魚類的形體結(jié)構(gòu)與機(jī)器魚的游動機(jī)構(gòu)設(shè)計,魚類的形體結(jié)構(gòu)與機(jī)器魚的游動機(jī)構(gòu)設(shè)計,魚類,形體,結(jié)構(gòu),機(jī)器,游動,機(jī)構(gòu),設(shè)計 任務(wù)書 工 學(xué)院 系 專業(yè) 級 班 學(xué) 號 學(xué)生 指導(dǎo)教師 畢業(yè)論文題目 魚類的形體結(jié)構(gòu)與機(jī)器魚的游動機(jī)構(gòu)設(shè)計 畢業(yè)論文工作內(nèi)容與基本要求（目標(biāo)、任務(wù)、途徑、方法，應(yīng)掌握的原始資料（數(shù)據(jù)）、參考資料（文獻(xiàn)）以及設(shè)計技術(shù)要求、注意事項等）（紙張不夠可加頁） 一、設(shè)計工作內(nèi)容與目標(biāo) 本課題來源于重大科技攻關(guān)預(yù)研項目“聲納隱身仿生機(jī)器魚魚雷關(guān)鍵技術(shù)研究”仿生機(jī)器魚可以有較大的聲納隱身效果，可以懸停、浮潛，可以游動、調(diào)整姿態(tài)。本課題僅初步研究魚類的形體結(jié)構(gòu)與機(jī)器魚的機(jī)構(gòu)設(shè)計問題。 通過本畢業(yè)設(shè)計課程，完成下列主要內(nèi)容： 1） 查閱相關(guān)資料，熟悉機(jī)器魚技術(shù)研究現(xiàn)狀； 2） 魚類的形體結(jié)構(gòu)及游動機(jī)理； 3） 機(jī)器魚的游動機(jī)構(gòu)設(shè)計 二、設(shè)計工作任務(wù)與要求 1）查閱文獻(xiàn)資料12種以上，外文資料不少于兩種。寫出3000字以上文獻(xiàn)綜述，單獨裝訂成冊。 2）翻譯與本課題有關(guān)的外文科技資料一篇不少于3000漢字，單獨裝訂成冊。 3）完成開題報告，填寫開題報告表。 4）按照《黃河科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)手冊》的要求，完成畢業(yè)設(shè)計說明書一份，字?jǐn)?shù)不少于8000字。編寫中英文摘要不少于300字。 5）機(jī)器魚游動的設(shè)計圖紙至少3張。 6）包含本次設(shè)計所有內(nèi)容的光盤一張。 三、時間安排 第1周——3周 查閱資料，調(diào)研，寫開題報告，寫文獻(xiàn)論述，翻譯外文資料； 第4周——6周 魚類的形體結(jié)構(gòu)及游動機(jī)理研究； 第7周——9周 機(jī)器魚的游動機(jī)構(gòu)設(shè)計； 第10周——11周 編制設(shè)計說明書，驗收； 第12周 修改整理，準(zhǔn)備答辯。 畢業(yè)設(shè)計（論文）時 間： 2012 年 02 月 13 日至 2012 年 05 月 15 日 計 劃 答 辯 時 間： 2012 年 05 月 19 日 專業(yè)（教研室）審批意見： 審批人簽名： 開題報告表 課題名稱 魚類的形體結(jié)構(gòu)與機(jī)器魚的游動機(jī)構(gòu)設(shè)計 課題來源 課題類型 指導(dǎo)教師 學(xué)生姓名 專 業(yè) 學(xué) 號 一、調(diào)研資料的準(zhǔn)備 根據(jù)任務(wù)書的要求，在做本課題前，查閱了與課題相關(guān)的資料有：機(jī)械設(shè)計、機(jī)械制圖、機(jī)械制造工藝學(xué)、機(jī)械原理、材料力學(xué)、理論力學(xué)、極限配合與公差、機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)等以及與設(shè)計相關(guān)的手冊。 二、設(shè)計的目的與要求 本課題來源于重大科技攻關(guān)預(yù)研項目“聲納隱身仿生機(jī)器魚魚雷關(guān)鍵技術(shù)研究”仿生機(jī)器魚可以有較大的聲納隱身效果，可以懸停、浮潛，可以游動、調(diào)整姿態(tài)。本課題僅初步研究魚類的形體結(jié)構(gòu)與機(jī)器魚的機(jī)構(gòu)設(shè)計問題。 通過本畢業(yè)設(shè)計課程，完成下列主要內(nèi)容： 1） 查閱相關(guān)資料，熟悉機(jī)器魚技術(shù)研究現(xiàn)狀； 2） 魚類的形體結(jié)構(gòu)及游動機(jī)理； 3） 機(jī)器魚的游動機(jī)構(gòu)設(shè)計。 三、設(shè)計的思路與預(yù)期成果 （1）查閱文獻(xiàn)資料12種以上，外文資料不少于兩種。寫出3000字以上文獻(xiàn)綜述，單獨裝訂成冊。 （2）翻譯與本課題有關(guān)的外文科技資料一篇不少于3000漢字，單獨裝訂成冊。 （3）完成開題報告，填寫開題報告表。 （4）按照《黃河科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)手冊》的要求，完成畢業(yè)設(shè)計說明書一份，字?jǐn)?shù)不少于8000字。編寫中英文摘要不少于300字。 （5）機(jī)器魚游動的設(shè)計圖紙至少3張。 （6）包含本次設(shè)計所有內(nèi)容的光盤一張。 四、任務(wù)完成的階段內(nèi)容及時間安排 第1周——3周 查閱資料，調(diào)研，寫開題報告，寫文獻(xiàn)論述，翻譯外文資料； 第4周——6周 魚類的形體結(jié)構(gòu)及游動機(jī)理研究； 第7周——9周 機(jī)器魚的游動機(jī)構(gòu)設(shè)計； 第10周——11周 編制設(shè)計說明書，驗收； 第12周 修改整理，準(zhǔn)備答辯。 五、完成設(shè)計（論文）所具備的條件因素 我已修完機(jī)械設(shè)計、機(jī)械制圖、機(jī)械原理、金屬工藝學(xué)、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、液壓與氣壓傳動與材料力學(xué)、機(jī)械原理課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)等課程，借助圖書館的相關(guān)文獻(xiàn)資料等。 指導(dǎo)老師簽名： 日期： 課題來源：（1）教師擬訂；（2）學(xué)生建議；（3）企業(yè)和社會征集；（4）科研單位提供 課題類型：（1）A—工程設(shè)計（藝術(shù)設(shè)計）；B—技術(shù)開發(fā)；C—軟件工程；D—理論研究；E—調(diào)研報告 （2）X—真實課題；Y—模擬課題；Z—虛擬課題 要求（1）、（2）均要填，如AY、BX等。 文獻(xiàn)綜述 第 5 頁 魚類形體結(jié)構(gòu)與機(jī)器魚的游動機(jī)構(gòu)設(shè)計 摘 要：21世紀(jì)是海洋的世紀(jì),加上由于各種技術(shù)的全面發(fā)展帶動了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，對于在海洋開發(fā)和相關(guān)領(lǐng)域中運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)已引起了各方面的重視。并且隨著海洋開發(fā)的進(jìn)展，一般的潛水技術(shù)已無法適應(yīng)現(xiàn)代高深度綜合考察和研究、完成各種作業(yè)的需要。但在現(xiàn)實中都是利用螺旋槳來推動船前進(jìn)，而是否能利用魚類的游動原理來做出比具有螺旋槳更快和更低噪聲的水下推行器，突破當(dāng)今專一的運(yùn)輸方式和水下推進(jìn)方式，已成為一個熱門研究課題。 研制機(jī)器魚具有廣泛的現(xiàn)實意義，它可以更逼真的模擬魚的游動原理，使水下的機(jī)器人運(yùn)動更符合流體力學(xué)原理，具有更好的加速和轉(zhuǎn)向能力，利用它們可以探測海洋，尋找和檢測海域中受污染的地方，也可以用來勘探地形；可以通過研制機(jī)器魚這個實驗平臺來研究魚的運(yùn)動原理和魚類運(yùn)動所依附的流體力學(xué)原理；而且它以泳動方式運(yùn)動，解決了螺旋槳的噪聲問題；構(gòu)造要比一般的水下推進(jìn)器簡單，制作和使用成本都較低；能源利用率高，作業(yè)時間長；當(dāng)給相同的電能時，機(jī)器魚能夠比自制的潛艇游的更遠(yuǎn)；無需生命維持保障設(shè)備，可以小型化；且對人沒有任何危險.等。另外在娛樂方面具有良好的發(fā)展前景, 例如水族館等。機(jī)器魚的應(yīng)用領(lǐng)域有：魚類展覽；相關(guān)的機(jī)器人競賽（robofishcup）；配合其它器件，可用于勘探和救生；相關(guān)科研領(lǐng)域等。 關(guān)鍵詞：機(jī)器人技術(shù)，機(jī)器魚，科研領(lǐng)域 前 言 水下推進(jìn)器在海洋生物觀察、海底探險、海洋救撈、管道檢測、以及軍事方面的應(yīng)用日益增加。傳統(tǒng)的螺旋槳在水中游動時，在它的側(cè)面會產(chǎn)生渦流，會降低物體的運(yùn)動速度，增加動力的損耗，且有噪聲。與水下推進(jìn)器相比，魚有驚人的游動能力。觀察發(fā)現(xiàn)，魚的游動具有無噪聲、高推進(jìn)效率、機(jī)動性強(qiáng)等優(yōu)點。 20世紀(jì)90年代以來，出現(xiàn)了模仿魚運(yùn)動的機(jī)器魚。從1994年，美國麻省理工學(xué)院的Triantafyllou成功研制了世界上第一條真正意義的仿生金槍魚到2005年英國Essex大學(xué)胡豁勝教授研制了世界第一條具有自主控制能力的機(jī)器魚，機(jī)器魚不僅有阻力小的外形、小半徑轉(zhuǎn)彎、自主蔽障等能力，而且解決了很多機(jī)械設(shè)計問題。因此，以魚的推進(jìn)模式運(yùn)動的機(jī)器魚被認(rèn)為是未來水下運(yùn)載器的設(shè)計目標(biāo)，并日益引起各國的重視，以美國、日本和英國為代表，許多國家積極開展對機(jī)器魚的研究，使得機(jī)器魚飛速發(fā)展。但是距機(jī)器魚走到實用階段還存在一些問題。首先，目前還沒有一個像魚柔軟而有力的驅(qū)動器，在機(jī)動性方面，機(jī)器魚不能S形轉(zhuǎn)彎、快速啟動、快速制動，在下潛過程中不能快速穩(wěn)定的懸浮在水中，在推進(jìn)效率方面因為不知魚是怎樣控制渦流推進(jìn)，不能預(yù)測給定一個命令機(jī)器魚將會做什么樣動作。要應(yīng)用到實用階段，除了解決以上問題，機(jī)器魚還須有很高的智能。 1 仿生機(jī)器魚與傳統(tǒng)水下推進(jìn)器相比幾點優(yōu)勢 ⑴推進(jìn)效率高。試驗表明仿魚水下推進(jìn)器比常規(guī)螺旋槳推進(jìn)器推進(jìn)效率可提高30%以上。 ⑵機(jī)動性好。仿生魚可高速啟動并擁有更好的加速性能，在小范圍內(nèi)實現(xiàn)不減速轉(zhuǎn)向運(yùn)動。 ⑶噪聲低，隱蔽性高。仿生魚物理特性與魚類特性幾乎相同，其產(chǎn)生的噪聲譜與海洋噪聲譜十分相近，形體隱蔽，不易被察覺。 ⑷結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕?？蓪崿F(xiàn)舵獎合一，簡化機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)，簡化制造工藝，降低成本，有利于實現(xiàn)水下運(yùn)載器和水下機(jī)器人的小型化、微型化。 ⑸可采用多種驅(qū)動方式。大型仿生魚運(yùn)載器可采用電磁馬達(dá)、液壓馬達(dá)或氣壓馬達(dá)驅(qū)動，以及混合驅(qū)動方式；小型或微型仿生魚，可采用形狀記憶合金、人造肌肉、超聲波馬達(dá)以及壓電陶瓷等多種驅(qū)動元件。 2 設(shè)計原理 仿生機(jī)器魚主要是模仿機(jī)器魚的外形和運(yùn)動規(guī)律，盡心環(huán)境數(shù)據(jù)收集。其模仿魚類外形和運(yùn)動規(guī)律的目的是為了實現(xiàn)魚類高效的游動效率和良好的機(jī)動性。所以在仿生方面尤其注意魚體和魚鰭的模仿和控制。魚主要有背鰭、胸鰭、腹鰭、臀鰭和尾鰭： ①胸鰭：它的基本功能為運(yùn)動、平衡和掌握運(yùn)動方向。 ②腹鰭：主要協(xié)助背鰭、臀鰭維持魚體的平衡，并有輔助魚體升降和拐彎功能。 ③尾鰭：有平衡、推進(jìn)和轉(zhuǎn)向的作用，尾的扭曲和伸直使魚體產(chǎn)生前進(jìn)運(yùn)動。 魚類的運(yùn)動方式主要為波浪式運(yùn)動，或稱游泳。借助于連續(xù)的肌節(jié)收縮與舒張，從頭部開始的收縮在身體兩側(cè)交替進(jìn)行，形成波浪式的傳遞，使收縮波傳向尾部，身體則向收縮的一側(cè)彎曲使成S型。收縮在尾部結(jié)束，尾部將收縮的力傳給水，這個力被水以同等大小、但方向相反的反作用力作用于尾部。這個力向前的分力是魚體向前運(yùn)動的主要推進(jìn)力。 3 機(jī)器魚推動原理 根據(jù)推進(jìn)模式訪生機(jī)器魚的推進(jìn)方式可分為三類：身體波動式，(魚+參)科及(魚+參)科加新月形尾鰭模式和胸鰭模式： ⑴身體波動式?是模仿鱔魚等鰻鱺目魚類的游動方式，整個身體都參與大振幅波動運(yùn)動，推進(jìn)波的速度大于魚的游動速度，并與魚的游動方向相反地在身體上傳播產(chǎn)生推進(jìn)力。此類仿生機(jī)器魚多采用多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，每個關(guān)節(jié)安裝一個小型伺服電機(jī)配合作用進(jìn)行扭轉(zhuǎn)擺動推進(jìn)。也可采用形狀記憶合金做魚身，采用電激勵或其他形式激勵，控制合金的溫度變化從而產(chǎn)生形變帶動身體擺動。其實人們所熟悉的機(jī)器蛇在水中若能浮起就變成了機(jī)器魚。此類機(jī)器魚由于身體細(xì)長，柔韌性好，所以機(jī)動性極好，但一般只能飄浮，無法進(jìn)行沉浮。 ⑵(魚+參)科及(魚+參)科加新月形尾鰭模式是大部分魚類（如海豚、鯊魚、金槍魚等）采用的推進(jìn)模式。由于身體剛度較大，波動主要集中在身體后部分，推進(jìn)力主要由具有一定剛度的尾鰭提供，其推進(jìn)速度和推進(jìn)效率比身體波動式高。(魚+參)科模式的推進(jìn)部分是魚體的后2／3部分，而(魚+參)科加新月形尾鰭模式身體剛度更大，推進(jìn)部分為身體后1／3部分，側(cè)向位移主要產(chǎn)生在后頸部和尾鰭，尾鰭產(chǎn)生90％的推進(jìn)力，身體前2／3部分保持剛性。目前，(魚+參)科及(魚+參)科加新月形屋鰭模式的機(jī)器魚研究較多，可以采用具有一定剛度的材料做前魚體和尾鰭，魚尾采用剛性或彈性材料，由電機(jī)驅(qū)動進(jìn)行擺動。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同，最簡單的可以由電機(jī)直接驅(qū)動一根剛性桿狀魚尾擺動，復(fù)雜的可做成類似身體波動式的多關(guān)節(jié)或彈性魚尾，由一部或多部電機(jī)配合驅(qū)動或采用形狀記憶合金做魚尾。(魚+參)科加新月形尾鰭模式是速度最快、效率最高的模式，用于快速高效水下推進(jìn)器設(shè)計，美軍甚至提出仿魚推進(jìn)潛艇的概念。目前研究結(jié)果表明，此種仿生機(jī)器魚巡航速度為每秒1～3倍體長，最大爆發(fā)速度可達(dá)每秒27倍體長，而且這種模式的仿生機(jī)器魚可以有較大體積和載荷，可實現(xiàn)沉浮，是主要研究方向。 ⑶胸鰭模式?主要是模仿黑色鱸魚、熱帶魚等魚類的推進(jìn)方式，通過胸鰭的擺動或波動提供推進(jìn)力，大部分魚類用這種方式提高機(jī)動性能或作為輔助推進(jìn)運(yùn)動。胸鰭模式推進(jìn)力和推進(jìn)效率最低，所做研究也較少，主要是采用壓電陶瓷或離子交換膜，通過改變輸入電壓頻率改變其微位移控制剛性鰭擺動產(chǎn)生推進(jìn)力。改變其微位移控制剛性鰭擺動產(chǎn)生推進(jìn)力。 4 常見故障 ⑴機(jī)器不能傳動 ①沒電流：檢查激光電源電源是否接通、高壓線是否松動或脫落，信號線是否松動； ②有電流：檢查鏡片是否破碎、光路是否嚴(yán)重偏移； ⑵檢查水循環(huán)系統(tǒng)是否正常： ①不通水：檢查水泵是否損壞或沒通電；? ②通水：檢查進(jìn)水口、出水口是否接反或水管破裂； ⑶電腦不能輸出 ①檢查軟件參數(shù)設(shè)置是否正常（重新設(shè)置）； ②雕刻機(jī)是否先按定位起動再輸出（重新輸出）； ③檢查機(jī)器是否事先沒復(fù)位（重新更正）； ④檢查輸出串口是否與軟件設(shè)置串口一致（重新設(shè)置）； ⑤檢查地線是否可靠，靜電是否干擾數(shù)據(jù)線（重新接地）； ⑥更換電腦串口輸出測試； ⑦重新安裝軟件并重新設(shè)置測試； ⑧格式化電腦系統(tǒng)盤重新安裝軟件測試； ⑨主板串口損壞需維修或更換。  參考文獻(xiàn) [1] 鞏云鵬，田萬祿等主編. 機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計.沈陽：東北大學(xué)出版社，2000. [2] 孫志禮，冷興聚，魏嚴(yán)剛等主編.機(jī)械設(shè)計.沈陽：東北大學(xué)出版社，2000. [3] 劉鴻文主編.材料力學(xué).北京：高等教育出版社，1991. [4] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研組編.理論力學(xué).北京：高等教育出版社，1997. [5] 大連理工大學(xué)工程畫教研室編.機(jī)械制圖.北京：高等教育出版社，1993. [6] 孫桓，陳作模主編.機(jī)械原理.北京：高等教育出版社，2000. [7] 高澤遠(yuǎn)，王金主編.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計.沈陽：東北工學(xué)院出版社，1987. [8] 喻子建，張磊，邵偉平，喻子建主編.機(jī)械設(shè)計習(xí)題與解題分析.沈陽：東北大學(xué)出版 社，2000. [9] 張玉，劉平主編.幾何量公差與測量技術(shù).沈陽：東北大學(xué)出版社，1999. 文獻(xiàn)綜述 院（系）名稱 專業(yè)名稱 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2012年 03 月 10 日 目 錄 1．任務(wù)書………………………………………………………1 2．開題報告……………………………………………………3 3．指導(dǎo)教師評閱表……………………………………………5 4．主審教師評審表……………………………………………6 5．畢業(yè)論文答辯評審與總成績評定表………………………7 6．畢業(yè)論文……………………………………………………8 7．文獻(xiàn)綜述……………………………………………………34 8．文獻(xiàn)翻譯……………………………………………………40 9．光盤 10．設(shè)計圖紙或?qū)嶒灁?shù)據(jù)記錄 單位代碼 學(xué) 號 分 類 號 密 級 魚類的形體結(jié)構(gòu)與機(jī)器魚的游動機(jī)構(gòu)設(shè)計 院（系）名稱 專業(yè)名稱 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2012年 5 月 10 日 第IV頁 魚類的形體結(jié)構(gòu)與機(jī)器魚的游動機(jī)構(gòu)設(shè)計 摘要 機(jī)器人技術(shù)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域是在娛樂方面。在對魚類游動方式深入研究的基礎(chǔ)上，將仿魚水下推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于玩具設(shè)計，給出了一種仿生機(jī)器魚玩具的機(jī)構(gòu)設(shè)計方案及系統(tǒng)的設(shè)計、仿真軟件，并研制出可在水中運(yùn)動的仿生機(jī)器魚原型。仿生機(jī)器魚是當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點。大自然的選擇使地球上的魚類具有非凡的水中生活能力，由于游動具有效率高、機(jī)動性能好以及對環(huán)境擾動小等優(yōu)點，仿生機(jī)器魚技術(shù)的研究已成為當(dāng)前水下機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點之一。它為研制高效、高機(jī)動性和低噪聲的水下運(yùn)載器提供了新的設(shè)計思路。1944年美國麻省理工學(xué)院（MIT）成功研制了一個電機(jī)驅(qū)動的 8 關(guān)節(jié)新月形對稱尾鰭的機(jī)器金槍魚RoboTuna，開啟了機(jī)器魚研制的先河，其后多個研究單位都開始了機(jī)器魚的研究與研制，如：日本運(yùn)輸省船舶研究所（SPI）研制了PF系列和UPF系列機(jī)器魚，國內(nèi)北京航空航天大學(xué)研制了5 關(guān)節(jié)機(jī)器海豚等。 關(guān)鍵詞：仿魚推進(jìn)；仿生機(jī)器魚； The shape and strcture of fish swimming machine mechanism Design Author: Wan Zhongyang Tutor: Kong Lingyun Abstract An important application field of robotics is entertainment. On the basis of in-depth study of fish swimming, imitation fish underwater propulsion technology used in toy design, given a ROBOFISH toys institutional design and system design, simulation software, and developed can be movement in the water bionic robotic fish prototypes. The ROBOFISH the field of robotics. The natural choice of fish on Earth has a remarkable ability to live in the water, swimming has advantages of high efficiency, good maneuverability and little disturbance to the environment, the study of biomimetic robotic fish has become the field of underwater robots one of the hotspots. It provides a new design ideas for the development of efficient, high maneuverability and low noise underwater launch vehicle. Massachusetts Institute of Technology (MIT) in 1944 successfully developed a motor-driven machine of eight joint crescent symmetrical tail fin tuna RoboTuna open robotic fish developed by precedent, subsequent research units began the study of robotic fish development, such as: Japanese Ministry of Transport ship Research Institute (SPI) developed a PF series and UPF series of robotic fish domestic Beijing University of Aeronautics and Astronautics has developed a joint machine dolphins. Key words: Imitation Fish Propulsion; Robofish 目錄 第一章 產(chǎn)品綜述 1 1.1研究意義 1 1.2設(shè)計思想 1 1.3尾部擺動機(jī)構(gòu)三維圖 2 1.4 懸浮機(jī)構(gòu)三 4 第二章機(jī)構(gòu)原理 6 2.1設(shè)計構(gòu)思 6 2.2擺動機(jī)構(gòu)設(shè)計 7 2.3魚類游動的運(yùn)動學(xué)模型及特征參數(shù) 9 2.4 機(jī)器魚驅(qū)動源選擇 10 2.5 尾部彈性設(shè)計 11 2.6 轉(zhuǎn)彎設(shè)計 11 2.7 沉浮機(jī)構(gòu)設(shè)計 12 2.8 骨架及密封設(shè)計 12 2.9 自由度選擇與分段設(shè)計方案 14 2.9.1軀干設(shè)計 14 2.9.2 頭部設(shè)計 14 第三章 機(jī)器魚控制系統(tǒng)設(shè)計 16 3.1 遙控器及霍爾元件模塊 16 3.2 機(jī)器魚電源模塊設(shè)計 16 3.3 電機(jī)及電磁閥驅(qū)動模塊 17 第四章 零件加工 19 4.1 各個零件的加工方法 19 4.2 部分零件加工NC代碼 19 4.3 加工中的問題及解決方案 25 第五章 總結(jié)與體會 27 參考文獻(xiàn) 29 致 謝 31 第29頁 第一章 緒 論 1.1研究意義 21世紀(jì)是海洋的世紀(jì),加上由于各種技術(shù)的全面發(fā)展帶動了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，對于在海洋開發(fā)和相關(guān)領(lǐng)域中運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)已引起了各方面的重視。并且隨著海洋開發(fā)的進(jìn)展，一般的潛水技術(shù)已無法適應(yīng)現(xiàn)代高深度綜合考察和研究、完成各種作業(yè)的需要。但在現(xiàn)實中都是利用螺旋槳來推動船前進(jìn)，而是否能利用魚類的游動原理來做出比具有螺旋槳更快和更低噪聲的水下推行器，突破當(dāng)今專一的運(yùn)輸方式和水下推進(jìn)方式，已成為一個熱門研究課題。當(dāng)今，已有一些研究機(jī)構(gòu)模擬魚類游動原理和其生理構(gòu)造研究制造魚形機(jī)器人，它也叫人工機(jī)器魚（robofish）。 本文擬利用單片機(jī)AT89S8252來制作完成模擬魚基本動作的魚形機(jī)器人。 研制機(jī)器魚具有廣泛的現(xiàn)實意義，它可以更逼真的模擬魚的游動原理，使水下的機(jī)器人運(yùn)動更符合流體力學(xué)原理，具有更好的加速和轉(zhuǎn)向能力，利用它們可以探測海洋，尋找和檢測海域中受污染的地方，也可以用來勘探地形；可以通過研制機(jī)器魚這個實驗平臺來研究魚的運(yùn)動原理和魚類運(yùn)動所依附的流體力學(xué)原理；而且它以泳動方式運(yùn)動，解決了螺旋槳的噪聲問題；構(gòu)造要比一般的水下推進(jìn)器簡單，制作和使用成本都較低；能源利用率高，作業(yè)時間長；當(dāng)給相同的電能時，機(jī)器魚能夠比自制的潛艇游的更遠(yuǎn)；無需生命維持保障設(shè)備，可以小型化；且對人沒有任何危險.等。另外在娛樂方面具有良好的發(fā)展前景, 例如水族館等。機(jī)器魚的應(yīng)用領(lǐng)域有：魚類展覽；相關(guān)的機(jī)器人競賽（robofishcup）；配合其它器件，可用于勘探和救生；相關(guān)科研領(lǐng)域等。 1.2 機(jī)器魚研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀 第二章 機(jī)器魚游動機(jī)理及驅(qū)動模式 2.1魚類游動的運(yùn)動學(xué)模型及特征參數(shù) 魚類在動態(tài)游動過程中，按照波動推進(jìn)理論，通過身體的波動，身體波動的形式?jīng)Q定了魚的游動性能和游動效率。決定魚類游動的波動方式的最主要參數(shù)是魚類身體中心線的波動方程。研究人員對各種采用身體波和尾鰭推進(jìn)方式的魚類進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)這些魚類的身體波曲線可以用一個波動方程來表示： Ybody（x.t）=[c1x+x2c2][sin(kx+wx)] 這里，Ybody為魚身體橫向擺動的幅度；x為沿著魚體的縱向位置坐標(biāo)；k=2為魚擺動的波長倍數(shù)，即魚在擺動過程中身體上保留整個波長的個數(shù)；為身體波的波長；c1為振幅的線性增益；c2為振幅的二次增益；為身體波的頻率機(jī)器魚的游動機(jī)理依據(jù)“波動理論”，模仿金槍魚的外形，依靠身體的后半部分和尾部擺動而游動所謂“波動理論”主要以魚的脊椎曲線為研究對象，認(rèn)為魚體之所以能夠前進(jìn),是由于脊椎曲線帶動它所包絡(luò)的流體向后噴出,產(chǎn)生推力。我們認(rèn)為魚體在水中作波動運(yùn)動,其游動形態(tài)類似一列正弦波。機(jī)器魚依靠動力機(jī)構(gòu)使尾巴左右等幅擺動，從而在水中形成一列正弦波，推動魚體游動，進(jìn)而完成魚兒的各種動作。尾部波動的形成，需要兩個必要的因素。首先要有一個振源，也就是說，需要尾部產(chǎn)生一個周期性的往復(fù)運(yùn)動。我們選擇了四連桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成為擺桿的往復(fù)運(yùn)動。為了能夠等幅擺動，不產(chǎn)生急回特性，我們選擇了III型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，根據(jù)其擺動的幅度，確定了各桿件的長度，考慮到魚體內(nèi)的空間有限，確定擺動角為40°，曲柄長度為13.5mm，連桿為15mm，擺桿為100mm。為了將四連桿機(jī)構(gòu)固定在魚體內(nèi)，我們特意設(shè)計了支撐架。將曲柄設(shè)計成圓盤，用于支撐連桿與擺桿；再將曲柄軸固定在支撐架上；同時，電機(jī)也固定在支撐架上，電機(jī)軸與曲柄軸通過聯(lián)軸器相連；最后，將支撐板固定在魚體上，完成整個固定工作。魚類身體的擺動大體按照式(1)所表示的波動方程進(jìn)行擺動，由于機(jī)器魚是由多個僵硬的連桿鉸接組成，為實現(xiàn)波動運(yùn)動，每個關(guān)節(jié)點 必須在理論曲線上。當(dāng)前關(guān)節(jié)與前一關(guān)節(jié)的延長線在連接處產(chǎn)生一個夾角，骨架的運(yùn)動就是在驅(qū)動電機(jī)帶動下，通過改變夾角的值來產(chǎn)生的。 2.2 機(jī)器魚的驅(qū)動模式 雖然魚類的種群繁多，但大多數(shù)魚類的推進(jìn)部位顯示出相似的形態(tài)學(xué)特征。魚類屬于脊椎動物種群，其身體的構(gòu)造是由多根脊椎骨相互連接而成，采用尾鰭推進(jìn)的魚類在游動時通過其脊椎曲線的波動產(chǎn)生推進(jìn)力，因此魚類的身體可以看作為由一系列的鉸鏈連接而成的擺動。 機(jī)器魚機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計激勵電場，介質(zhì)將產(chǎn)生機(jī)械變形，稱逆壓電效應(yīng)。通過對壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)進(jìn)行利用，對其施加電壓，即可以用來對機(jī)器魚進(jìn)行驅(qū)動。壓電陶瓷的變形精度高，響應(yīng)非?？?，但是也有它的缺點，首先當(dāng)形變增大時，輸出的力矩較小，并且對外界的力的變化敏感。其次，壓電陶瓷的型變量很小，一般不超過千分之一，需要增加位移放大機(jī)構(gòu)，最后，壓電陶瓷要求的驅(qū)動電壓較高，達(dá)到100V以上，并且壓電陶瓷材料也不容易獲取，價格較高。 人工肌肉。人工肌肉由導(dǎo)電高分子材料集束在一起制成的像肌肉一樣的復(fù)合體，通過電流激活高分子材料中的離子或電子，使之完成伸縮、折曲的動作，控制電流強(qiáng)弱可調(diào)整離子或電子的多少，從而改變其伸縮性。它的特點是能耗低、無噪聲、質(zhì)量輕，形變量大。不過對其的研究還處于初期階段，距離實用化還有一定距離。人工肌肉工作原理綜合成本因素與技術(shù)成熟因素方面考慮，我們最終選擇了使用電機(jī)作為驅(qū)動源。 電機(jī)按工作電源種類劃分：可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。在機(jī)器魚系統(tǒng)中，交流電源難以獲取，只能選擇直流電機(jī)。直流電機(jī)又可分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)，無刷電機(jī)是一種比較新型的電機(jī)，因為沒有電刷結(jié)構(gòu)，壽命很長，并且其驅(qū)動力矩也很大。不過，無刷電機(jī)工作時需要專用的驅(qū)動電路，且驅(qū)動電路體積較大。同時，無刷電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速一般為3000轉(zhuǎn)每分，為了實現(xiàn)低速大力矩驅(qū)動，需要安裝大比例減速器，這樣就大大增加了電機(jī)的體積與重量，所以無刷電機(jī)主要在設(shè)計大型機(jī)器魚的時候使用，不適合用于我們的小型機(jī)器魚之中。普通直流電機(jī)和無刷電機(jī)類似，僅僅省去了驅(qū)動電路部分，體積仍然很大，考慮到機(jī)器魚的體積限制以及所需力矩并不太大，有一種電機(jī)正好符合要求，那就是舵機(jī)。舵機(jī)主要是由外殼、電路板、無核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測器所構(gòu)成。其工作原理是由接收機(jī)發(fā)出訊號給舵機(jī)，經(jīng)由電路板上的IC判斷轉(zhuǎn)動方向，再驅(qū)動無核心馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由位置檢測器送回訊號，機(jī)器魚機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計判斷是否已經(jīng)到達(dá)定位。位置檢測器其實就是可變電阻，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動時電阻值也會隨之改變，藉由檢測電阻值便可知轉(zhuǎn)動的角度。舵機(jī)是一種角度伺服電機(jī)，體積較小，輸出轉(zhuǎn)矩較大，控制方便（使用PWN波直接控制），價格便宜，能夠滿足機(jī)器魚的設(shè)計要求。 2.3機(jī)器魚驅(qū)動源選擇 機(jī)器魚機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，首先要選擇合適的驅(qū)動源。這樣才能為相應(yīng)的驅(qū)動源設(shè)計其傳動及支撐機(jī)構(gòu)。目前驅(qū)動源主要包括兩大類，一類是傳統(tǒng)驅(qū)動，另一類是功能材料驅(qū)動。 傳統(tǒng)驅(qū)動主要包括電機(jī)驅(qū)動，液壓驅(qū)動與氣壓驅(qū)動。傳統(tǒng)驅(qū)動一般來說體積都較大，難以用來設(shè)計微型機(jī)器魚，但是材料容易獲取，在一般機(jī)器魚的設(shè)計中使用較多。 1.電機(jī)驅(qū)動。利用電機(jī)產(chǎn)生力矩，直接或經(jīng)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)器魚關(guān)節(jié)。它的特點技術(shù)成熟、精度較高，成本低。為提高精度，可以使用伺服電機(jī)。目前研制出的機(jī)器魚，使用電機(jī)驅(qū)動的方式最多。不過，電機(jī)驅(qū)動也有它固有的缺點，那就是體積大，重量大，驅(qū)動關(guān)節(jié)時需要傳動機(jī)構(gòu)，體積上難以縮減，比較難以用來設(shè)計微型機(jī)器魚。 2.液壓驅(qū)動。液壓驅(qū)動器的輸出力矩與重量比最大、反應(yīng)靈敏、承載能力大，比較適合于低速大力矩場合。不過液壓驅(qū)動需要一個恒壓泵，并且移動件容易漏油，可能會污染水環(huán)境。不適合用在機(jī)器魚之中。 3.氣壓驅(qū)動。利用氣缸可以實現(xiàn)高速直線運(yùn)動，利用空氣的可壓縮性容易實現(xiàn)力控制和緩沖控制。但由于空氣的可壓縮性，高精度的位置控制和速度控制都比較困難，驅(qū)動剛性比較差。并且在汽缸排氣的時候產(chǎn)生的噪音比較大，在水下的情況下，還會產(chǎn)生大量的氣泡，不適合利用在機(jī)器魚的設(shè)計之中。功能材料驅(qū)動主要包括形狀記憶合金、壓電陶瓷以及人造肌肉。功能材料一般體積都較小，驅(qū)動力與重量比較大，可以用來設(shè)計微型的 機(jī)器魚，魚體長度可縮減至幾厘米。但是對于功能材料的研究還處于比較初級的階段，材料難以獲取，所以只有少數(shù)有條件的實驗室進(jìn)行試驗性研究。 1.形狀記憶合金。這種合金在發(fā)生了可塑性變形后，經(jīng)過合適的加熱過程，能夠回復(fù)到變形前的形狀，這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶合金驅(qū)動力與重量比較大，變形量較大，驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單，在大多數(shù)情況下可以省去傳動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動電壓較低，并且對環(huán)境無污染。但是它也有固有的缺點，例如在重復(fù)運(yùn)動過程中記憶效應(yīng)會退化，并且由于目前對該材料的研究還比較初步，材料難以獲取，價格昂貴，所以一般機(jī)器魚設(shè)計中不太適用。 2.壓電陶瓷。壓電陶瓷是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，屬于無機(jī)非金屬材料。這是一種具有壓電效應(yīng)的材料，所謂壓電效應(yīng)是指某些介質(zhì)在力的作用下，產(chǎn)生形變，引起介質(zhì)表面帶電，這是正壓電效應(yīng)。 2.4擺動機(jī)構(gòu)設(shè)計 魚類游動的仿生主要是在研究魚類的波動推進(jìn)理論的基礎(chǔ)上，對魚類游動方式進(jìn)行仿生，主要仿生魚類的擺動部位的波動方式。因此，我們在對魚類身體擺動部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化的基礎(chǔ)上，從魚的靜態(tài)身體特征和動態(tài)游動特征來提取特征參數(shù)，建立其數(shù)學(xué)模型。魚類與游動特征相關(guān)的主要身體特征參數(shù)有： 1) 擺動部分長度占身體總長度的比例（r）。根據(jù)r由大到小可以把魚類分為鰻鱺科（如鰻鱺、黃鱔、泥鰍等）、鲹科（如鮭魚、草魚、鰱魚等）、鮪形科（如大白鯊、金槍魚等）等。隨著r的減小，其游動效率增高，產(chǎn)生的游動速度增加，機(jī)動性能降低。 2) 擺動部分簡化關(guān)節(jié)數(shù)（n）。擺動關(guān)節(jié)數(shù)n越大，其身體的游動靈活性越高。 3) 擺動關(guān)節(jié)各個關(guān)節(jié)之間的長度比例（L1：L2：．．．．．．：Ln）。關(guān)節(jié)長度相對短的位。 其關(guān)節(jié)密集度較高，此處柔性比較大。 4) 尾鰭的形狀（圓形尾鰭、梯形尾鰭、新月形尾鰭以及不對稱尾鰭）。如海豚為新月形尾鰭，鯊魚多為不對稱尾鰭，草魚為梯形尾鰭等。 2.5尾部彈性設(shè)計 尾部波動的形成，還要求尾部是一個彈性體，這樣擺動機(jī)構(gòu)的擺動才能夠形成一束波向后傳播，推動包絡(luò)在周圍的水以獲得向前的動力。因此，我們選擇用彈性適中的彈簧來作為尾部的主要構(gòu)架。彈簧的剛性需控制在一定范圍內(nèi)，太硬會導(dǎo)致?lián)p耗太多的電機(jī)功率，而太軟又無法保持魚的形體。由于關(guān)節(jié)數(shù)目有限，機(jī)器魚整個身體的運(yùn)動比較生硬，不能產(chǎn)生平滑的過渡，這在水中游動時將產(chǎn)生多余的水動力學(xué)阻力，降低機(jī)器魚的游動效率。為此我們在進(jìn)行機(jī)器魚模型設(shè)計時需要在機(jī)器魚的骨架外側(cè)安裝彈性的魚皮，以增加魚身體的柔性，使關(guān)節(jié)間的擺動角度在彈性魚皮上實現(xiàn)連續(xù)的過渡。通過彈性魚皮對關(guān)節(jié)擺動角度的連續(xù)過度，行到了較為平滑的機(jī)器魚實際身體中心線 2.6轉(zhuǎn)彎設(shè)計 尼莫的轉(zhuǎn)彎原理參考了真魚的動作，主要依靠尾部的偏轉(zhuǎn)以及游動的慣性。幫助擺動機(jī)構(gòu)停留在轉(zhuǎn)彎位置的是霍爾傳感器。當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行到轉(zhuǎn)彎位置時，霍爾傳感器將產(chǎn)生一個低電平跳變信號輸出給單片機(jī)，然后由單片機(jī)控制電機(jī)停轉(zhuǎn)使擺桿停留在指定位置。這樣，當(dāng)魚由于慣性前進(jìn)時，擺桿所停留的一邊所受力大，從而使魚朝某一方向轉(zhuǎn)向。 圖2-1轉(zhuǎn)彎示意圖 2.7沉浮機(jī)構(gòu)設(shè)計 眾所周知，魚通過魚鰾的伸縮實現(xiàn)靈活的沉浮。魚類的上浮和下沉主要靠其腹內(nèi)魚鰾的收縮來實現(xiàn)。魚鰾收縮使得魚體體積發(fā)生變化，進(jìn)而影響排開水的體積，從而實現(xiàn)上浮下沉。我們采用氣缸排開水的體積來模擬魚鰾的收縮。我們的“魚膘”采用雙電機(jī)驅(qū)動氣缸，在其往復(fù)做功的工程中，再配以電磁閥2,3的開合，將儲水容器抽成低壓，儲氣容器抽成高壓，然后打開電磁閥1,使魚吸水，實現(xiàn)魚的下沉；我們將電磁閥1,2,3同時打開，利用高壓將水排出，完成魚的上浮動作。 圖2-2 沉浮機(jī)構(gòu)原理圖 2.8 骨架及密封設(shè)計 機(jī)器魚尼莫的外形是模仿金槍魚而設(shè)計的，跟真魚一樣，也是骨架結(jié)構(gòu)，并采用主脊柱與肋環(huán)結(jié)構(gòu)，使魚成為一個整體空腔，便于安裝其他機(jī)構(gòu)。 機(jī)器魚的防水是一個難點。普通的航海設(shè)備可以采用金屬外殼防水，而機(jī)器魚的防水層需要有伸縮性，以保證尾部能夠靈活擺動。經(jīng)過了多次防水實驗，我們采用了在防水布外面涂防水膠的雙層防水方案，很好的解決了防水和伸縮性的問題。 參數(shù)優(yōu)化 為了最大限度地體現(xiàn)理想波動曲線的水動力學(xué)優(yōu)越性，使實際中心線與理論中線之間的誤差盡可能的小，需要對機(jī)器魚的多個關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)尺寸進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。 優(yōu)化目標(biāo)：minfXX=[I1,I2,…..In] Ｓ為理論曲線與實際曲線所形成的包絡(luò)區(qū)域的面積，m為一個周期內(nèi)的數(shù)據(jù)采樣次數(shù)成的包絡(luò)區(qū)域的面積，m為一個周期內(nèi)的數(shù)據(jù)采樣次數(shù)。根據(jù)本問題的約束情況，存在等式約束與不等式約束，我們選擇混合罰函數(shù)來進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。懲罰函數(shù)法通過構(gòu)造懲罰函數(shù)把有約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為無約束優(yōu)化問題，采用坐標(biāo)輪換等方法實現(xiàn)對無約束優(yōu)化問題的求解，實現(xiàn)對有約束問題的參數(shù)優(yōu)化。通過對關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化，得到按照波動方程Ybody（x，t）進(jìn)行游動的仿生機(jī)器參數(shù)的輸入與輸出。 設(shè)計的輸入?yún)?shù)有： 1) 與機(jī)器魚結(jié)構(gòu)相關(guān)的靜態(tài)參數(shù)有：機(jī)器魚關(guān)節(jié)數(shù)ｎ，擺動部長度占身體總長度的比例r，擺動各關(guān)節(jié)之間的長度比例L1：L2：．．．．．．：Ln。 2) 與游動類型相關(guān)的動態(tài)參數(shù)有：身體波的波動方程（１）中的各個參數(shù)C1、C2、K1、K2。 3) 機(jī)電系統(tǒng)的限制參數(shù)：各關(guān)節(jié)最小長度L1-min，各關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度范圍。 4) 其他參數(shù)：一個周期內(nèi)的數(shù)據(jù)采樣次數(shù)m。 2.9自由度選擇與分段設(shè)計方案 2.9.1軀干設(shè)計 現(xiàn)有的機(jī)器魚自由度設(shè)計方案中，最簡單的為單自由度，復(fù)雜的可以達(dá)到六個自由度以上。一般來說，自由度越大，魚體運(yùn)動的平滑性就越好，對真魚的模擬效果也更好。但自由度越大，體積就會相應(yīng)越大。同時，自由度增加，各個關(guān)節(jié)之間的協(xié)調(diào)控制也更加困難，也就導(dǎo)致控制難度的增加，在控制水平達(dá)不到的情況下，其真正的運(yùn)動效果并不理想。單關(guān)節(jié)機(jī)器魚的結(jié)構(gòu)雖然簡單，但運(yùn)動姿態(tài)過于生硬，因此不予采用。兩關(guān)節(jié)機(jī)器魚，可以較好的模擬魚類的運(yùn)動姿態(tài)，控制上也比較簡單，因為關(guān)節(jié)較少。 機(jī)器魚機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計體積可以壓縮到一個可承受的范圍內(nèi)，因此，最終選擇兩個關(guān)節(jié)作為我們機(jī)器魚的設(shè)計方案。在機(jī)器魚的設(shè)計中，密封防水一直是一個比較嚴(yán)重的問題。為了解決防水問題，并且使機(jī)器魚系統(tǒng)設(shè)計更具有模塊化的特點，我們采用了三段式的設(shè)計方法。整個魚體可以分為頭部，中部和尾部。頭部中主要放置傳感器，控制器以及無線通信模塊。中部主要放置舵機(jī)與電池，并包括傳動與固定機(jī)構(gòu)。尾部采用彈性材料鑄造而成，為實心結(jié)構(gòu)。頭部和中部分別密封，尾部沒有需要防水的部件，無需密封。頭部的控制器與中部的電機(jī)與電池直接采用五根導(dǎo)線連接，可以完成充電，供電，控制等全部功能。這樣只需要頭部與中部的導(dǎo)線接頭處做好防水，而這種防水相對于整體防水而言是較為簡單的。 2.9.2頭部設(shè)計 魚的頭部中主要放置檢測障礙物用的傳感器，控制電路與無線通信模塊。因此要求內(nèi)部有比較大的空間，整個魚的頭部應(yīng)該設(shè)計成空殼形式的。為了外形美觀，我們將無線通信模塊放置在魚頭內(nèi)部，為了減少對信號的屏蔽，魚頭在不漏水的前提下應(yīng)該盡量的薄。魚頭內(nèi)的元器件對水都非常敏感，嚴(yán)重情況下可能會導(dǎo)致電路短路，造成不可挽回的損害。因此，魚頭部的防水非常重要。因為魚頭內(nèi)部需要放置無線通信模塊，所以頭部不能整體使用金屬加工而成，那樣會阻礙信號的傳播。 為了美觀考慮，魚頭整體應(yīng)該是流線型，符合大多數(shù)魚類的外形結(jié)構(gòu)。雖然在設(shè)計上，曲面造型并不是特別困難，但是數(shù)控加工的成本較高。為了節(jié)約成本，我們可以手工切削魚頭外形輪廓，并使用石膏制作內(nèi)外模具，最后使用快速成型樹脂澆注，制作出我們需要的外形。魚頭上的傳感器應(yīng)該安裝在魚頭的外部，這樣才能準(zhǔn)確檢測到障礙物。為了將傳感器信號引入，應(yīng)該在魚頭上打孔。 并且，為了可持續(xù)使用已經(jīng)控制方便，魚頭上還要加工開關(guān)孔與充電孔。這些孔都要求完全密封防水。為了方便拆裝電路，魚頭的后部應(yīng)該有較大的開口，這樣可以方便的安裝電路板與無線模塊。為了方便拆裝，電路板與各種導(dǎo)線的連接采用插接件。雖然開口大便于拆裝，但防水也較困難些。對于大面積開口，可以采用壓墊片的方式防水。由于頭部采用樹脂澆注而成，材料強(qiáng)度較低，如果直接采用壓墊片的方式，會損壞魚頭，所以我們的設(shè)計是將魚頭通過密封膠粘接到一個鋁合金墊片上，再壓墊片進(jìn)行防水 第三章 機(jī)器魚控制系統(tǒng)設(shè)計 由于機(jī)器魚控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，為了方便設(shè)計，本項目設(shè)計中采用了模塊設(shè)計的思想，共分為三大模塊： a)遙控器及霍爾傳感器模塊； b)電源模塊； c)電機(jī)及電磁閥驅(qū)動模塊。 3.1 遙控器及霍爾元件模塊 檢測尾部極限位置的霍爾傳感器，當(dāng)尾部擺到極限位置時，霍爾元件將反饋給單片機(jī)一個信號，若此時遙控器的轉(zhuǎn)向鍵按下，則魚就開始左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。 遙控器及霍爾元件模塊圖如圖3-1所示： 圖3-1 遙控器及霍爾傳感器模塊圖 3.2 機(jī)器魚電源模塊設(shè)計 電源部分，采用四節(jié)3.6V的鋰電池串聯(lián)在一起形成14.4V的電源電壓，再通過穩(wěn)壓三極管L7812將電壓降到12V作為TL494的驅(qū)動電壓，然后用一個DC-DC模塊將12V電壓降至5V作為各芯片的工作電壓。對于14.4V的鋰電池，有專門的充電器，可用家庭用220V交流電充電。另外尾部電機(jī)的驅(qū)動電壓為24V，所以需要一個24V的電源，本次設(shè)計中用20節(jié)1.2V的鎳氫電池串聯(lián)起來使用，也配有相應(yīng)的充電器。另外，驅(qū)動沉浮機(jī)構(gòu)的電源電壓也為24V，我們采用7節(jié)3.6V鋰電池串聯(lián)起來在穩(wěn)壓，然后提供給電磁閥及氣缸作為動力。 電源模塊的原理圖如圖3-2所示： 圖3-2 電源模塊的原理圖 3.3 電機(jī)及電磁閥驅(qū)動模塊 本電路中，我們采用了數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊TLC7226與單片機(jī)連接來產(chǎn)生控制占空比的模擬信號。然后利用常用的PWM芯片TL494通過自身外接振蕩電阻和振蕩電容產(chǎn)生一個鋸齒波，與輸入的模擬電壓信號進(jìn)行比較運(yùn)算，輸出一個方波，該方波再通過一塊電機(jī)驅(qū)動模塊L293D來驅(qū)動電機(jī)及電磁閥。 電機(jī)及電磁閥驅(qū)動模塊見圖3-3、3-4： 圖3-3 PWM驅(qū)動模塊 圖3-4 電磁閥驅(qū)動模塊 第四章 機(jī)器魚游動機(jī)構(gòu)設(shè)計及零件加工 我們此次設(shè)計的是機(jī)器魚的尾部擺動機(jī)構(gòu)。我們?nèi)粘Ｉ钏姷聂~大都主要靠尾鰭的擺動來實現(xiàn)自由游動的，所以我們設(shè)計的魚也因襲了魚的這一生理特點，通過控制魚尾部的擺動來實現(xiàn)魚的前進(jìn)、轉(zhuǎn)向等。魚尾部的左右擺動幅度要均衡，我們以前設(shè)計的魚尾部機(jī)構(gòu)采用擺動連桿機(jī)構(gòu)，因為其存在急回特性，所以魚在游動過程中因為擺速不平衡，常自己自動轉(zhuǎn)彎。為了避開這一特性，我們最初選擇了采用凸輪機(jī)構(gòu)，它可以有效地達(dá)到我們所需目的，只需設(shè)計凸輪上凹槽的形狀即可，但要加工這個凸輪需要三維的機(jī)器來實現(xiàn)，而我們現(xiàn)有的設(shè)備不能滿足要求。所以我們最終又回歸到我們的連桿機(jī)構(gòu)上來。其實只要我們將連桿機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計適當(dāng)，就同樣可以達(dá)到避開急回特性的目的。而且這種機(jī)構(gòu)所需加工設(shè)備都是我們平時常用的設(shè)備，易于操作，且加工方便。 4.1尾部擺動機(jī)構(gòu)設(shè)計 4.1.1尾部擺動機(jī)構(gòu)三維圖 ?? 總體結(jié)構(gòu) 電機(jī) 電機(jī)是預(yù)先選擇好的, 24V，36r/min。 連軸器 連接電機(jī)軸和圓盤軸而設(shè)計的 圓盤 連桿及搖桿 階梯軸 套筒 4.1.2 懸浮機(jī)構(gòu)三 零 件 總 圖 接 圓 盤 方 底 座 接 支 架 梯 軸 園 盤 4.2 機(jī)器魚游動機(jī)構(gòu)的零件加工 機(jī)器魚尾部擺動機(jī)構(gòu)，從重量上分析應(yīng)該盡量輕，保證魚身的輕盈；從剛度上分析，要帶動魚尾部擺動起來，則必須有一定的剛度，所以我們基本上都選用鋁材。支架采用整體機(jī)構(gòu)，用銑床操作。 4.2.1 各個零件的加工方法 1）支架 加工方法：銑、鉆孔，可在數(shù)控銑床上完成 2）軸和圓盤 加工方法：車、鉆孔，可在數(shù)控車床上完成 3）桿 加工方法：線切割 4.2.2 部分零件加工NC代碼 1）階梯軸加工數(shù)控車床NC代碼 N10 G92X20Z10 N20 M03 N30 S200 N40 G00X9Z2 N50 G01W-10F30 N60 G00U2 N70 G00W10 N80 G00U-4 N90 G01W-10F30 N100 G00U2 N110 G00W10 N120 G00U-2.5 N130 G01W-10 N140 G00U2 N150 G00W10 N160 G00U-2.5 N170 G01W-5 N180 G00U2 N190 G00X20Z10 N200 M05 N210 M02 2）圓盤零件數(shù)控車床加工NC代碼 N10 G92X50Z10 N20 M03 N30 S200 N40 G00X36Z2 N50 G01W-15F30 N60 G00U2 N70 G00W15 N80 G00U-3 N90 G01W-15F30 N100 G00U2 N110 G00W15 N120 G00U-4 N130 G01W-7 N140 G00U2 N150 G00W7 N160 G00U-4 N170 G01W-7 N180 G00U2 N190 G00W7 N200 G00U-4 N210 G01W-7 N220 G00U2 N230 G00W7 N240 G00U-4 N250 G01W-7 N260 G00U2 N270 G00W7 N280 G00U-3 N290 G01W-7 N300 G00U2 N310 G00X50Z10 N110 M05 N120 M02 3）擺桿零件加工數(shù)控銑床NC代碼 %1001 #10=100 #11=100 #12=12 N01 G92X0Y0Z0 N02 G00X10Y10Z10 N03 G00X10Y0Z-2 M03 #0=0 WHILE #0 LT 8 N[06+#0*4] G01X[-#10-10]Y[-#0*#12-0]Z-2 N[07+#0*4] G00X[-#10-10]Y[-#0*#12-#12/2]Z-2 N[08+#0*4] G01X0Y[-#0*#12-#12/2]Z-2 N[09+#0*4] G00X0Y[-#0*#12-#12]Z-2 #0=#0+1 ENDW N[06+#0*4] WHILE #0 LT 9 N[06+#0*4] G01X[-#10-10]Y[-#0*#12-0]Z-2 N[07+#0*4] G00X[-#10-10]Y[-#0*#12-#12/2]Z-2 N[08+#0*4] G01X0Y[-#0*#12-#12/2]Z-2 N[09+#0*4] G00X0Y[-#0*#12-#12]Z-2 #0=#0+1 ENDW 4）支架零件數(shù)控銑床縱向銑削NC代碼 %2001 #12=10 ;JIN JI LIANG #13=1.5 G92X0Y0Z0 GOOX[#12/2+3]Y[#12/2+3]Z2 M03 F100 #0=0 WHILE #0 LT 13 GOOX[#12/2+3]Y[#12/2-2] G00Z[-#13-#0*#13] G01X[-65.65-#12/2-2] G01Y[-13-2-#12/2] G01X[-51.15-2-#12/2] G01Y[-2-13-16-#12/2] G01X[-2-12-15.65+#12/2] G01Y[-2-13-#12/2] G01X[-2-12-#12/2] G01Y[-2-14-#12/2] G01X[-2+#12/2] G01Y[-2+#12/2] G00Z2 #0=#0+1 ENDW ;XUN HUAN 2;XI TU TAI #0=0 WHILE #0 LT 8 GOOX[-2-12-#12/2]Y[#12/2+3] G00Z[-#13-#0*#13] G01Y[-2-14] G01X[-2-12-15.65] G01Y[-] G01X[-] G01Y[-] G01X[] G01Y[-] G01X[] G01Y[] G00Z2 #0=#0+1 ENDW ;G00Z2 G00X0Y0 G00Z0 M05 5）支架零件數(shù)控銑床橫向銑削NC代碼 %2006 #10=100 #11=35 #12=20 #13=1 G92X0Y0Z0 GOOX15Y15Z10 GOOX15Y0Z[-#13] M03 F100 #0=0 WHILE #0 LT 2 G01X[-#10]Y[-#0*#12-0] G01X[-#10]Y[-#0*#12-#12/2] G01X0Y[-#0*#12-#12/2] G01X0Y[-#0*#12-#12] #0=#0+1 ENDW GOOZ2 G00X0Y0 G01X0Y0Z[-#13] M05 4.3 加工中的問題及解決方案 1）車削加工 車削是我們機(jī)構(gòu)加工的主要方法之一，因此數(shù)控車床也成為我們主要的加工設(shè)備之一。車削主要加工的對象是回轉(zhuǎn)體零件，如軸類零件。編寫數(shù)控車床的加工程序稱為我們遇到的一個主要困難。我們花了較大的精力去閱讀數(shù)控車床使用說明書，熟悉其編程規(guī)則，在老師的指導(dǎo)下最終成功編寫了個零件的加工程序。 在具體的加工過程中，我們也遇到了不少困難。一開始，在使用割刀對鋁棒進(jìn)行切斷操作時，鋁棒總是再三爪卡盤緣口處自己斷裂，造成已成型零件的報廢，幾位可惜。經(jīng)過多次檢查，終于查清，原因在于割刀的刀刃低于車床的主軸線，以致工件受力不均。也就是說，在安裝割刀時，我們未能精確對準(zhǔn)，這給了我們極大的教訓(xùn)。在數(shù)控車床上，理論上是可以用鉆頭打中心孔的。當(dāng)我們用M4的鉆頭打孔后，卻發(fā)現(xiàn)中心孔的直徑徑大于5，導(dǎo)致整個工件的報廢很重要的原因是工件太小，在車床上回轉(zhuǎn)時嚴(yán)重偏心，尤其在鉆孔時，鋁棒抖動特別嚴(yán)重，使得打孔精度難以保證。最后我們將打孔操作全部改為在臺鉆上手工操作，終于取得了較好的效果。我們還有一些銅材零件需要加工，由于銅材質(zhì)較軟，易發(fā)生粘刀現(xiàn)象，加工起來較為困難。起初加工的銅材零件表面極為粗糙，將進(jìn)給速度調(diào)至很低后，才滿足了粗糙度要求。 2）銑削加工 在加工支架類零件時，必須采用銑削操作。而我們設(shè)計的支架形狀有較為復(fù)雜，故加工程序較顯得較為冗長。因重復(fù)操作較多，故程序中使用了較多的循環(huán)語句，這就需要考慮到循環(huán)的跳出條件，而且這點極為重要，一不小心就會前功盡棄。為了盡量減少出錯率，我們一開始采用單步操作，一步一步執(zhí)行，直到一個循環(huán)走完不出什么故障的話我們才讓其自動執(zhí)行。但是在機(jī)器操作過程中，機(jī)器會突然出現(xiàn)掉電現(xiàn)象，或是一些莫名的原因?qū)е聶C(jī)器誤操作，這就使我們必須時刻待在機(jī)床旁邊，并隨時準(zhǔn)備對刀和修改程序。我們的支架加工花費了較長的時間，原因一是加工的原材料太大，需要銑削得太多，另外程序的設(shè)計沒有考慮完善，先加工什么后加工什么沒有計劃得很合理。所以在接下來的銑削操作中，我們充分吸取了前面的經(jīng)驗教訓(xùn)，加工速度得到了明顯的提高，加工出來的產(chǎn)品也非常成功。 3）鉆孔加工 我們所加工的零件基本上都需要鉆孔，所以鉆孔對我們而言非常重要。對支架等稍微大型的零件鉆孔較為容易，但是對短桿這類小零件鉆孔卻是很難保證精度的。第一零件太小，難以裝夾；第二對這類零件鉆孔時零件抖動嚴(yán)重，鉆的孔一般偏大，且難以保證其位置精度。解決辦法是鉆Ф4的孔時用Ф3的絞刀來絞，再擴(kuò)孔至Ф4。而且要保證所鉆孔的位置精度，首先要劃線，且要保證劃線的準(zhǔn)確度。在其次是攻絲，攻絲時需進(jìn)兩圈退一圈使其排屑順利，我們在加工的過程中，有一次因為強(qiáng)行攻絲使得絲錐頭斷到攻堅里面。以后我們總結(jié)了經(jīng)驗，攻絲時盡量保持低速。 第五章 結(jié)論 本次機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計和先進(jìn)制造的綜合實踐是對我們設(shè)計和動手能力的一次很好的鍛煉。這是一次完全自主選題、自行設(shè)計、自己動手加工的綜合的實踐命題。 我們常把思維的過程稱為“思路”，是因為可用路徑問題來說明人類思維過程。本文提出兩個機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計思維原則： 一是最短路徑原則。設(shè)計者得到產(chǎn)品的功能要求后，往往首先檢索出最佳設(shè)計實例，這樣可以最迅速接近目標(biāo)，然后運(yùn)用價值工程方法，找出價值較低的極少數(shù)組件作為研究對象，再分析所得對象存在的矛盾，嘗試作最小變動以解決矛盾，如矛盾沒有解決則擬作更大變動或擴(kuò)大研究對象范圍，最后得出最優(yōu)結(jié)果。通過這樣途徑所消耗的能量最少，體現(xiàn)了最短路徑原則。 二是相似性聯(lián)想。湯川秀樹的定同理論認(rèn)為，聯(lián)想能力就是找出事物彼此相似性的創(chuàng)造力，相似性是指事物間的內(nèi)在聯(lián)系。要用計算機(jī)系統(tǒng)來輔助設(shè)計師從自然界中發(fā)現(xiàn)形態(tài)各異的事物的相似性是很困難的，因此本文只研究從機(jī)械產(chǎn)品實例中挖掘相似性，以促進(jìn)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計。 機(jī)械設(shè)計過程是從功能要求到作用原理，再到物理結(jié)構(gòu)的映射過程。在CBR系統(tǒng)中，功能要求、作用原理與物理結(jié)構(gòu)可作為實例索引，因此可統(tǒng)稱它們?yōu)樗饕椖?。同一索引的不同類索引項目之間的聯(lián)想可稱為縱向聯(lián)想，而不同索引的同類索引的聯(lián)想可稱為橫向聯(lián)想。判斷聯(lián)想是否合理的依據(jù)是相似性，相似性由已有產(chǎn)品實例確定。比如，“超聲波研磨機(jī)產(chǎn)品實例”使“超聲波振動”作用原理與“研磨”功能要求縱向地產(chǎn)生了內(nèi)在聯(lián)系；又如，多種產(chǎn)品實例可滿足同一功能要求，那么它們用于實現(xiàn)該功能的作用原理及物理結(jié)構(gòu)具有相似性。 功能要求是聯(lián)想的起點，經(jīng)驗豐富的設(shè)計師通常記憶有大量的設(shè)計實例，因而掌握縱向及橫向相似性，所以能迅速地進(jìn)行橫向及縱向的聯(lián)想，能觸類旁通，得出具有相似作用原理及物理結(jié)構(gòu)的實例（簡稱相似實例）并進(jìn)行組合優(yōu)化，最后得到最優(yōu)解。這兩項原則已被多種設(shè)計方法不自覺地采用了，基于實例推理不但能迅速接近最優(yōu)解，體現(xiàn)最短路徑原則；物場分析法（簡稱TRIZ）分析了上百萬設(shè)計實例，確定功能要求與作用原理及物理載體的內(nèi)在聯(lián)系，以及不同作用原理或物理載體的可替代關(guān)系，使設(shè)計師可根據(jù)功能要求找到適當(dāng)?shù)淖饔迷砑拔锢磔d體，體現(xiàn)相似性聯(lián)想原則。 。 致謝 在此論文撰寫過程中，要特別感謝我的導(dǎo)師孔令云的指導(dǎo)與督促，同時感謝他的諒解與包容。沒有孔老師的幫助也就沒有今天的這篇論文。感謝他對我進(jìn)行了耐心的指導(dǎo)和幫助，提出嚴(yán)格要求，引導(dǎo)我不斷開闊思路，為我答疑解惑，鼓勵我大膽創(chuàng)新，使我在這一段寶貴的時光中，既增長了知識、開闊了視野、鍛煉了心態(tài)，又培養(yǎng)了良好的實驗習(xí)慣和科研精神。在此，我向我的指導(dǎo)老師表示最誠摯的謝意！求學(xué)歷程是艱苦的，但又是快樂的。感謝我的班主任馬小玲老師，謝謝她在這四年中為我們?nèi)嗨龅囊磺?。然后還要感謝大學(xué)四年來所有的老師，為我們打下機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)知識的基礎(chǔ)。同時也要感謝機(jī)械系08級機(jī)電三班班全體同學(xué)，正是由于你們的幫助和支持，我才能一個一個克服困難、解明疑惑，直至本文順利完成，在這里請接受我誠摯的謝意！ 參考文獻(xiàn) [1] Michael Sfaliotakis, David M.lane, J.Bruce, C.Davies. Review of FishSwinming Modes for Aquatic Locomotion [J]. IEE Journal of oceanic engineering .Vol24 NO.2.Appril1999 [2] Triantafyllou,Michaels.and Georges .Trianatafyllou. An Efficient Swimming machine [J]. Scientific American .March 1995,pp.64-70 [3] Hirata Koichi.2000 Deveiopmengt of experimentalfish robot [A].Sixth International symposiumon Marine Engineering [C].p.711-714 [4] M.S Triantafyllou .C.S Triantafyllou .D K pyUE hydrodynamics of Fishlike Swimming [J]. Annu Rev. Fluid Mech .2000.32; 33-53 [5] Dadid Barren .Mark Grosenbaugh .MichaelTriantafyllou .The Optimal Control of a Flexible Hull Robotic Undersea Vehicle Propelled by an OscillatingFoil [J].0-7803-0/9655.00.1996 IEEE [6] Durham NH. The Vorticity Control Unmanned Under-sea Vehicle (VCUUV): An Autonomous Robot Tuna [DB/OL]. [7] Kennech A McIsaac, James P Ostrowski. A Geometric Approach to Anguilliform Locomotion: Modelling of an Underwater Eel Robot [J]. Proceedings of the 1999 IEEE Conference of Robotics and Automation PsP. 2843-2848 [8] Koichi Hirata, Syusuke Kawai. Prototype Fish Robot UPF-2001[DB/OL].2001. [9] 梁建宏，王田苗，魏洪興．水下仿生機(jī)器魚的研究進(jìn)展Ｉ——魚類推進(jìn)機(jī)理［Ｊ］，機(jī)器人．P107-P111.2003-3 [10] 梁建宏，王田苗，魏洪興．水下仿生機(jī)器魚的研究進(jìn)展ＩＩ——小型實驗機(jī)器魚的研制［Ｊ］，機(jī)器人．P107-P111.2003-5,P234-P238. [11] 童秉綱．魚類波狀游動的推進(jìn)機(jī)理［Ｊ］．力學(xué)縱橫．第3期．P69. [12] 劉軍考．仿魚水下推進(jìn)器理論與試驗研究［Ｄ］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2001.