多关节鱼形机器的设计.docx

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多关节鱼形机器的设计

摘要

根据水下鱼形机器人的设计方案进行仿真，分析运动规律及校核机构。

利用UG中三维建模、运动仿真及设计仿真等模块，对已经设计好的机器鱼进行系统仿真，并比较输出数值和计算数值的关系，从而完善设计过程。

主要对机器鱼的四个部分进行分析，分别是驱动机构、沉浮机构、转向机构、充电机构。

其中，驱动机构由尾部摆动机构实现，鱼身后半部和鱼尾的两节做有相位差的摆动，通过摆动来击打水从而推动鱼身前进。

沉浮功能由鱼身前半部分的侧鳍通过转动一定角度来实现的。

转向功能，由鱼身前半部分的鳍通过转动一定的角度来实现的，鳍与鱼身竖直方向的夹角的改变使其受到水的推动力的向左或者向右的分力，从而使鱼身可以绕其重心进行旋转。

外形设计是根据金枪鱼的外形进行多次拟合而归纳而成的。

最终对整个机器鱼进行配重，使重力中心和浮力中心在一条直线上，保证机器鱼能在水中平稳正常运动，同时控制模块中植入远程通信功能。

关键词：

水下鱼形机器人；运动仿真；远程通信

ABSTRACT

Accordingtotheunderwaterfish-shapedrobottosimulatethedesign,analysisandverificationbodymovement.UGintheuseofthree-dimensionalmodeling,motionsimulationanddesignofsimulationmodules,thefishhavebeendesignedmachinesystemsimulation,andcomparetheoutputvalueandthenumericalcalculation,inordertoimprovethedesignprocess.Themainfish-machineanalysisoffourparts,namelythedrivemechanism,upsanddownsmechanism,steering,chargingmechanism.Amongthem,thedrivemechanismfromtherearswinginstitutions,fishandfishtailbehindthefirsthalftherearetwooftheswingphase,throughtheswingtohitthewaterinordertopromotethefishforward.RiseandFallofthefunctionalfromthefirsthalfofthefishlateralfinsrotatethroughacertainangletoachieve.Shiftfunction,bythefishthroughthelatterpartofthepelvicrotationtoachieveacertainpointofview,theventralfinfishverticalwiththeanglebetweenthedirectionofchangetobethedrivingforceofwatertotheleftortherightoftheplay,sothatfishcanrotatearounditscenterofgravity.Designisbasedontheshapeoftunaandsummarizedanumberoffittingtogether.Eventuallythewholefishweightmachines,sothatcenterofgravityandbuoyancyinastraightline,thefishcanassureasmoothandnormalmovementinthewater.Controltotransplantlongrangecorrespondenceinthemoldpiecefunctioninthemeantime.

Keywords:

Fish-shapedunderwaterrobot;motionsimulation;communication

第1章绪论

1.1引言

随着人类的发展，对资源的需求不断增加。

陆上资源的日益紧缺，让我们把目光投向海洋。

21世纪是海洋开发的世纪，水下机器人在海洋环境研究、海洋资源探测和开发等民用领域和海洋军事方面具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值，吸引了人们更多的注意力。

利用仿生学原理，开发类似海豚或金枪鱼的操纵与推进技术是一个很有前途的研究方向之一。

上世纪三十年代起，人类开始对鱼类游动进行观察，提出了大量关于鱼类游动机理的解释。

近年来，随着人类对鱼类游动机理了解的加深，同时伴随着仿生学、流体力学、机器人学的进步，计算机、传感器和智能控制技术的快速发展，以及新型材料的不断涌现，对仿生水下机器人技术的研究达到了一个新的顶峰，涌现了大量基于鱼类游动机理的仿生水下机器人。

1.2水下鱼形机器人技术的基本概念

1.2.1鱼类游动方式的分类

鱼类游动方式多种多样，1926年Breder根据鱼类推进运动的特征不同，将鱼类游动方式划分为两大类:

1）身体（和/或）尾鳍推进（BCFlocomotion）;

2）中间鳍（和/或）对鳍推进（MPFlocomotion）.

当然鱼类还有其它运动方式，如喷流推进、滑行等。

据估计，大约只有15%的鱼类采用第一种方式以外的其它方式推进。

由于MPF推进方式速度慢、效率低，因此我们把重点放在研究BCF推进方式上。

Breder将BCF推进继续细化为五种，如图1.1所示。

图中反映了不同推进方式下鱼体推进部分的变化。

图1.1BCF推进

图1.l中鲹科结合月牙形尾鳍推进方式（Thunniform）是效率最高、速度最快的推进方式，海洋中游速最快的“鱼类”（金枪鱼、海豚、鲨鱼）都采用该种方式。

该方式中推进运动限制在身体后三分之一，仅通过尾部（坚硬的月牙形尾鳍和尾柄）的运动产生超过90%的推力;同时鱼体的形状和重量分布保证了身体前三分之二横向移动和转轴极小。

在游动过程中，月牙形尾鳍做横移和左右摆动（或升沉和上下摆动）的一种复合运动，并随着鱼体前进划出波浪形的轨迹。

研究表明，月牙形尾鳍的展弦比、形状、硬度、摆动都对该推进方式的效率产生影响。

由于相比之下具有高速、高效的特点，结合月牙形尾鳍推进方式很适合用于水下机器人。

目前，己有多个机器人较成功的采用了这种方式。

1.2.2仿鱼鳍机器鱼的特点

与传统的螺旋桨推进器相比仿鱼鳍推进器具有如下特点:

（1）能源利用率高，初步试验表明，采用仿鱼鳍水下推进器比常规推进器的效率可提高30-100%。

从长远看，仿鱼鳍的水下推进器可以大大节省能量，提高能源的利用率，从而延长水下作业时间。

（2）使流体性能更加完善，鱼类尾鳍摆动产生的尾流具有推进作用，可使其具有更加理想的流体力学性能。

（3）提高水下运动装置的机动性能，采用仿鱼鳍水下推进器可提高运动装置的启动、加速和转向性能。

（4）可减低噪声和保护环境，仿鱼鳍推进器运行时的噪声比螺旋桨运行时的噪声要低的多，不易被对方声纳发现和识别，有利于突防，具有重要的军事价值。

（5）实现了推进器与舵的统一，仿鱼鳍推进器的应用将改变目前螺旋桨推进器与舵机系统分开，功能单一，结构庞大，机构复杂的情况，实现浆一舵功能和二为一，从而可精简结构和系统，简化制造工艺，并降低成本和造价，具有重大的现实意义和使用价值。

（6）可采用多种驭动方式，对于应用于船舶、游艇等方面的仿鱼鳍推进器可采用机械驱动，也可采用液压驱动和气压驱动，以及混合驱动方式:

对于小型水下运动装置，可采用形状记忆合金、人造合成肌肉以及压电瓷等多种驱动元件。

1.3仿生机器鱼研究概况

国外学者很早就致力于对鱼类推进模式及仿生机器鱼的研究（表1）。

1994年MIT研究组成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生金枪鱼（Robotuna）。

此后，结合仿生学、材料学、机械学和自动控制的新发展，仿生机器鱼的研制渐成热点,表1给出了国外一些典型的机器鱼研究项目可以看出，美国和日本进行的机器鱼研究比较多，取得的成果也比较多。

美国，1995年MIT推出了Robotuna的改进版机器鱼“Pike”皆在研究鱼的机动性和静止状态下的加速性。

1998年，MIT推出的Robtuna最高版本VCUUIV是仿黄鳍金枪鱼研制的，长8英尺，重300磅，其目的在于开发一种利用涡流控制推进的自主水下机器人。

图1-2Robotuna

英国Essex大学机器鱼课题组于2005年5月开始研制一系列的机器鱼，主要工作集中在实现仿鱼游动,特别是非稳定游动方面。

该课题组的机器鱼主要集中在两个系列，G系列和MT系列。

其中系列均是采用多电机一多关节的尾部结构。

而MT系列机器鱼则是采用单电机-多关节的尾部结构，MT1长0.48m，重3～55kg，平均推进速度为0.4m/s，自身携带的电池可以提供长达4.5小时的稳定游动。

日本20世纪90年代初，名古屋大学ToshioFukuda教授开始了微型仿鱼水下推进器的研究，他先后研制出采用形状记忆合金驱动的微型身体披动式水下推进器和压电陶瓷驱动的双鲍微型机器鱼。

为了研究最优推进方法开发高推进性能的智能型水下机器鱼，从1999年开始，运物省船舶技术研究所开始了一系列的实验机器鱼项目研究。

图1-3运物省船舶技术研究所的UPF-2001

北京航空航天大学，2004年8月，北航机器人所和中科院自动化所合作研制出一条实用的仿生机器鱼，参加了对郑成功古战船遗址的水下考古探侧，这次水下活动被有关专家认定为是国际上首例水下仿生航行体的试验研究。

表1国外典型的仿生机器鱼研究项目

哈尔滨工业大学在国家自然科掌基金支持下研制出了仿生机器鱼样机，该样机长

0.95m，重约13kg，航速可达0.3m/s。

2006年，他们又研制了一条仿生机器鱼样机“HRF-1”，游动速度可达0.5m/s，并进行了升潜和转向实验。

哈尔滨工程大学研制了一条仿生机器鱼原理样机“仿生-I”，该机器鱼长2.4m，最大直径0.62m。

排水量320Kg，潜水深度10m，最高航速13m/s。

图1-4仿生-I

仿生水下机器人由于具有高效的推进性能，良好的隐身性能和操纵性能，有着广阔的应用前景。

在民用方面，它可以用于海洋环境研究、海洋资源探测和开发、海洋援潜救生等，也可以作为智能玩具或电子宠物进入百姓家庭。

在军用方面，可用于战时侦察，收集清报，探雷与灭雷，潜艇战与反潜战，作为诱饵干扰敌方等，同时也可以作为高性能的智能化武器或武器平台，直接用于袭击和破坏敌方的港口、水下侦察系统、舰船（要害部位）、海上平台、破坏敌方海上运输线等。

另外，仿生水下机器人作为一种新兴的水下运载器，为机械、电子、材料、能源等硬件的研制以及单机器鱼控制算法、多机器鱼协调控制等软件的开发提供了全新的平台。

1.4目前研究热点及未来发展方向

目前，新型仿鱼鳍机器人的研究及未来发展主要集中在以下几方面;

（1）尾鳍摆动式推进模式水动力模型的建立;

（2）尾鳍摆动时尾流的产生及其与推进力和推进效率关系数学模型的建立

（3））弹性元件在降低尾鳍摆动能量损失中的应用:

（4）机器人姿态、运动轨迹控制;

（5）机器人的微型化,

1.5本课题研究内容

1.鱼的外形设计，本设计是以金枪鱼为模型，要尽量达到其仿真效果

2.鱼体内部各部分的位置安排，保证机器鱼在水里能平稳游动

3.控制部分的设计，达到每秒钟鱼尾摆动4次的频率

4.计算部分，包括浮力中心和重力中心的计算，推进力和阻力的计算，各个翻转力矩的计算。

第2章UG中运动仿真和有限元分析模块功能介绍

2.1运动仿真介绍

2.1.1运动仿真模块

运动仿真（MotionSimulation）是UG/CAE模块中的主要部分，它能对任何二维或三维机构进行复杂的动学分析和设计仿真.通过UG建立一个三维实体模型，利用UG/MotionSimulation的功能给三维实体摸型的各个部件斌予一定的运动学特性，再在各个部件之间设立一定的连接关系即可建立一个运动仿真棋型。

UG/MotionSimulation的劝能可以对运动机构进行大量的装配分析工作、运动合理性分析工作，诸如千沙检查、轨迹包络等，得到大最运动机构的运动参数.通过对这个运动访真模型进行运动学成动力学运动分析，就可以验证该运动机构设计的合理性，并且可以利用图形翰出各个部件的位移、坐标、加速度、速度和力的变化情况，对运动机构进行优化。

2.1.2运动仿真模块能执行何种类型分析

运动仿真模块可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中的零件速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。

运动仿真模块的分析结果可以指导修改零件的结构设计（加长或缩短构建力臂的长度、修改凸轮线性、调整齿轮比等）或调整零件的材料（减轻或加重以及增加硬度等）。

设计的更改可以反映在装配的主模型的复制品——运动仿真中再重新分析，一旦确定有话设计方案，设计更改就可以直接反应到装配主模型中。

2.1.3如何创建运动仿真

可以认为机构是一组连接在一起运动的连杆（Links）的集合，UG可以用下面3步生成一个运动仿真：

第一步创建连杆

UG可在运动机构中创建代表运动的连杆。

第二步创建运动副

UG可创建约束连杆运动的运动副。

在某些情况下，同时可以创建其他的运动约束特征，如弹簧、阻尼、弹性衬套和接触。

第三步定义运动驱动

运动驱动使机构产生运动。

每个运动副可以包含下列5种可能的运动驱动的一种：

·无运动驱动：

机构只受重力作用。

·运动函数：

用数学函数定义运动方式。

·恒定驱动：

给定初速度和加速度。

·间歇运动驱动：

振幅、频率和相位角。

·关节运动驱动：

步长和步数。

2.1.4运动仿真的机构运动方式

运动仿真中的机构以下面两种形式运动：

关节运动：

关节运动是基于位移的一种运动方式。

机构已指定的步长（旋转角度或直线距离）和步数运动。

运动仿真：

运动仿真是基于时间的一种运动形式。

机构在指定的时间段种运动，同时指定该时间段中的运动步数进行运动仿真。

第3章水下鱼形机器人机构确定

3.1沉浮机构的确定

鱼类的上浮和下沉主要要靠其腹内鱼鳔的收缩来实现。

鱼鳔收缩使得鱼体体积发生变化，进而影响排开水的体积，从而实现上浮下沉。

对鱼鳔充气，鱼体的体积就增大了，从而获得大于自身重量的浮力，将其送到水面；对鱼鳔放气，鱼体的体积就减小，从水中获得的浮力就小于自身重量，鱼便能够实现下潜；当这些鱼类将鱼鳔的体积控制在一定范围内时，鱼类便保持停留在水中的某个位置。

鱼类就是这样轻松地通过调整自身鱼鳔的体积很好的实现了浮潜控制。

鱼类中，也有一部分不存在鱼鳔，而它们的浮潜运动则是通过侧鳍或躯干来实现的。

如鲨鱼，如果停止游动的话，就会沉入水底。

所以鲨鱼只能不断游动，靠自身的鱼鳍保持平衡。

机器鱼的沉浮机构分为五种：

1.排水法：

类似于潜艇，通过控制水箱中的水量来控制重力，从而控制沉浮。

图3-1排水法

2.侧鳍法：

类似于飞机的方向舵，是应用非常广泛的机器鱼沉浮控制方法。

图3-2侧鳍法

3.改变鱼头指向法：

通过一组机构控制鱼头绕铰链俯仰一定角度，起到与侧鳍相似的作用。

图3-3改变鱼头指向法

4.改变鱼尾指向法：

通过一组机构控制鱼尾绕铰链俯仰一定角度，从而获得推动力垂直方向的分力。

图3-4改变鱼尾指向法

5.重物调节法：

通过鱼体内配重的前后移动，使机器鱼的重力和浮力作用线不共线，从而使机器鱼绕中心进行俯仰，获得推动力垂直方向的分力。

图3-5重物调节法

本设计的沉浮机构是侧鳍法。

由于侧鳍的电机可以放在鱼身偏前的位置，所以可以根据设计的侧鳍的位置来布置舵机，这样就可以使传动距离比较近，近距离的运动传递可靠性较高且容易实现，这样会减小设计的难度。

考虑到要根据不同的要求进行不同的转动角度，所以选择齿轮机构来传递运动，这种机构的优点是传动比稳定，便于控制。

但是齿轮作为传动机构的缺点就是重量较大，对于机器鱼这个设计，可知整鱼的浮力中心在鱼身偏前的位置，而重力中心在鱼身中心线靠后的位置，需要在前部增加重量来进行配重，所以侧鳍传动机构的重量偏大在这里是可取的。

首先确定了侧鳍的外形，根据图3-6，黄鳍金枪鱼的外形尺寸，并将一系列金枪鱼的外形进行分析综合得到侧鳍的比较优化的行装和尺寸数据。

侧鳍的长度大约为鱼身总长的1/5，取为180mm。

侧鳍的宽度大约为鱼身高度的1/4，取为90mm.侧鳍厚度根据比例定为30mm。

为保证流线型，侧鳍的UG三维图生成是通过去不同大小的椭圆，然后生成的曲面。

图3-6金枪鱼外形

图3-7侧鳍传动机构

如图3-7，为侧鳍的传动机构图，设计思想是通过舵机牵引，驱动摇臂，从而带动侧鳍进行升降控制。

根据电机输出轴的尺寸和位置关系以及轴承具有的尺寸来确定轴的各段直径和外形，最后要对轴和轴承进行校核。

3.2转向机构的确定

经过对水中真实的鱼类运动的观察、试验和分析，得出鱼类的转弯主要是靠尾鳍偏转一定得角度实现的，胸鳍在转向过程中也会起到一定的辅助作用。

在此基础上，通过仿生学的研究和模拟，设计出一些解决鱼形机器人转向的方法。

本设计采用船舵法。

此种机构的理论依据是，尾舵通舵机驱动转动角度，方向舵旋转与游动速度方向成一定的角度，这样游动时水的阻力就会给舵一个垂直于运动方向的力，此力产生力矩，绕重心所在轴线旋转，由此可判定尾舵的位置应尽量远离重心，这样才能使尾舵旋转一个小的角度就有比较明显的效果。

图3-8转向机构

外形（如图3-8）尾舵相当于金枪鱼的胸鳍鳍，根据测量和拟合，设计尾舵的竖直长度为鱼身总高度的1/4，取为150mm,横向宽度约为鱼身总长度的1/10，故取为90mm,厚度取为16mm。

外形为保证流线型，UG中三维建模为椭圆的拉伸，然后进行小角度的拔模。

3.3舵机选择

1）类型选择

由于舵机直接输出转矩与转角，相比电机，省去了一系列减速装置，可以很大程度上进行结构的简化与减重。

本设计选用舵机驱动升降舵与方向舵。

2）参数确定

静转矩的确定，一般来讲负载转矩和最大静转矩的比值通常取为0.3---0.5左右，所以：

其中侧鳍受的最大力为

侧鳍边缘与轴之间的水平距离为52.5mm，则可知

根据标准舵机参数与尺寸，选用futaba30033001型标准舵机比较合适（图3-9）。

参数：

1）适用电压:

4.8~6.0V

2）速度:

0.16sec/60o（无负载）

3）极限扭矩:

3.5kg.Cm

4）工作电流:

300mA

5）静态电流:

1mA

6）死区宽度:

10uses

7）连接线长度:

255mm

8）尺寸（LxHxW）:

40.8x20.1x36.5mm

9）重量:

36g

10）插头类型:

JR插头

图3-9futaba30033001型标准舵机

3.4整体结构位置设计及外形确定

3.4.1整体结构尺寸确定

在各种传动机构设计完成以后，要将各种机构安装到比较合理的位置，使得从配重、受力、协调性、便于控制、视觉效果好等各个方面更能体现出优化的设计理念。

为了更好的利用金枪鱼的生物机理来设计一条较为合理的鱼形机器人，首先对金枪鱼进行了分析。

如图3-10所示为一条金枪鱼，根据设计要求，设计一条全长1000mm的鱼形机器人。

图3-10机器鱼身长各部分尺寸确定

由根据测量和计算，设定机器鱼鱼头、鱼前身、鱼后身以及鱼尾的各部分长度，如图3-4所示。

个部分采用模块化结构，分为动力，控制，方向控制和电源模块

为使得重心尽量靠前，各部件将尽可能的靠前放置。

经过反复修改，最后得到如图3-9的机构。

最后进行重力中心及浮力中心的计算并配重，使鱼在水中可以平衡。

图3-9机器鱼机构的总体设计

3.4.2外形结构尺寸确定

该机器人以金枪鱼（见图3-1）为蓝本，长1m，最大截面椭圆长半轴196.3mm，短半轴71.0mm，体积198413399mm^3。

外形设计的参数见表3-1，根据表中数值，得到机器鱼的外形特征，如图3-11图3-12所示。

表3-1机器鱼外型尺寸参数表

12345678910

鱼高156.6238.4287.6327.6357.8382.8392.6387.4362.8324.0

侧厚57.483.2108.6124.2135.6139.6142.0137.6131.6125.2

11121314151617181920

鱼高277.8224.0178.4127.693.468.243.4244.6360.8362.8

侧厚113.097.278.062.851.038.423.610.84.23.8

图3-11机器鱼龙骨

图3-12机器整体图

第4章基于UG的鱼形机器人的运动仿真

UG运动分析模块是一个基于刚体学的模拟仿真分析的CAE工具。

它能对任何二维或

三维机构进行复杂的运动学分析、静力学分析和动力学分析，同时进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。

运动分析的结果可以指导修改零件的结构设计，调整零件的材料。

运动分析模块自动复制主模型的装配文件，并建立一系列不同的运动分析方案。

每个运动分析方案均可独立修改，而不影响装配主模型，一旦完成优化设计方案，就能直接更新装配主模型以反映优化设计的结果。

本章内容主要介绍机器鱼在UG运动分析模块中的运动学仿真模型，并对比分析了仿真结果与理论计算结果的差异。

运用UG6.0建立机器鱼的运动学仿真模型，图5-1表示整个建模的过程。

图4-1系统运动学分析的过程

4.1沉浮机构运动仿真

4.1.1计算

根据选择的舵机最大角度输出时，则侧鳍转动角度应为45°。

当设置为关节运动时，每运动一步，侧鳍转动45°，从而实现整个机器鱼的上升与下降。

4.1.2三维建模

简化沉浮机构（侧鳍）的部件，去除不影响运动学仿真结果的零部件，如图4-2所示为其简化结果。

图4-2侧鳍三维建模

4.13最终结果分析

不同的运动驱动产生不同的运动。

当运动驱动定义为关节运动驱动时，机械系统以特定的步长和步数运动，用户可以对其进行关节运动分析（基于位移的系统运动分析）。

当运动驱动为运动函数、恒定驱动或简谐运动时，则可以对机械系统进行运动仿真（基于时间的系统运动分析）。

同时根据需要利用各种封装选项来完成跟踪、测量、干涉检查的功能。

这里采用简谐运动驱动，简谐运动的运动规律为：

A、ω、φ、B、t分别表示幅值、角频率、相位角、角位移和时间。

连杆一（电机输出轴）为输入机构，连杆三（侧鳍）为输出机构。

根据所选的舵机，设置幅值45，频率90。

Y轴为速度，Y轴的分量为欧拉角度3即沿Z坐标轴的转动分量。

旋转副三的位移和时间关系曲线如图5-4所示。