济？ （ 4）产品的维修是否方便？ （ 5）产品有无销路？是否可以盈利？ 只有时间能对上述问题给出正确答案。但是， 产品的设计、制 造和销售只能在对上述问题的初步肯定答案的基础上进行。设计工程师还应该通过零件图和装配图，与制造部门一起对最终设计方案进行磋商。 通常 ，在制造过程中会出现某个问题。可能会要求对某个零件尺寸或公差作一些更改，使零件的生产变得容易。但是，工程上的更改必须要经过设计人员批准，以保证不会损伤产品的功能。有时，在产品的装配时或者装箱外运前的试验中才发现设计中的某种缺陷。这些事例恰好说明了设计是一个动态过程。总是存在着更好的方法来完成设计工作，设计人员应该不断努力，寻找这些更好的方法。 近些年来，工程材料的选择已经显得 重要。此外，选择过程应该是一个对材料的连续不断的重新评价过程。新材料不断出现，而一些原有的材料的能够获得的数量可能会减少。环境污染、材料的回收利用、工人的健康及安全等方面经常会对材料选择附加新的限制条件。为了减轻重量或者节约能源，可能会要求使用不同的材料。来自国内和国际竞争、对产品维修保养方便性要求的提高和顾客的反馈等方面的压力，都会促使人们对材料进行重新评价。由于材料选用不当造成的产品责任诉讼，已经产生了深刻的影响。此外，材料与材料加工之间的相互依赖关系已经被人们认识得更清楚。因此，为了能在合理的成本和确 保质量的前提下获得满意的结果，设计工程师的制造工程师都必须认真仔细地选择、确定和使用材料。 黄河科技学院毕业论文 (文献翻译 ) 第 9 页 制造任何产品的第一步工作都是设计。设计通常可以分为几个明确的阶段：（ a）初步设计；（ b）功能设计；（ c）生产设计。在初步设计阶段，设计者着重考虑产品应该具有的功能。通常要设想和考虑几个方案，然后决定这种思想是否可行；如果可行，则应该对其中一个或几个方案作进一步的改进。在此阶段，关于材料选择唯一要考虑的问题是：是否有性能符合要求的材料可供选择；如果没有的话，是否有较大的把握在成本和时间都允许的限度内研制出一种新材料。 在功能设计和工程设计阶段，要做出一个切实可行的设计。在这个阶段要绘制出相当完整的图纸，选择并确定各种零件的材料。通常要制造出样机或者实物模型，并对其进行试验，评价产品的功能、可靠性、外观和维修保养性等。虽然这种试验可能会表明，在产品进入到生产阶段之前，应该更换某些材料，但是，绝对不能将这一点作为不认真选择材料的借口。应该结合产品的功能，认真仔细地考虑产品的外观、成本和可靠性。一个很有成就的公司在制造所有的样机时，所选用的材料应该和其生产中使用的材料相同，并尽可能使用同样的制造技术。这样对公司是很有好处的。功 能完备的样机如果不能根据预期的销售量经济地制造出来，或者是样机与正式生产的装置在质量和可靠性方面有很大不同，则这种样机就没有多大的价值。设计工程师最好能在这一阶段完全完成材料的分析、选择和确定工作，而不是将其留到生产设计阶段去做。因为，在生产设计阶段材料的更换是由其他人进行的，这些人对产品的所有功能的了解不如设计工程师。 在生产设计阶段中，与材料有关的主要问题是应该把材料完全确定下来，使它们与现有的设备相适应，能够利用现有设备经济地进行加工，而且材料的数量能够比较容易保证供应。 在制造过程中，不可避免地会 出现对使用中的材料做一些更改的情况。经验表明，可采用某些便宜材料作为替代品。然而，在大多数情况下，在进行生产以后改换材料要比在开始生产前改换材料所花费的代价要高。在设计阶段做好材料选择工作，可以避免多数这样的情况。在生产制造开始后出现了可供使用的新材料是更换材料的最常见的原因。当然，这些新材料可能降低成本、改进产品的性能。但是，必须对新材料进行认真的评价，以确保其所有性能都满足要求。应当记住，新材料的性能和可靠性很少像现有材料那样为人们所了解。大部分的产品失效和产品责任事故案件是由于在选用新材料作为替代材料 之前，没有真正了解它们的长期使用性能而引起的。 黄河科技学院毕业论文 (文献翻译 ) 第 10 页 产品的责任诉讼迫使设计人员和公司在选择材料时，采用最好的程序。在材料过程中，五个最常见的问题为：（ a）不了解或者不会使用关于材料应用方面的最新最好的信息资料； (b)未能预见和考虑擦黑年品可能的合理用途（如有可能，设计人员还应进一步预测和考虑由于产品使用方法不当造成的后果。在近年来的许多产品责任诉讼案件中，由于错误地使用产品而受到伤害的原告控告生产厂家，并且赢得判决）； (c)所使用的材料的数据不全或是有些数据不确定，尤其是当其长期性能数据是如此的时候； (d)质量 控制方法不适当和未经验证； (e)由一些完全不称职的人员选择材料。 通过对上述五个问题的分析，可以得出这些问题是没有充分理由存在的结论。对这些问题的研究分析可以为避免这些问题的出现指明方向。尽管采用最好的材料选择方法也不能避免发生产品责任诉讼，设计人员和工业界按照适当的程序进行材料选择，可以大大减少诉讼的数量。 从以上的讨论可以看出，选择材料的人们应该对材料的性质，特点和加工方法有一个全面而基本的了解。 黄河科技学院 毕业设计（论文）开题报告表 课题名称 鱼类的形体结构与机器鱼的游动机构设计 课题来源 教师拟订 课题类型 导教师 孔令云 学生姓名 宛中洋 专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 080105506 一、调研资料的准备 根据任务书的要求，在做本课题前，查阅了与课题相关的资料有：机械设计、机械制图、机械制造工艺学、机械原理、材料力学、理论力学、极限配合与公差、机械设计课程设计与毕业设计指导等以及与设计相关的手册。 二、设计的目的与要求 本课题来源于重大科技攻关预研项 目“声纳隐身仿生机器鱼鱼雷关键技术研究”仿生机器鱼可以有较大的声纳隐身效果，可以悬停、浮潜，可以游动、调整姿态。本课题仅初步研究鱼类的形体结构与机器鱼的机构设计问题。 通过本毕业设计课程，完成下列主要内容： 1） 查阅 相关资料，熟悉机器鱼技术研究现状； 2） 鱼类的形体结构及游动机理； 3） 机器鱼的游动机构设计。 三、设计的思路与预期成果 （ 1） 查阅文献资料 12 种以上，外文资料不少于两种。写出 3000 字以上文献综述，单独装订成册。 （ 2） 翻译与本课题有关的外文科技资料一篇不少于 3000 汉字，单独装订成册。 （ 3） 完成开题报告，填写开题报告表。 （ 4） 按照黄河科技学院本科毕业设计（论文）指导手册的要求，完成毕业设计说明书一份，字数不少于 8000 字。编写中英文摘要不少于 300 字。 （ 5）机器鱼游动的设计图纸至少 3 张。 （ 6）包含本次设计所有内容的光盘一张。 四、任务完成的阶段内容及时间安排 第 1 周 3 周 查阅资料，调研，写开题报告，写文献论述，翻译外文资料； 第 4 周 6 周 鱼类的形体结构及游动机理研究； 第 7 周 9 周 机器鱼的游动机构设计； 第 10 周 11 周 编制设计说明书，验收； 第 12 周 修改整理，准备答辩。 五、完成设计（论文）所具备的条件因素 我已修完机械设计、机械制图、机械原理、金属工艺学、机械制造技术基础、液压与气压传动 与材料力学、机械原理课程设计与毕业设计指导 等课程，借助图书馆的相 关文献资料等。 指导老师签名： 日期： 课题来源：（ 1）教师拟订；（ 2）学生建议；（ 3）企业和社会征集；（ 4）科研单位提供 课题类型：（ 1） A 工程设计（艺术设计）； B 技术开发； C 软 件工程； D 理论研究； E 调研报告 （ 2） X 真实课题； Y 模拟课题； Z 虚拟课题 要求（ 1）、（ 2）均要填，如 。 黄河科技学院毕业论文 (文献综述 ) 第 1 页 鱼类形体结构与机器鱼的游动机构设计 摘 要 ： 21 世纪是海洋的世纪 ,加上由于各种技术的全面发展带动了机器人技术的发展，对于在海洋开发和相关领域中运用机器人技术已引起了各方面的重视。并且随着海洋开发的进展，一般的潜水技术已无法适应现代高深度综合考察和研究、完成各种作业的需要。但在现实中都是利用螺旋桨来推动船前进，而是否能利用鱼类的游动原理来做出比具有螺旋桨更快和更低噪声的水下推行器，突破当今专一的运输方式和水下推进方式，已成为一个热门研究课题。 研制机器鱼具有广泛的现实意义，它可以更逼真的模拟鱼的游动原理，使水 下的机器人运动更符合流体力学原理，具有更好的加速和转向能力，利用它们可以探测海洋，寻找和检测海域中受污染的地方，也可以用来勘探地形；可以通过研制机器鱼这个实验平台来研究鱼的运动原理和鱼类运动所依附的流体力学原理；而且它以泳动方式运动，解决了螺旋桨的噪声问题；构造要比一般的水下推进器简单，制作和使用成本都较低；能源利用率高，作业时间长；当给相同的电能时，机器鱼能够比自制的潜艇游的更远；无需生命维持保障设备，可以小型化；且对人没有任何危险 外在娱乐方面具有良好的发展前景 , 例如水族馆等。机器鱼的应用领域有 ：鱼类展览；相关的机器人竞赛（ 配合其它器件，可用于勘探和救生；相关科研领域等。 关键词 ：机器人技术，机器鱼，科研领域 前 言 水下推进器在海洋生物观察、海底探险、海洋救捞、管道检测、以及军事方面的应用日益增加。传统的螺旋桨在水中游动时，在它的侧面会产生涡流，会降低物体的运动速度，增加动力的损耗，且有噪声。与水下推进器相比，鱼有惊人的游动能力。观察发现，鱼的游动具有无噪声、高推进效率、机动性强等优点。 20 世纪 90 年代以来，出现了模仿鱼运动的机器鱼。从 1994 年，美国麻省理 工学院的 005年英国 器鱼不仅有阻力小的外 黄河科技学院毕业论文 (文献综述 ) 第 2 页 形、小半径转弯、自主蔽障等能力，而且解决了很多机械设计问题。因此，以鱼的推进模式运动的机器鱼被认为是未来水下运载器的设计目标，并日益引起各国的重视，以美国、日本和英国为代表，许多国家积极开展对机器鱼的研究，使得机器鱼飞速发展。但是距机器鱼走到实用阶段还存在一些问题。首先，目前还没有一个像鱼柔软而有力的驱动器，在机动性方面，机器鱼不 能 S 形转弯、快速启动、快速制动，在下潜过程中不能快速稳定的悬浮在水中，在推进效率方面因为不知鱼是怎样控制涡流推进，不能预测给定一个命令机器鱼将会做什么样动作。要应用到实用阶段，除了解决以上问题，机器鱼还须有很高的智能。 1 仿生机器鱼与传统水下推进器相比几点优势 推进效率高。试验表明仿鱼水下推进器比常规螺旋桨推进器推进效率可提高 30%以上。 机动性好。仿生鱼可高速启动并拥有更好的加速性 能，在小范围内实现不减速转向运动。 噪声低，隐蔽性高。仿生鱼物理特性与鱼类特性几乎相同，其产生的噪声谱与海洋噪声谱十分相近，形体隐蔽，不易被察觉。 结构简单、体积小、重量轻。可实现舵奖合一，简化机构和系统，简化制造工艺，降低成本，有利于实现水下运载器和水下机器人的小型化、微型化。 可采用多种驱动方式。大型仿生鱼运载器可采用电 磁马达、液压马达或气压马达驱动，以及混合驱动方式；小型或微型仿生鱼，可采用形状记忆合金、人造肌肉、超声波马达以及压电陶瓷等多种驱动元件。 2 设计原理 仿生机器鱼主要是模仿机器鱼的外形和运动规律，尽心环境数据收集。其模仿鱼类外形和运动规律的目的是为了实现鱼类高效的游动效率和良好的机动性。所以在仿生方面尤其注意鱼体和鱼鳍的模仿和控制。鱼主要有背鳍、胸鳍、腹鳍、臀鳍和尾鳍： 胸鳍：它的基本功能为运动、平衡和掌握运动方向。 腹鳍：主要协助背鳍、臀鳍维持鱼体的平衡，并有辅助鱼体升降和拐弯功能。 尾鳍：有平衡、推进和转向的作用，尾的扭曲和伸直使鱼体产生前进运动。 鱼类的运动方式主要为波浪式运动，或称游泳。借助于连续的肌节收缩与舒张，从 黄河科技学院毕业论文 (文献综述 ) 第 3 页 头部开始的收缩在身体两侧交替进行，形成波浪式的传递，使收缩波传向尾部，身体则向收缩的一侧弯曲使成 S 型。收缩在尾部结束，尾部将收缩的力传给水，这个力被水以同等大小、但方向相反的反作用力作用于尾部。这个力向前的 分力是鱼体向前运动的主要推进力。 3 机器鱼推动原理 根据推进模式访生机器鱼的推进方式可分为三类：身体波动式， (鱼 +参 )科及 (鱼 +参 )科加新月形尾鳍模式和胸鳍模式： 身体波动式 是模仿鳝鱼等鳗鲡目鱼类的游动方式，整个身体都参与大振幅波动运动，推进波的速度大于鱼的游动速度，并与鱼的游动方向相反地在身体上传播产生推进力。此类仿生机器鱼多采用多关节机构，每个关节安装一个小型伺服电机配合作用进行扭转摆动推进。也可采用形状记忆合金做鱼身，采用电激励或其他形 式激励，控制合金的温度变化从而产生形变带动身体摆动。其实人们所熟悉的机器蛇在水中若能浮起就变成了机器鱼。此类机器鱼由于身体细长，柔韧性好，所以机动性极好，但一般只能飘浮，无法进行沉浮。 (鱼 +参 )科及 (鱼 +参 )科加新月形尾鳍模式是大部分鱼类（如海豚、鲨鱼、金枪鱼等）采用的推进模式。由于身体刚度较大，波动主要集中在身体后部分，推进力主要由具有一定刚度的尾鳍提供，其推进速度和推进效率比身体波动式高。 (鱼 +参 )科模式的推进部分是鱼体的后 2 3 部分，而 (鱼 +参 )科加新月形尾鳍模式身体刚度更大，推进部分为身体后 1 3 部分，侧向位移主要产生在后颈部和尾鳍，尾鳍产生 90的推进力，身体前 2 3 部分保持刚性。目前， (鱼 +参 )科及 (鱼 +参 )科加新月形屋鳍模式的机器鱼研究较多，可以采用具有一定刚度的材料做前鱼体和尾鳍，鱼尾采用刚性或弹性材料，由电机驱动进行摆动。其结构复杂程度不同，最简单的可以由电机直接驱动一根刚性杆状鱼尾摆动，复杂的可做成类似身体波动式的多关节或弹性鱼尾，由一部或多部电机配合驱动或采用形状记忆合金做鱼尾。 (鱼 +参 )科加新月形尾鳍模式是速度最快、效率最 高的模式，用于快速高效水下推进器设计，美军甚至提出仿鱼推进潜艇的概念。目前研究结果表明，此种仿生机器鱼巡航速度为每秒 1 3 倍体长，最大爆发速度可达每秒 27 倍体长，而且这种模式的仿生机器鱼可以有较大体积和载荷，可实现沉浮，是主要研究方向。 胸鳍模式 主要是模仿黑色鲈鱼、热带鱼等鱼类的推进方式，通过胸鳍的摆动或波 黄河科技学院毕业论文 (文献综述 ) 第 4 页 动提供推进力，大部分鱼类用这种方