多關(guān)節(jié)魚形機器的設(shè)計

摘 要 根據(jù)水下魚形機器人的設(shè)計方案進行仿真，分析運動規(guī)律及校核機構(gòu)。利用 UG 中三維建模、運動仿真及設(shè)計仿真等模塊，對已經(jīng)設(shè)計好的機器魚進行系統(tǒng)仿真，并比較輸出數(shù)值和計算數(shù)值的關(guān)系，從而完善設(shè)計過程。主要對機器魚的四個部分進行分析，分別是驅(qū)動機構(gòu)、沉浮機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、充電機構(gòu)。其中，驅(qū)動機構(gòu)由尾部擺動機構(gòu)實現(xiàn)，魚身后半部和魚尾的兩節(jié)做有相位差的擺動，通過擺動來擊打水從而推動魚身前進。沉浮功能由魚身前半部分的側(cè)鰭通過轉(zhuǎn)動一定角度來實現(xiàn)的。轉(zhuǎn)向功能，由魚身前半部分的鰭通過轉(zhuǎn)動一定的角度來實現(xiàn)的，鰭與魚身豎直方 向的夾角的改變使其受到水的推動力的向左或者向右的分力，從而使魚身可以繞其重心進行旋轉(zhuǎn)。外形設(shè)計是根據(jù)金槍魚的外形進行多次擬合而歸納而成的。最終對整個機器魚進行配重，使重力中心和浮力中心在一條直線上，保證機器魚能在水中平穩(wěn)正常運動，同時控制模塊中植入遠程通信功能。 關(guān)鍵詞： 水下魚形機器人；運動仿真；遠程通信 II ABSTRACT According to the underwater fish-shaped robot to simulate the design, analysis and verification body movement. UG in the use of three-dimensional modeling, motion simulation and design of simulation modules, the fish have been designed machine system simulation, and compare the output value and the numerical calculation, in order to improve the design process. The main fish-machine analysis of four parts, namely the drive mechanism, ups and downs mechanism, steering, charging mechanism. Among them, the drive mechanism from the rear swing institutions, fish and fish tail behind the first half there are two of the swing phase, through the swing to hit the water in order to promote the fish forward. Rise and Fall of the functional from the first half of the fish lateral fins rotate through a certain angle to achieve. Shift function, by the fish through the latter part of the pelvic rotation to achieve a certain point of view, the ventral fin fish vertical with the angle between the direction of change to be the driving force of water to the left or the right of the play, so that fish can rotate around its center of gravity. Design is based on the shape of tuna and summarized a number of fitting together. Eventually the whole fish weight machines, so that center of gravity and buoyancy in a straight line, the fish can assure a smooth and normal movement in the water. Control to transplant long range correspondence in the mold piece function in the meantime. Keywords: Fish-shaped underwater robot； motion simulation； communication III 目 錄 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 緒論 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 水下魚形機器人技術(shù)的基本概念 . 1 1.2.1 魚類游動方式的分類 . 1 1.2.2 仿魚鰭機器魚的特點 . 2 1.3 仿生機器魚研究概況 . 2 1.4 目前研究熱點及未來發(fā)展方向 . 5 1.5 本課題研究內(nèi)容 . 5 第 2 章 UG 中運動仿真和有限元分析模塊功能介紹 . 7 2.1 運動仿真介紹 . 7 2.1.1 運動仿真模塊 . 7 2.1.2 運動仿真模塊能執(zhí)行何種類型分析 . 7 2.1.3 如何創(chuàng)建運動仿真 . 7 2.1.4 運動仿真的機構(gòu)運動方式 . 7 第 3 章 水下魚形機器人機構(gòu)確定 . 9 3.1 沉浮機構(gòu)的確定 . 9 3.2 轉(zhuǎn)向機構(gòu)的確定 . 13 3.3 舵機選擇 . 13 3.4 整體結(jié)構(gòu)位置設(shè)計及外形確定 . 14 3.4.1 整體結(jié)構(gòu)尺寸確定 . 14 3.4.2 外形結(jié)構(gòu)尺寸確定 . 15 第 4 章 基于 UG 的魚形機器人的運動仿真 . 錯誤 !未定義書簽。 4.1 沉浮機構(gòu)運動仿真 . 17 4.1.1 計算 . 17 4.1.2 三維建模 . 17 4.13 最終結(jié)果分析 . 18 4.2 轉(zhuǎn)向機構(gòu)的運動仿真 . 20 4.2.1 計算 . 20 4.2.2 三維模型 . 20 4.2.3 最終結(jié)果分析 . 20 第 5 章 魚形機器人遠程通信 . 23 5.1 通信模塊的選用 . 23 5.2 具體實現(xiàn) . 23 5.2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計 . 23 5.2.2 模塊設(shè)計 . 23 IV 5.2.3 軟件設(shè)計 . 24 第 6 章 基于 UG 的魚形機器人動力學分析 . 25 6.1 機器魚浮力中心和重力中心的估算 . 25 6.2 基于 UG 的機器魚浮力中心和重力中心計算 . 27 6.2.1 浮力計算 . 27 6.2.2 重力計算 . 27 第 7 章 結(jié)論與展望 . 29 7.1 結(jié)論 . 29 7.2 不足之處及未來展望 . 29 參考文獻 . 31 多關(guān)節(jié)魚形機器人的設(shè)計 1 第 1 章 緒論 1.1 引言 隨著人類的發(fā)展，對資源的需求不斷增加。陸上資源的日益緊缺，讓我們把目光投向海洋。 21 世紀是海洋開發(fā)的世紀，水下機器人在海洋環(huán)境研究、海洋資源探測和開發(fā)等民用領(lǐng)域和海洋軍事方面具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在價值，吸引了人們更多的注 意力。利用仿生學原理，開發(fā)類似海豚或金槍魚的操縱與推進技術(shù)是一個很有前途的研究方向之一。 上世紀三十年代起，人類開始對魚類游動進行觀察，提出了大量關(guān)于魚類游動機理的解釋。近年來，隨著人類對魚類游動機理了解的加深，同時伴隨著仿生學、流體力學、機器人學的進步，計算機、傳感器和智能控制技術(shù)的快速發(fā)展，以及新型材料的不斷涌現(xiàn)，對仿生水下機器人技術(shù)的研究達到了一個新的頂峰，涌現(xiàn)了大量基于魚類游動機理的仿生水下機器人。 1.2 水下魚形機器人技術(shù)的基本概念 1.2.1 魚類游動方式的分類 魚類游動方式多種多樣， 1926 年 Breder 根據(jù)魚類推進運動的特征不同，將魚類游動方式劃分為兩大類 : 1)身體 (和 /或 )尾鰭推進 (BCF locomotion)； 2)中間鰭 (和 /或 )對鰭推進 (MPF locomotion). 當然魚類還有其它運動方式，如噴流推進、滑行等。據(jù)估計，大約只有 15%的魚類采用第一種方式以外的其它方式推進。由于 MPF 推進方式速度慢、效率低，因此我們把重點放在研究 BCF 推進方式上。 Breder 將 BCF 推進繼續(xù)細化為五種，如圖 1.1 所示。圖中反映了不同推進方式下魚體推進部分的變化。 圖 1.1 BCF 推 進 圖 1. l 中鲹科結(jié)合月牙形尾鰭推進方式（ Thunniform）是效率最高、速度最快的推進方式，海洋中游速最快的“魚類”（金槍魚、海豚、鯊魚）都采用該種方式。 無錫太湖學院學士學位論文 2 該方式中推進運動限制在身體后三分之一，僅通過尾部 (堅硬的月牙形尾鰭和尾柄 )的運動產(chǎn)生超過 90%的推力 ；同時魚體的形狀和重量分布保證了身體前三分之二橫向移動和轉(zhuǎn)軸極小。在游動過程中，月牙形尾鰭做橫移和左右擺動 (或升沉和上下擺動 )的一種復(fù)合運動，并隨著魚體前進劃出波浪形的軌跡。研究表明，月牙形尾鰭的展弦比、形狀、硬度、擺動都對該推進方式的效率產(chǎn)生影響 。 由于相比之下具有高速、高效的特點，結(jié)合月牙形尾鰭推進方式很適合用于水下機器人。目前，己有多個機器人較成功的采用了這種方式。 1.2.2 仿魚鰭機器魚的特點 與傳統(tǒng)的螺旋槳推進器相比仿魚鰭推進器具有如下特點 : (1)能源利用率高，初步試驗表明，采用仿魚鰭水下推進器比常規(guī)推進器的效率可提高30-100%。從長遠看，仿魚鰭的水下推進器可以大大節(jié)省能量，提高能源的利用率，從而延長水下作業(yè)時間。 (2)使流體性能更加完善，魚類尾鰭擺動產(chǎn)生的尾流具有推進作用，可使其具有更加理想的流體力學性能 。 (3)提高水下運動裝置的機動性能，采用仿魚鰭水下推進器可提高運動裝置的啟動、加速和轉(zhuǎn)向性能。 (4)可減低噪聲和保護環(huán)境，仿魚鰭推進器運行時的噪聲比螺旋槳運行時的噪聲要低的多，不易被對方聲納發(fā)現(xiàn)和識別，有利于突防，具有重要的軍事價值。 (5)實現(xiàn)了推進器與舵的統(tǒng)一，仿魚鰭推進器的應(yīng)用將改變目前螺旋槳推進器與舵機系統(tǒng)分開，功能單一，結(jié)構(gòu)龐大，機構(gòu)復(fù)雜的情況，實現(xiàn)漿一舵功能和二為一，從而可精簡結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，簡化制造工藝，并降低成本和造價，具有重大的現(xiàn)實意義和使用價值。 (6)可 采用多種馭動方式，對于應(yīng)用于船舶、游艇等方面的仿魚鰭推進器可采用機械驅(qū)動，也可采用液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動，以及混合驅(qū)動方式 :對于小型水下運動裝置，可采用形狀記憶合金、人造合成肌肉以及壓電瓷等多種驅(qū)動元件。 1.3 仿生機器魚研究概況 國外學者很早就致力于對魚類推進模式及仿生機器魚的研究（表 1）。 1994 年 MIT 研究組成功研制了世界上第一條真正意義上的仿生金槍魚 (Robotuna)。此后，結(jié)合仿生學、材料學、機械學和自動控制的新發(fā)展，仿生機器魚的研制漸成熱點 ,表 1 給出了國外一些典型的機器魚研究項目可以看出，美國 和日本進行的機器魚研究比較多，取得的成果也比較多。 美國， 1995 年 MIT 推出了 Robotuna 的改進版機器魚“ Pike”皆在研究魚的機動性和靜止狀態(tài)下的加速性。 1998 年， MIT 推出的 Robtuna 最高版本 VCUUIV 是仿黃鰭金槍魚研制的，長 8 英尺，重 300 磅，其目的在于開發(fā)一種利用渦流控制推進的自主水下機器人。 多關(guān)節(jié)魚形機器人的設(shè)計 3 圖 1-2 Robotuna 英國 Essex 大學機器魚課題組于 2005 年 5 月開始研制一系列的機器魚，主要工作集中在實現(xiàn)仿魚游動 ,特別是非穩(wěn)定游動方面。該課題組的機器魚主要集中在兩個系列， G 系列和 MT 系列。其中系列均是采用多電機一多關(guān)節(jié)的尾部結(jié)構(gòu)。而 MT 系列機器魚則是采用單電機 -多關(guān)節(jié)的尾部結(jié)構(gòu)， MT1 長 0.48m，重 3 55kg，平均推進速度為 0.4m/s，自身攜帶的電池可以提供長達 4.5 小時的穩(wěn)定游動。 日本 20 世紀 90 年代初，名古屋大學 Toshio Fukuda 教授開始了微型仿魚水下推進器的研究，他先后研制出采用形狀記憶合金驅(qū)動的微型身體披動式水下推進器和壓電陶瓷驅(qū)動的雙鮑微型機器魚。為了研究最優(yōu)推進方法開發(fā)高推進性能的智能型水下機器魚，從 1999年開始，運物省船舶技術(shù)研究所開始了一 系列的實驗機器魚項目研究。 無錫太湖學院學士學位論文 4 圖 1-3 運物省船舶技術(shù)研究所的 UPF-2001 北京航空航天大學， 2004 年 8 月，北航機器人所和中科院自動化所合作研制出一條實用的仿生機器魚，參加了對鄭成功古戰(zhàn)船遺址的水下考古探側(cè)，這次水下活動被有關(guān)專家認定為是國際上首例水下仿生航行體的試驗研究。 表 1 國外典型的仿生機器魚研究項目 哈爾濱工業(yè)大學在國家自然科掌基金支持下研制出了仿生機器魚樣機，該樣機長多關(guān)節(jié)魚形機器人的設(shè)計 5 0.95m，重約 13kg，航速可達 0.3m/s。 2006 年，他們又研制了一條 仿生機器魚樣機“ HRF- 1”，游動速度可達 0.5m/s，并進行了升潛和轉(zhuǎn)向?qū)嶒灐?哈爾濱工程大學研制了一條仿生機器魚原理樣機“仿生 -I”，該機器魚長 2.4m，最大直徑 0.62m。排水量 320Kg，潛水深度 10m，最高航速 13m/s。 圖 1-4 仿生 -I 仿生水下機器人由于具有高效的推進性能，良好的隱身性能和操縱性能，有著廣闊的應(yīng)用前景。 在民用方面，它可以用于海洋環(huán)境研究、海洋資源探測和開發(fā)、海洋援潛救生等，也可以作為智能玩具或電子寵物進入百姓家庭。 在軍用方面，可用于戰(zhàn)時偵察，收集清報，探雷與滅雷， 潛艇戰(zhàn)與反潛戰(zhàn)，作為誘餌干擾敵方等，同時也可以作為高性能的智能化武器或武器平臺，直接用于襲擊和破壞敵方的港口、水下偵察系統(tǒng)、艦船 (要害部位 )、海上平臺、破壞敵方海上運輸線等。 另外，仿生水下機器人作為一種新興的水下運載器，為機械、電子、材料、能源等硬件的研制以及單機器魚控制算法、多機器魚協(xié)調(diào)控制等軟件的開發(fā)提供了全新的平臺。 1.4 目前研究熱點及未來發(fā)展方向 目前，新型仿魚鰭機器人的研究及未來發(fā)展主要集中在以下幾方面 ； （ 1）尾鰭擺動式推進模式水動力模型的建立 ； （ 2）尾鰭擺動時尾流的產(chǎn)生及其與推進力和 推進效率關(guān)系數(shù)學模型的建立 （ 3） )彈性元件在降低尾鰭擺動能量損失中的應(yīng)用 : （ 4）機器人姿態(tài)、運動軌跡控制 ； （ 5）機器人的微型化 , 1.5 本課題研究內(nèi)容 無錫太湖學院學士學位論文 6 1.魚的外形設(shè)計，本設(shè)計是以金槍魚為模型，要盡量達到其仿真效果 2.魚體內(nèi)部各部分的位置安排，保證機器魚在水里能平穩(wěn)游動 3.控制部分的設(shè)計，達到每秒鐘魚尾擺動 4 次的頻率 4.計算部分，包括浮力中心和重力中心的計算，推進力和阻力的計算，各個翻轉(zhuǎn)力矩的計算。 多關(guān)節(jié)魚形機器人的設(shè)計 7 第 2 章 UG 中運動仿真和有限元分析模塊功能介紹 2.1 運動仿真介紹 2.1.1 運動仿真模塊 運動仿真（ Motion Simulation）是 UG/CAE 模塊中的主要部分，它能對任何二維或三維機構(gòu)進行復(fù)雜的動學分析和設(shè)計仿真 .通過 UG 建立一個三維實體模型，利用 UG/ Motion Simulation 的功能給三維實體摸型的各個部件斌予一定的運動學特性，再在各個部件之間設(shè)立一定的連接關(guān)系即可建立一個運動仿真棋型。 UG/ Motion Simulation 的勸能可以對運動機構(gòu)進行大量的裝配分析工作、運動合理性分析工作， 諸如千沙檢查、軌跡包絡(luò)等，得到大最運動機構(gòu)的運動參數(shù) .通過對這個運動訪真模型進行運動學成動力學運動分析，就可以驗證該運動機構(gòu)設(shè)計的合理性，并且可以利用圖形翰出各個部件的位移、坐標、加速度、速度和力的變化情況，對運動機構(gòu)進行優(yōu)化。 2.1.2 運動仿真模塊能執(zhí)行何種類型分析 運動仿真模塊可以進行機構(gòu)的干涉分析，跟蹤零件的運動軌跡，分析機構(gòu)中的零件速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。運動仿真模塊的分析結(jié)果可以指導(dǎo)修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計（加長或縮短構(gòu)建力臂的長度、修改凸輪線性、調(diào)整齒輪比等）或調(diào)整零件的材料（減輕 或加重以及增加硬度等）。設(shè)計的更改可以反映在裝配的主模型的復(fù)制品 運動仿真中再重新分析，一旦確定有話設(shè)計方案，設(shè)計更改就可以直接反應(yīng)到裝配主模型中。 2.1.3 如何創(chuàng)建運動仿真 可以認為機構(gòu)是一組連接在一起運動的連桿（ Links）的集合， UG 可以用下面 3 步生成一個運動仿真： 第一步 創(chuàng)建連桿 UG 可在運動機構(gòu)中創(chuàng)建代表運動的連桿。 第二步 創(chuàng)建運動副 UG 可創(chuàng)建約束連桿運動的運動副。在某些情況下，同時可以創(chuàng)建其他的運動約束特征，如彈簧、阻尼、彈性襯套和接觸。 第三步 定義運動驅(qū)動 運動驅(qū)動使機構(gòu)產(chǎn) 生運動。每個運動副可以包含下列 5 種可能的運動驅(qū)動的一種： 無運動驅(qū)動：機構(gòu)只受重力作用。 運動函數(shù)：用數(shù)學函數(shù)定義運動方式。 恒定驅(qū)動：給定初速度和加速度。 間歇運動驅(qū)動：振幅、頻率和相位角。 關(guān)節(jié)運動驅(qū)動：步長和步數(shù)。 2.1.4 運動仿真的機構(gòu)運動方式 運動仿真中的機構(gòu)以下面兩種形式運動： 關(guān)節(jié)運動：關(guān)節(jié)運動是基于位移的一種運動方式。機構(gòu)已指定的步長（旋轉(zhuǎn)角度或直線距離）和步數(shù)運動。 運動仿真：運動仿真是基于時間的一種運動形式。機構(gòu)在指定的時間段種運動，同時指定無錫太湖學院學士學位論文 8 該時間段中的運動步數(shù)進行運 動仿真。 多關(guān)節(jié)魚形機器人的設(shè)計 9 第 3 章 水下魚形機器人機構(gòu)確定 3.1 沉浮機構(gòu)的確定 魚類的上浮和下沉 主要要靠其腹內(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， 進而影響排開水的體積，從而實現(xiàn)上浮下沉 。對魚鰾充氣，魚體的體積就增大了，從而獲得大于自身重量的浮力，將其送到水面；對魚鰾放氣，魚體的體積就減小，從水中獲得的浮力就小于自身重量，魚便能夠?qū)崿F(xiàn)下潛；當這些魚類將魚鰾的體積控制在一定范圍內(nèi)時，魚類便保持停留在水中的某個位置。魚類就是這樣輕松地通過 調(diào)整自身魚鰾的體積很好的實現(xiàn)了浮潛控制。 魚類中，也有一部分不存在魚鰾，而它們的浮潛運動則是通過側(cè)鰭或軀干來實現(xiàn)的。如鯊魚，如果停止游動的話，就會沉入水底。所以鯊魚只能不斷游動，靠自身的魚鰭保持平衡。 機器魚的沉浮機構(gòu)分為五種： 1. 排水法：類似于潛艇，通過控制水箱中的水量來控制重力，從而控制沉浮。 圖