仿生机器鱼三维仿真分析.docx
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仿生机器鱼三维仿真分析
学校代码：
11517
学号：
0708071012
HENANINSTITUTEOFENGINEERING
毕业设计
题目仿生机器鱼三维仿真分析
学生姓名刘欢乐
专业班级机械设计制造及自动化0701
学号0708071012
系（部）机械工程系
指导教师（职称）王新莉（教授）孟凯（助教）
完成时间2011年5月25日
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论文作者签名：
年月日
河南工程学院毕业设计（论文）原创性声明
本人郑重声明：
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对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名：
年月日
河南工程学院
毕业设计（论文）任务书
题目仿生机器鱼三维仿真分析
专业机械设计制造及自动化学号0708071012姓名刘欢乐
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
选题背景：
鱼形机器人不仅可以用于水下考古、水中摄影、探查狭窄水道、测绘海底地形地貌，还可进行水中养殖和捕捞，并作为水下微小型运载工具，在抢险搜救等工作中发挥重要作用。
主要内容：
设计一款机器鱼的执行机构，对设计的机构进行三维仿真研究。
基本要求：
建立三维模型，进行仿真研究，完成实物制作，提交设计说明书等设计相关资料。
主要参考资料：
机电一体化系统设计
传感器技术
机器人技术
机构设计
相关科研论文10篇
完成期限：
指导教师签名：
专业负责人签名：
年月日
目录
摘要I
ABSTRACTII
1引言1
1.1本文研究的目的及意义3
1.2国内外研究现状4
1.2.1国内研究现状4
1.2.2国外研究现状6
1.3论文的主要研究内容8
2仿生机器鱼的机构设计概况9
2.1仿生机器鱼的机构9
2.2舵机设置10
3仿生机器鱼的三维建模与运动分析12
3.1建模软件的选取12
3.2仿生机器鱼的三维实体建模13
3.2.1仿生机器鱼鱼头和鱼尾的三维建模14
3.2.2仿生机器鱼鱼身的三维建模15
3.2.3虚拟装配17
3.3仿生机器鱼的运动分析17
4仿生机器鱼的三维仿真实现19
4.1仿生机器鱼三维仿真的简介19
4.2仿生机器鱼三维仿真20
结论与展望25
毕业设计工作总结27
致谢28
参考文献29
仿生机器鱼三维仿真分析
摘要
本文首先对小型鱼类现有的研究进行了描述，表明了鱼类在水下的优势对仿生机器鱼的研究发展将起到重要作用。
在此基础上并结合自己的实际情况设计了机器鱼的机械结构及控制系统，并进行了三维建模与运动仿真。
机械结构采用三块舵机串联的形式实现尾鳍运动，以实现鱼身的游动，同时设计了简单的尾部机构，以辅助鱼身的运动。
控制系统采用舵机控制器为核心控制器，并详细介绍了控制系统的软、硬件设计。
最后，对机器鱼进行了运动分析，用三维建模软件solidworks进行了机器鱼的建模和仿真，结果表明，我们研制的仿生机器鱼在水中的运动能实现鱼类的基本游动动作，容易实现机器鱼游动中姿态间的转换，控制效果较好，达到了设计要求。
关键词机器鱼；舵机；建模；运动分析；三维仿真
SystemDesignofBiomimeticRobotFish
ABSTRACT
Firstly,theexistingresearchonsmallfishesaredescribed,showstheadvantagesoffishintheunderwaterbionicroboticfishresearchanddevelopmentwillplayanimportantrole.Onthisbasis,combinedwiththeactualsituationoftheirownroboticfishdesignedthemechanicalstructureandcontrolsystems,andconductedthree-dimensionalmodelingandmotionsimulation.Mechanicalstructurewiththreetailfinruddermovementisimplementedinseriestoachievethefish'sswimming,whilethereardesignofasimplebodytoassistthemovementoffish.Steeringgearcontrolsystemcontrollerasthecorecontroller,andadetaileddescriptionofthecontrolsystemsoftwareandhardwaredesign.Finally,themovementoftheroboticfishwereanalyzed,usingthree-dimensionalmodelingsoftwarefortheroboticfishsolidworksmodelingandsimulationresultsshowthatwehavedevelopedbionicroboticfishinthewatermovementtoachievethebasicswimmingmovementsoffish,easytoroboticfishswimmingintheattitudetoachievetheconversionbetweenthecontrolbetter,meetsthedesignrequirements.
KEYWORDSrobotfish,servo,modeling,motionanalysis,
three-dimensionalsimulation
1引言
几个世纪以来人类不断的利用大自然，创造自己的文明与现代的生活，随之而来的许多急需解决的问题也逐渐的清晰的摆在人类的面前，需要人类通过更好的方式来解决。
海洋开发就这样进入了科学家的研究视野之内。
特别是二十一世纪以来地球陆地资源日益枯竭，人类更是把目光投向了拥有丰富资源和巨大开发利用价值的海洋世界。
随着海洋开发需求的增长，人类在水下环境中的生产、科研活动不断增加，水下作业任务发生很大的变化，海洋世界中的作业环境充满着未知也给人类的开发增加了更多的不稳定因素。
这些都为人类的开发利用海洋世界的丰富资源提出了很多难题。
原有的水下检测、作业、运载装置难以满足适应海洋中复杂的水下作业任务的要求，人工操作的方式在某些特定的情况下给人类的安全将带来直接或间接的不可预期的损害。
这就促使智能的、节能的、灵活的，适用于特殊作业的水下潜器（AUV）和水下机器人[1]研制成为热点。
当今，作为水下潜器和水下机器人关键技术的推进系统，大多采用螺旋桨、喷流回转式和叶轮式等原理的常规推进器，这些传统的推进器的缺点是：
能量利用率低、结构尺寸和重量大、对环境扰动大、隐蔽性能差、运动灵活性能差等。
因此采用普通推进式的水下作业工具的作业范围小，环境局限性大。
为了适应海洋科学发展的急切需要，国内外科学家都在积极的寻找其他高效率，机动灵活的水下推进方式。
近些年来随着仿生学和机器人学研究的不断进步，仿生机器鱼已成为AUV领域的研究热点之一，它为研制高效、高机动性、低噪声和易隐蔽的水下航行器提供了一种新的思路和研究方向。
在自然界中，作为地球上最古老的脊椎动物的一个类群，鱼类长期生活在水中，经历了数百万年的自然进化，漫长的自然选择过程使得鱼类发展了各具特色的水中运动的非凡能力，使鱼类通过了自然界物竞天择的自然规律的考验，产生了很强的生活适应性，形成了令人惊讶的水下适应能力。
鱼类的游动技巧远远高于人类现有的任何航海科技，在运动、感知和效率方面远超过了人类的水下科技研制成果。
他们利用流体力学和其流线形体的本能，更使我们的造船工程学者们称赞不已。
和人类普通的水下推进器相比，鱼类游动具有以下优点：
（1）推进效率高。
推进效率高是鱼类游动和采用螺旋桨推进的推进器的最大区别之一。
普通的推进器的推进效率平均在40%-50%左右[2]，普通鱼类的游动推进效率在80%以上。
1936年，英国生物学家JamesGray发表论断，估算出海豚的肌肉所能提供的功率只相当于与它身体相似的刚体模型以15-20节的时速前进时所需功率的1/7.Gray从能量守恒的角度向流体力学者提出了一个疑问：
海豚的游动效率远远超出了100%[3]。
人们将这个结论推广到整个鱼类，称为Gray悖论（Gray’Paradox）。
（2）机动性能好。
无论是在复杂的珊瑚礁中、湍急的河流中、海草重生的海底中，鱼类都能够灵活的穿梭、长时间的游动。
鱼类可迅速的以只有百分之三十身长的距离为转弯半径来改变游动方向。
相比之下。
一般航行器只能以十倍自身的身长的半径缓慢的回转[4]。
（3）噪音低，隐蔽性能好，环境适应性强。
鱼类游动时候噪声小，环境扰动小，不易被周围生命发觉。
而采用的螺旋桨推进器的水下推进噪音大，对环境扰动大，不易于隐蔽。
因此，各国的军事学家们都在积极的研制仿生鱼水下推进装置，以便未来更好的应用于军事领域。
例如，英国科学家正在研究一种可以靠尾鳍摆动的，以“S"形游动的潜艇，它比常规潜艇更快，更安稳，机动性更好，可以充分的充当水下扫雷潜艇的使用，用来对付遇到轻微的声响或干扰便会引爆的水雷[5]。
（4）鱼类具有优异的水下感知系统。
鱼类能在伸手不见五指的海里与海流搏斗，并能准确的发现障碍物，确定正确的方向游动。
鱼类使用身体上的由数千个延伸整个身体的细小毛发细胞组成的侧线可以感知身体周围级微小的水流变化，准确的判断出外界的障碍物，逃避潜在的外部威胁。
有些鱼类所具有的天然声纳系统使其可以搜索、追踪猎物。
例如，齿鲸可以发出具有较高频率的脉冲式的咔哒声用于回声定位；海豚不仅可以利用脉冲式的咔哒声实现回声定位，还能从回声中“看到”目标的三维图像，十分精准的识别周围物体用于导航。
正是在这样的背景下，仿生机器鱼的研究和设计被迅速的提上了科学家们的日程里面。
研发者研发了和鱼类推进方式很类似的仿生机器鱼（又名机器鱼、鱼形机器人），目的是让水下机器人具备像鱼那样的水下生存能力，并且能应用于水下探测、生物观察、灾难预警和军事领域。
但是应该指出的是，虽然现今机器鱼的发展非常迅猛，机器鱼技术越来越多的被人类所掌握，但目前为止还没有研制出一个像真鱼那样的，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，不知道鱼是怎么样控制涡流推进，不能预测给定一个命令机器鱼将会做出什么样的动作等等，这一系列的难点尚待我们人类的科学家们努力研究而加以实现。
而要实现这些鱼类自身的许多水下本能，三维仿真将起着很大的作用，所以，目前在这方面，仿生机器鱼的三维仿真和协作策略在仿生机器鱼的研发设计和任务协作上起着重要的作用，是仿生机器鱼研究的热点课题。
本文以仿生机器鱼的结构设计，舵机控制机理与简单的运动仿真等内容为重点。
通过对不同鱼类形体资料的对比和研究，设计并且制造出简单的仿生机器鱼。
能实现鱼类的基本游动动作，前进和转弯。
通过三维建模以完成机器鱼的三维仿真，通过舵机控制器的信息控制和蓝牙的无线信息传输，远程遥控仿生机器鱼在水中的简单游动。
我们制作的仿生机器鱼，结构简单但能实现鱼类在水下的基本功能，控制系统便于操作，具有一定的可使用性。
1.1本文研究的目的及意义
鱼类生物在水下世界的优越性越来越被各国的科学家们重视，伴随着近些年来仿生学和机器人学的不断告诉发展，仿生机器鱼的研究被更多的国家开始重视开发。
仿生机器鱼以其效率高、机动性好、噪音低、对环境扰动小的优势在人类的生活中越来越发挥着重要的作用。
机器鱼的应用领域如下所述：
（1）要求作业时间长、范围大，但本身承载能力或承载空间有限、不能加载太多能源的场合，如环境监测，军事侦测等；
（2）要求机动性能高的场合或空间狭窄、空间结构复杂的场所。
如管道检测，管道内部结构复杂，采用微小型机器鱼可能较好的完成作业任务；
（3）海洋生物观察。
常规螺旋桨推进器噪声大，多环境扰动大，使水下运动装置很难接近所要观察的海洋生物，采用静音驱动的机器鱼有望解决这一难题；
（4）海底勘探及海洋救捞。
采用仿生鱼推进方式可以很容易的进入环境复杂的海洋空间，如沉船内部，珊瑚礁群，完成常规水下潜器所不能完成的作业任务。
（5）军用方面。
一方面，利用仿生鱼推进技术可制造小型潜航武器、无人驾驶仿生袖珍型潜艇。
该潜艇比传统潜艇具有更高的机动性和可操作性，可直接进行水下侦察，发现地方雷区，跟踪及摧毁敌方潜艇。
而一方面，由于机器鱼体积小、成本低、机动性好，可以由水面潜艇、潜艇及飞机等大量携带，成群投放，将在攻击、侦探和扫雷等方面发挥重要的作用。
此外，可利用机器鱼体型小，不易被声纳所探测的特点，平时化整为零在特定的海域游弋，当遇到敌方舰队时迅速集结，重点攻击，以较小的代价重创敌方。
（6）娱乐方面。
目前，新的机器人技术正越来越多的应用于玩具制造业。
2000年3月，在东京玩具展览会上，日本第三大玩具制造商Takara公司展出了一系列机器鱼“AquaroidFish”，包括机器水母和机器蟹。
综上所述，仿生机器鱼的研究是一个具有重大理论与应用价值和实际意义的研究课题，有着良好的应用前景，我们要不断的努力，为人类的更进一步的发展做出一点贡献。
1.2国内外研究现状
关于仿生机器鱼的研究主要可以分为两个阶段：
20世纪90年代以前主要集中于研究基础理论，90年代后，伴随着机器人学、新型材料和驱动装置的发展，人类开始仿生机器鱼的研制。
目前，对仿生机器鱼的研究主要集中在：
一深入探索鱼类高效、快速游动的机理，建立简单、实用的动力学和运动学模型；二从仿生学的角度研制快速、高效、高机动性的机器鱼，探索鱼类漩涡控制的奥秘。
1.2.1国内研究现状
80年代中后期，中国科技大学的童秉纲和程健宇采用半解析-半数值的方法，提出了三维波动板理论（3DWPT）,得到了国际上鱼类生物力学研究群体的广为运用和认同[6-7]，两位科学家还对鱼类波状游动的推进机理方面进行了研究，建立了流体力学模型，以及如何减小游动阻力进行了理论分析[8]。
1994年华中理工大学在国家自然科学基金的支持下开展了水下机器人防鱼鳍推进机理的研究，建立了利用弹性组件提高驱动效率的实验平台[9]。
北京航空航天大学机器人研究所深入开展了仿生鱼机器人技术的研究，提出了“波动推进理论”及其分析方法，设计研制了游动速度为0.6m/s的仿生“机器鳗鱼”实验模型；2001年3月又研制了仿生“机器海豚”，并在北京航空航天大学水洞实验室内进行了速度功率参数测定实验和鱼体运动阻力测定实验，获取了鱼的摆动推进深层次的机理[10]。
中国科学院自动化研究所与北京航空航天大学机器人研究所联合开展了“多微小型仿生机器鱼群体协作和控制的研究”，建立了多仿生机器鱼协作的实验平台，在机器鱼运动控制、协调控制等方面取得了大量的研究成果，为复杂、动态的水下环境中多仿生机器人系统控制和协作作业提供了理论基础和技术支持[11]。
为提高仿生机器鱼的智能化程度，2003年在国家高技术研究发展计划MEMS专项的支持下，中国科学院自动化研究所开展了“基于MEMS传感器的仿生机器鱼系统的研究”。
2004年8月，北京航空航天大学机器人研究所使用SPC-Ⅱ仿生机器鱼[12]对福建省东山县郑成功战舰遗址5000平方米的海域进行水下探测获得成功，如图1-1所示，该机器鱼身长1.21米，可以每小时4公里的游速在水下工作2到3个小时，并能及时将水下拍摄的图像通过无线传输系统发送至水面指挥部，为考古人员研究挖掘提供可靠的依据。
图1-1SPC-Ⅱ仿生机器鱼
图1-2五关节仿生机器鱼
图1-2为北京航空航天大学模拟海豚制造的五关节仿生机器鱼，它长0.89米，重0.8千克，鱼体最大速度0.2米/秒，最小转弯半径0.4米，最大转弯角速度约120度/秒，采用无线遥控的方式。
图1-3为航空航天大学研制的机器鱼SPC的1/4缩比模型，长0.66米，最高摆动频率2Hz，最大游动速度0.5米/秒，功耗15瓦。
采用扁平宽大的斧形水动力外形，具有较好的自稳定性。
图1-3SPC的1/4缩比模型
1.2.2国外研究现状
对鱼类推进模式的研究是仿生机器鱼研制的基础，国外学者很早就开始了这方面的工作。
表1-1给出了当前国外与鱼类推进研究相关的一些研究资料。
表1-1国外与鱼类推进研究相关的研究机构
国别
研究单位
研究内容
美
国
MIT,M.Triantafyliou研究组
涡流控制和减速控制
北亚利桑那州大学，生物系
鱼类游动行为
加州大学动物系
鱼类推进数学模型
Lafayette大学，数学系
鱼类推进的数学模型
康涅狄格大学
鱼类游动的结构和功能
南加州大学
鱼类和飞行的研究
宾夕法尼亚大学
鳗状推进
东北大学，海洋科学中心
鳗状推进
UniversityMinnesota,,机械工程系
流体控制
加拿大
渥太华大学
电子鱼研究项目
日
本
东海大学，Kato实验室
胸鳍推进
东京工学院，机械动力学和控制实验室
鱼类游动行为
运输省，船舶技术研究所
驱动装置，机动性研究
Nihon大学,Nakamura实验室
鱼类推进
加拿大多伦多大学的涂晓媛博士在博士论文“计算机动画中的人工动物”中，首先将基于物理的图形建模方法应用到计算机动画设计中，她在生物力学的基础上建立了一种可变性的“质点-弹簧-阻尼”系统来构建人工鱼的动态生物模型，如图1-4所示，该动态模型设计了由23个“质点”和91个“弹簧-阻尼”单元所组成可变性的人工鱼外形。
然后对每个质点引入广义牛顿运动方程，通过分析每个质点的生物受力情况，建立23个耦合的二阶常微分方程，通过求解得到人工鱼的外形[13]。
被称为“晓媛的鱼”，为研究机器鱼的智能行为奠定了基础。
图1-4人工鱼的生物力学模型
表1-2列出了近些年来，外国的一些仿生机器鱼的研究项目[14]。
这些国家的研究对仿生机器鱼的发展起到了巨大的作用，给机器鱼的实际应用提供了很大的理论和实践基础。
表1-2国外典型的仿生机器鱼研究项目
国别
研究单位
研究项目
美
国
MIT
第1条机器鱼Robotuna（1994年）
Robotuna改进版Pike（1995年）
Robotuna最高版VCUUV（1998年）
拍动翼研究
中佛罗里达大学
微电子机器鱼（应用SMA技术）
德州农工大学
仿生驱动材料研究
东北大学，海洋科学中心
仿生水下机器人项目
波士顿大学
机器鱼推进建模
加州理工学院
机器鱼推进的传感和控制
新墨西哥大学
鳗状游动（IEM驱动）
Universityofllinois,
Urbana-Charnpaign
电子鱼研究项目
UniversityofCaliforninat
Berkeley
机器鱼（CALibot）
比利时
Vrije大学
机器鱼智能体研究
英国
Heriot-Wart大学
FLAPS项目
Essex大学
水族馆观赏机器鱼项目
日
本
东海大学，Kato实验室
人工胸鳍黑鲈
名古屋大学
微型水下仿胸鳍模式浮游机器人（压电陶瓷驱动）
微型身体波动式水下推进器（形状记忆合金驱动）
Takara公司
机器鱼，机器水母（宠物鱼）
三菱重工
机器鱼“MitsubishiAnimatrinics”（宠物鱼）
运输省，船舶技术研究所
PF-300，PF-600，S-FPSE200，PF-700，UPF-200
1.3论文的主要研究内容
本篇论文在现有的仿生机器鱼研究基础上，结合自己学校的实际情况，对仿生机器鱼做了深入细致的研究。
介绍了机器鱼的设计研究和实现、机器鱼鱼身机构概况、运动控制、基本运动和行为设计、基于solidworks的三维建模，建立了面向仿生机器鱼的三维仿真结构。
本文的主要研究内容如下：
第一章对仿生机器鱼的应用背景和研究意义进行了详细的介绍，综述国内外在鱼类推进机理、仿生机器鱼研制方面的研究概况及主要研究内容，介绍了仿生机器鱼的三维仿真的实际意义。
第二章详细的对仿生机器鱼的结构设计做了介绍。
说明了我们研制的仿生
机器鱼的设计原理和结构机理，并对机器鱼的驱动来源舵机做了介绍。
第三章利用学习过的三维建模软件solidworks对仿生机器鱼进行了三维的建模，并分析机器鱼的结构，做简单的运动分析，为下面的仿真做下基础。
第四章针对自己研制的仿生机器鱼的三维模型，选取机器鱼在水中的某一特定游动动作，进行了建模和运动分析，研究了机器鱼的三维仿真方法，并对其模型进行了三维仿真实现。
第五章本章总结了所写论文的主要研究成果，进行了总结概况，并指出了在此基础上机器鱼的更进一步的开发研究方向。
2仿生机器鱼的机构设计概况
本章段对仿生机器鱼的机身结构做了较为详细的介绍，对我们制作的仿生机器鱼做了构造解析，并且给出了驱动来源舵机的介绍，简单明了的表达了仿生机器鱼的机构情况。
2.1仿生机器鱼的机构
整个仿生机器鱼为柔性的机构身体，由内部的铝合金制鱼体骨架和舵机连接通过螺栓固定在一起而制成。
其外形如图2-1所示。
仿生机器鱼分为三个部分，头部、机身和鱼尾。
头部用特殊的橡胶泡沫加工而成，可以减轻整个机器鱼的整体重量，为机器鱼在水中游动时产生浮力不至于下沉起到很大作用。
鱼身和头部中间连接有电源装置，为机器鱼的游动提供动力来源。
整个机身由三个舵机相互通过铝合金制的金属结构连接起来，该金属结构根据要制作的仿生机器鱼的大小，进过实际测量，后在机加工机床上加工而成，将舵机紧密结实地连接成一个整体，构成机器鱼的鱼身部分。
同时，仿生机器鱼的控制系统，舵机控制器也装在这个部分，通过螺栓连接固定在机器鱼的骨架上，便于和前面的电源连接，简化了电线的分布形式，形成了一个有机的整体。
尾部用具有一定强度的合金板材料制成了月牙形状，用螺栓固定在了最后一个舵机上面，这样可以通过舵机的转动带动鱼尾的摆动，产生机器鱼前进的水动力，辅助仿生机器鱼的水中游动。
整个机器鱼鱼身，采用较好的橡胶薄
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