仿生鱼机器人设计-单关节鱼（含CAD图纸）

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The whole design process is divided into mechanical structure design, hardware and software design.According to the designed structure, this paper USES Solidworks software to realize structural modeling, and the process of automatic control should be carried out according to the required movement mode. After many experiments and optimization, the caudal fin with high propulsive efficiency was developed, and the maximum sailing speed, turning radius and maximum snorkeling speed of the robot merman with high propulsive caudal fin were tested. At the same time, select appropriate remote control technology, to achieve a certain depth of the robot mermaid free remote control. In addition, shell fish do beautification and other items test indicators, such as immersion seal test, life time test.After testing, all functions and performance meet the design requirements. Key words: robot fish; Ornamental type; Mechanical structure modeling: caudal fin propulsion  目录 1 本科毕业设计说明书 1 Abstract 1 第一章 绪论 1 1.1选题目的和意义 1 1.2国内外研究现状 1 1.3本文主要工作 2 第二章 仿生鱼机器人的总体方案分析 3 2.1鱼类推进机理分析 3 2.2驱动器的选择 3 2.3驱动机构的选择 4 2.4电机的选型 5 第三章 仿生鱼机器人的机械结构设计 8 3.1尾鳍驱动机构设计 8 3.2潜水驱动机构设计 8 3.3机器鱼的外壳设计 9 3.3.1外形设计 9 3.3.2壳内结构设计 11 3.4尾鳍设计 12 第四章 关键零部件分析计算 14 4. 1 齿轮的设计与校核 14 4.2 轴的设计与校核 17 第五章 总结 19 参考文献 20 谢辞 20 第1章 绪论 本部分的主要内容是阐述毕业设计的内容和研究现状，并制定工作计划。 1.1选题目的和意义 当今社会的能源已经不在充裕，甚至出现了缺少的现象。所以全世界个大部分国家都在进行着能够实现能源更加合理利用的方法。在造船行业，今天的螺旋桨是前进的最常见的方式，但是当螺旋桨旋转时在水中时，双方会产生一个旋涡，增加了功率消耗，减少游泳速度。另外，螺旋桨通常通过改变舵角来实现转弯，导致转弯半径大，操纵性差。水下螺旋桨探测器也低推进效率，流动性差，隐蔽性差等缺陷同样的问题，并围绕螺旋桨藻类等水生植物容易缠绕，导致对叶片损坏，螺旋桨甚至不能工作。 鱼类是自然界最早的脊椎动物，在几百万年的自然选择之后，进化出了在水中移动的非凡能力。具有手动水或水下机器人，具有鱼游动的推进效率，良好的隐蔽性，流动性等[1,2]进行比较。 随着科技的不断进步，不仅是机器人方面的技术在不断地发展，仿生学也随着不断地深入研究发展的越来越好，目前对于放生机器鱼的研究已经有了一定的基础，并且也有着能够实现放生机器鱼研究的条件。所以仿生机器鳄鱼也可以是一个重要的研究方向供我们金乡不断地探索研究。仿生机器鱼的有点狠明显，具有良好的移动性、节能性和隐蔽性，具有重要的研究价值和应用前景。 1.2国内外研究现状 机器鱼的研究在国内外有着悠久的历史，但从仿生学的角度设计机器鱼实体始于上世纪90年代。目前世界在电子方面的发展以及材料科学的迅速发展，所以对于机器鱼的研究也是不断深入。本文对小型机器人鱼的研究现状进行了简要的综述。 2000年，日本在进行机器鱼的研究过程中，为了能够实现机器鱼的转弯过程，成功的发明出了PF-300。该机器鱼鱼长约0.34m，并且身体中有两个伺服电机分别进行方向以及前进的控制。朝向后部另一伺服电机。由木材制成的浮动天线的水面上的可以在无线通信中实现与外界， 北京大学工学院也成功实现了机器鱼的开发，并且征途的鱼的结构有四个关节串联而成，这样就能够更好地实现鱼在水中的运动方式，前鳍控制机器人的上升和下降。 鱼体上装有摄像头和压力传感器，便于控制和收集信息。 。 1.3本文主要工作 研究项目充分体现了机械设计特点，即给定的参数下，主要参数的粗略计算后，开始设计，然后检查到原来的设计，修改和改进，在设计 - 修改 - 再设计 - 修改周期，不断完善设计，最终设计达到了预期目的。 本文主要从以下几个方面进行研究： 一。机器鱼的机械结构，主要包括传动机构和防水结构的设计。 2。机器鱼的外形，包括头、体、鳍的外形设计，达到了要求的流线曲线，降低了导航阻力，具有逼真美观的效果。 3、硬件电路的建设和编程。在现有的开发板、驱动板模块的帮助下，构建合理的硬件电路，编写控制程序。 。 第二章 仿生鱼机器人的总体方案分析 2.1鱼类推进机理分析 在鱼类进行水中运动的过程，对我们进行仿生机器鱼的结构设计具有很重要的参考意义。本章首先简要分析了鱼类的推进机理。 就推进机构而言，根据鱼类游动的位置，可分为两类[6]： （1）其中一部分水里游动的鱼能够前进的过程是将他们的身体扭动，并且也要摇摆他们的尾鳍，从而推动水产生向前的运动的力，这个过程可以叫做BCF（Body and Caudal Fin）运动模式； （2）但也有不同的游动方式，另一种方式是将中间鳍和对鳍的之间产生相对运动的方式来实现向前的推进力的，这个过程可以叫做此为MPF（Middle and Pectoral fins）运动模式。其中，所述中间体具有背部和肛门鳍。 只有摇摆推进模式才能使整个身体静止不动，只能通过刚性尾鳍的钟状摆动产生推力。 受到振荡推进模式仿生机制的启发，机器鱼由一个关节尾鳍驱动，整个身体保持静止，只有尾鳍运动产生前进和转动的力量。可以看出机器鱼是不能向后移动的。 2.2驱动器的选择 上述仿生抽象和简化机构，其实，本机仅需要两个驱动器。尾翼提供了主要动力，因此其驱动力的选择是本节的重点。为了能够选择正确的驱动程序，首先需要比较每个驱动程序的优缺点，如表2.1所示。 功能材料体积一般较小，驱动力，重量相对较大，可用于小型机器鱼的设计，鱼体的长度可减少到几厘米。但对于功能材料还处于比较初级的阶段。另外，新型功能材料驱动的机器鱼具有速度慢、成本高等特点。 在传统的三种驱动方式中，电机驱动与液压 、气压驱动相比具有精度高、响应速度快、易于小型化等优点，因此电机驱动适用于该机器人。 。 表0.1 传统驱动方式比较 驱动方式 优点 缺点 电机驱动 技术成熟、精度较高、成本低 转动转化为尾鳍摆动有些难度 液压驱动 输出力矩/重量比大、反应灵敏、承载能力大 需要恒压泵，移动件容易漏油，污染环境 气压驱动 实现高速直线运动，空气可压缩性容易实现力与缓冲控制 高精度位置与速度控制都困难，刚性较差；排气噪音较大，产生大量气泡 表2.2归纳了新功能材料驱动方式的优劣。 表0.2 新功能材料驱动方式比较 驱动方式 优点 缺点 形状记忆合金 驱动力/重量比大、变形量大、结构简单、驱动电压低 重复多次记忆效应会退化、对该材料的研究尚属初步、材料难获取、价格贵 压电陶瓷 变形精度、响应极快 形变增大，输出力矩变小、对外界干扰力敏感、变形量小于千分之一、驱动电压超过100V 人造肌肉 能耗低、无噪声、变形量大 输出力矩小、频率低 该机器鱼系统，交流电源是很难获得，只能选择直流电动机。直流电动机可分为有刷电动机和无刷电动机，无刷电动机不需要电刷结构，使用寿命长，输出转矩大。但需要特殊的驱动电路，而且体积大。 根据上面的表格以及一系列的分析，最终本次课题选择使用的电机结构是直流电刷电机驱动尾翼。 。 2.3驱动机构的选择 因为电机的最终选型是直流电刷电机，并且电机在进行运动过程中，一定是首先会传递出旋转的运动，但是鱼在进行前进过程中需要的是来来回回的往复运动。所以对于与身体结构的改造就十分的必要。并且有两种不同的结构能够时效内我们想要的运动，其中一种就是曲柄摇杆机构，曲柄作为原运动部件，由电机驱动，摇杆与尾翼固定连接，使尾翼作摆动运动；还有一种能够实现的方法就是通过电气控制方式，即，通过控制电机的正反转，实现了尾翼的摆动。 下面的图2.1、图2.2就表示了上面文章中所介绍的两种运动简图。 图0.1 曲柄摇杆机构运动简图 在图2.1中，电机通过减速器减速后带动曲柄a转动，进而摇杆c（即尾鳍）实现两个极限位置1与2之间的往复摆动。 图0.2 电机直驱机构运动简图 在图2.2中，电机通过一级减速器减速后直接带动尾鳍的实现位置1与位置2之间的往复摆动。 2.4电机的选型 首先根据之前已知的一系列运动和最基本的参数，选择潜水电动机的型号是Y系列的直流电刷电机，所选的电动机与其他的类型的电动机相比较，结构相对简单，利于维修，并且重量也是轻型。成本不高但是能够有比较高的工作效率。能够满足大部分的实际工业中应用。并且，还增加了一个附加的功能，能够防止杂物进入到电机的内部。 有关于电动机额定功率的确定，应当使得电动机的额定工具要比所需要的实际的功率大才行。即 式中 ——电动机额定功率，KW; ——工作所需电动机功率，KW; 工作所需电动机功率按以下计算 式中 ——工作所需有效功率，KW; ——从电动机到工作机的总传动效率; 机器的计算如下 式中 ——电机输出轴所受阻力; N ——输出轴转速，m/s。 输出轴的速度为120r/min， ， 取传动中各部件的效率如下： 链传动效率： 轴承效率： 齿轮效率： 则 有根据传动中所涉及到的摩擦力产生的阻力，所以载荷力就要再大一些以克服摩擦阻力。所及就可以计算电动机要提升的功率多少： 最后根据之前所计算选择出来的数据，查表选择潜水电动机型号为Y802-4，额定功率P=0.75kw，额定转速为n=1390r/min,频率：50HZ,电压：380V。 舵机的选型 仿生机器鱼鱼尾的摆动时通过一舵机来实现的，舵机鱼尾的连接杆是通过一U型架装配在一起的，舵机的作用是使得机器鱼鱼尾产生一定的力矩，使得鱼尾在一定范围内摆动，从而使得鱼身产生一定的前行动力。因此，我们是根据仿生机器鱼鱼身的设计尺寸选择合适大小的舵机。本设计我们选用ES08A银燕舵机，其参数如表2.1所示。 表0.1 ES08A银燕舵机参数表《机械设计手册》 型号 工作电压/V 扭矩/Kg·cm 速度 尺寸/mm 重量/g ES08A 4.8-6.0 1.5/1.8（4.8V/6V） 0.12/0.10sec/60° 32×11.5×24 8.5  其中，ES08A的输出扭矩为1.5/1.8Kg.cm，足以承受水流扰动产生的扭矩。可以给鱼尾提供动力，产生一定扭矩，鱼尾在这一扭矩范围内摆动，实现了鱼身在水中的向前游动的功能。  第三章 仿生鱼机器人的机械结构设计 3.1尾鳍驱动机构设计 转轴和电机座和骨架不能够通过轴承来实现他们的运动。所以就要使用铜套代替轴承，也就是说，使用滑动配合代替滚动配合。铜套和以过盈配合的电动机固定板框架的外径，这是间隙配合在轴的内直径，以便于轴的旋转。 显然，如果尾翼能够自由摆动，转轴首先必须能够自由转动，这就要求上下铜套同心度更好。根据加工工艺知识，若两个孔采用一次或同一定位基准加工，同心度高。如果在一次通过加工用的两个孔是必需的，马达固定板整体骨架结构，即，通过长孔的第一处理，然后研磨掉多余材料。但是，如果电机的固定板和机架是一体的，那么铜套和轴就很难安装。 因此，采用固定板与骨架分离结构，便于组装，节省材料。但对于骨架和电机固定板的两部分，安装了两个铜套孔位置尺寸精度要求高。 3.2潜水驱动机构设计 当仿生机器鱼向下潜水时，驱动电机提供动力，将动力传送给齿轮和螺杆，齿轮和螺杆材料都是45#钢，齿轮和螺杆转动推动活塞（橡胶）向前移动，活塞一端体积变大，需要说明的是，此体积与外界想连，此时，水就进入蓄水体积内，从而导致仿生鱼整体重量增加，使其潜入水中；同理，当蓄水体积变小时，仿生自动上浮。 图0.1 潜水机构示意图 3.3鱼尾驱动舵机设计 舵机和驱动电机固定在机器鱼的框架（Q235）上。机械结构的布置，机器鱼的内部部件，甚至硬件电路，都固定在同一个框架上，然后将框架和外壳组装固定。因此，在进行鱼的结构设计的过程中，使用骨架结构的方式不仅在装配过程中变得简单，并且也能够更好地实现鱼的尾鳍摆动的过程。也能够大大的提高鱼运动的精度。 仿生机器鱼在水中向前移动是由鱼尾的摆动来实现的，鱼尾的摆动有是由一安装在主结构架上面的尾部驱动舵机来完成的，鱼尾和鱼尾驱动舵机之间用一刚性材料45钢的连接杆相连，驱动舵机和连接杆都是安装在鱼身（树脂材料）里面的，这个链接鱼尾和驱动舵机的连杆通过一U型支架（Q235）与驱动舵机相连接，U型支架与驱动舵机之间通过法兰盘（Q235）、螺丝、销钉相连，U型支架可以在驱动舵机上按一定的角度范围内摆动，这样就可以使得鱼尾摆动，使得整个仿生机器鱼在水中向前移动。 根据以上设计分析，机器鱼机械结构装配图如图2.9所示。 图0.2 仿生鱼机械结构装配图 3.3机器鱼的外壳设计 3.3.1外形设计 外壳的设计应遵循以下原则: （1）外壳设计完成之后，一定要能够实现让机器鱼浮起来，也就是说要让整个鱼的体积比重量大，然后通过增加重量将其调整到相同的重力和浮力； （2）外壳需要能够保证足够好看，并且也要实现减小阻力的作用； （3）外壳必须满足防水要求； （4）满足通信、充电需求。 在机器鱼进行运行工作的时候，为了能够实现机器鱼在运动过程中阻力的减少，就要结交真正的鱼的流线型的外形，并且具体的结构尺寸也是可以根据真实的鱼类的尺寸进行拟定的。并且要根据真是的鱼的比例进行相应的比例设计，最终，拟定的机器鱼的外形以及尺寸结构，就可以从下面的图中看出。 （a） 鱼身流线外形主视图 （b） 鱼身流线外形俯视图 图0.3 鱼身流线外形轮廓 沿X方向垂直于x轴的截面在主俯视视图中通过四条流线曲线交接四个点，这四个点通过花键连接作为鱼体的横截面。在不同的x坐标下制作多个截面，然后通过放样将这些截面连接到机器人鱼的壳表面。 本次课题所设计的机器鱼，在整体的外部形状方面，并不是和真是的鱼类一样的形状，在具体的结构设计中，稍微减少了机器鱼的整体长度，并且也要比真实的鱼更加的宽，能够有更多的空间进行内部结构的安放。这样就能够将机械结构完整的安装到整个机器鱼的内部。并且假如将机器鱼进行分解观看，同时也能够将机器鱼根据结构分成鱼头和鱼身两个部分。而整个机器鱼进行制造过程中所选择的材料需要具有耐腐蚀，重量轻，具有良好的耐磨损性，防水性，透明性和可观察到的内部泄漏等。 选择与X轴垂直的截面为分型面的原因是分型面的形状近似为圆形，使用O形环密封或橡胶密封更为常规和方便。如果选择与 y 轴或 z 轴垂直的截面作为分型面，则密封轮廓不规则，密封困难。 鱼头设计符合美观和减阻的要求。鱼头和鱼体的接缝表面设有沟槽，用于放置O形环或放置密封剂。鱼头模型如下图所示： 图0.4 鱼头结构说明图 鱼眼和头部一体地形成，鱼眼内部三色LED灯，作为一个速度指示器。 3.3.2壳内结构设计 鱼体壁厚3mm，采用树脂材料。为了使壳体具有较高的强度，在壳体中沿鱼体的长度方向和圆周方向增加了加强筋。外壳由树脂材料制成，密度高，强度高，树脂材料（与金属材料相比）对电磁波信号的传输几乎没有影响。 鱼体内设有安装槽，用于定位框架，以确保轴心线在框架上的相对位置和壳体上的孔。 因为壳体的复杂的内部结构，并且因此不适合于移除材料加工，所以使用的选择性激光烧结技术，材料选择，感光树脂材料，从而形成整个壳体时处理。 3.4尾鳍设计 单联机鱼的正向功率均由尾鳍提供，尾鳍的推力大小可与形状、大小、材料等的特性紧密相关，在机器鱼样机中设计尾鳍。而且所有的尾鳍都有相应的槽和螺孔，只要与尾鳍框架配对就可以了，方便多组尾鳍试验，如图2.18所示。 图0.5 尾鳍模型 图0.6 机器鱼三维模型装配图 第四章 关键零部件分析计算 4. 1 齿轮的设计与校核 (1) 齿轮分结构选择。在齿轮所连接的轴上，运动时候所需要的转速不是很高的，结合实际情况最终选择7级精度的直齿圆柱齿轮。 (2) 根据上文选择的齿轮型号，查表可得齿轮的传动效率为96% 则可得 齿轮传递的功率 P =F*v*0.96= (3) 材料的选择 根据表格选择小齿轮的型号，材料等信息，最后结合情况选择出来的齿轮型号是20CrMnTi (调质)并且该型号的硬度为300HBS。大齿轮也是哦你姑姑同样的方式确定，型号：20CrMnTi (调质) 该型号的大齿轮硬度为280HBS (4) 首先初步确定小齿轮和大齿轮的齿数，分别是， 齿轮 (5) 按齿面的接触强度计算 由设计计算公式10-9a进行试算 (4.19) 确定公式内的各计算数值 (1) 试选载荷系数 =1.3 (2) 计算小齿轮传递的转矩 (3) 由表4-1选取齿宽系数 表4-1齿轮齿宽系数表 (4) 由下表查得材料的弹性影响系数 (4.20) (5) 由图4-1 按齿面的硬度查得小齿轮的接触极限 图4-1 齿轮接触疲劳极限 大齿面的接触疲劳极限 (6)计算应力循环次数 (4.21) (7)由表4-2 取接触疲劳寿命系数 表4-2接触疲劳强度系数表 (8) 计算接触疲劳许用应力 取失效为了1%，则安全系数 s=1 (4.22) 计算 (1) 计算小齿轮的分度圆直径。代入较小的值 (2) 计算圆速度 (3) 计算齿宽B (4) 计算齿宽与齿高之比 计算载荷系数 根据 V=1.49 m/s 7级精度。查得动载系数 直齿轮 查得使用系数 由插值法查得7级精度，小齿轮相对支承非对称的布置的，则有 由和查得 故载荷系数 (6) 按实际的载荷系数校正所算的分度圆直径 (4.23) (7) 计算模数 4.4 按齿根弯曲强度设计 (1) 由图4-1 查得的小齿轮的弯曲疲劳强度极限 大齿轮的弯曲强度极限 (2) 由表4-2查得弯曲疲劳寿命系数 (3) 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数S=1.4 得 (4) 计算载荷系数 (4.24) (5) 查取齿形系数 由表4-3查得 (6) 查得应力校正系数 由表4-3查得 表4-3齿形系数表 (7) 计算大，小齿轮的，并加以比较 (4.25) 由此可得大齿轮的值大 设计计算 对比计算结果，并进行分析能够得到齿轮的齿面接触疲劳强度的模数比齿根处的要大。并如果想知道这些数值的模数大小，只要是根据弯曲强度受到的承载能力来确定的。另一方面，整个结构的承载能里的多少，是可以根据之前计算分析得到的疲劳强度能够决定的，并且仅仅通过齿轮的直径也能够进行分析得到可弯曲强度算得的模数5.73，并就近圆整为标准值M=6按接触强度算得的分度圆直径D=175.05 算出小齿轮的齿数 大齿轮的齿数 本发明能够满足齿轮的接触疲劳强度，实现齿轮齿根的弯曲疲劳强度，达到结构紧凑的目的。 4.2 轴的设计与校核 （1）根据上面的电机选型，已知电机的功率为P=40KW，转速N=1470（r/min） 根据以上的电动机的数据，最后确定齿轮材料为30CrMnTi。 根据表15-3，取A=120 则有 (5.1) (n.mm) 。根据轴的最小直径选用直径为20mm， 花键连接的工作长度为25 mm。 （2）选择轴的材料 由于之前计算出的小弧齿分度圆d=80的直径小于=90，为方便使用，轴应与弧齿放在轴上形成齿轮轴，因此轴的材质和齿轮的材质与30crmnti相同 （3）强度较核 轴上的载荷是由与轴相连的部件传递的，不仅是齿轮，还有箱体等物体。当计算时，这些不均匀、分散的力通常集中在一个作用力点上，然后再计算。作用转矩轴通常从传输构件的轮毂的宽度的中心计算的应力被简化成为力学模型，和用于分析和计算能力。 因为弯矩的方向不仅在一个方向上，而且在水平面或垂直面上。可以通过公式进行计算，然后可以根据计算得到的数据进行绘图、分析，最终找到临界点。 计算齿轮上的受力 圆周力 画垂直面得弯矩图： 图4-2 轴的弯矩和扭矩图 故可知道，它是安全的。 第五章 总结 本文在研究真实鱼的尾鳍摆动方式的基础上，按照功能仿生与形态仿生相结合的思想，完成了机器鱼的设计与制造。实验表明，机器鱼运动灵活，游动稳定，浮潜自由，密封可靠，体现了尾鳍推进方式的特点，验证了设计的合理性，总结了本文的工作成果： 1．根据项目要求，通过分析和计算，机器程序鱼的一些合理的机械结构，和某些细节，例如可移动的密封件设计中，电池的布局设计中，鱼的特性，以适应小的局部条件机进行改进设计创新和验证设计的合理性在实验的后期。 2．许多实验，所获得的尾鳍材料，运动和推进的定性参数之间的几何关系，这种关系可归纳如下：在一定范围内，打火机尾部的质量翅片，面积越大，则摆动的频率越高，所产生的更大的推进力。 3． 根据2中的定性关系，设计了以聚氯乙烯为原料，模仿鲤鱼尾鳍形状的高推进效率尾鳍。该尾鳍在功率为1.88W的直流电机的驱动下可推进质量为700g的机器鱼实现0.27m/s的最大前进速度。 参考文献 [1] C.Nicholson,R.Ryan. 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