魚類的形體結(jié)構(gòu)與機器魚的游動機構(gòu)設計

魚類的形體結(jié)構(gòu)與機器魚的游動機構(gòu)設計,魚類的形體結(jié)構(gòu)與機器魚的游動機構(gòu)設計,魚類,形體,結(jié)構(gòu),機器,游動,機構(gòu),設計 單位代碼 學 號 分 類 號 密 級 魚類的形體結(jié)構(gòu)與機器魚的游動機構(gòu)設計 院（系）名稱 專業(yè)名稱 學生姓名 指導教師 2012年 5 月 10 日 第IV頁 魚類的形體結(jié)構(gòu)與機器魚的游動機構(gòu)設計 摘要 機器人技術的一個重要應用領域是在娛樂方面。在對魚類游動方式深入研究的基礎上，將仿魚水下推進技術應用于玩具設計，給出了一種仿生機器魚玩具的機構(gòu)設計方案及系統(tǒng)的設計、仿真軟件，并研制出可在水中運動的仿生機器魚原型。仿生機器魚是當前機器人領域的研究熱點。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、機動性能好以及對環(huán)境擾動小等優(yōu)點，仿生機器魚技術的研究已成為當前水下機器人領域研究的熱點之一。它為研制高效、高機動性和低噪聲的水下運載器提供了新的設計思路。1944年美國麻省理工學院（MIT）成功研制了一個電機驅(qū)動的 8 關節(jié)新月形對稱尾鰭的機器金槍魚RoboTuna，開啟了機器魚研制的先河，其后多個研究單位都開始了機器魚的研究與研制，如：日本運輸省船舶研究所（SPI）研制了PF系列和UPF系列機器魚，國內(nèi)北京航空航天大學研制了5 關節(jié)機器海豚等。 關鍵詞：仿魚推進；仿生機器魚； 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設計思想 1 1.3尾部擺動機構(gòu)三維圖 2 1.4 懸浮機構(gòu)三 4 第二章機構(gòu)原理 6 2.1設計構(gòu)思 6 2.2擺動機構(gòu)設計 7 2.3魚類游動的運動學模型及特征參數(shù) 9 2.4 機器魚驅(qū)動源選擇 10 2.5 尾部彈性設計 11 2.6 轉(zhuǎn)彎設計 11 2.7 沉浮機構(gòu)設計 12 2.8 骨架及密封設計 12 2.9 自由度選擇與分段設計方案 14 2.9.1軀干設計 14 2.9.2 頭部設計 14 第三章 機器魚控制系統(tǒng)設計 16 3.1 遙控器及霍爾元件模塊 16 3.2 機器魚電源模塊設計 16 3.3 電機及電磁閥驅(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 29 致 謝 31 第29頁 第一章 緒 論 1.1研究意義 21世紀是海洋的世紀,加上由于各種技術的全面發(fā)展帶動了機器人技術的發(fā)展，對于在海洋開發(fā)和相關領域中運用機器人技術已引起了各方面的重視。并且隨著海洋開發(fā)的進展，一般的潛水技術已無法適應現(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，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，突破當今專一的運輸方式和水下推進方式，已成為一個熱門研究課題。當今，已有一些研究機構(gòu)模擬魚類游動原理和其生理構(gòu)造研究制造魚形機器人，它也叫人工機器魚（robofish）。 本文擬利用單片機AT89S8252來制作完成模擬魚基本動作的魚形機器人。 研制機器魚具有廣泛的現(xiàn)實意義，它可以更逼真的模擬魚的游動原理，使水下的機器人運動更符合流體力學原理，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；可以通過研制機器魚這個實驗平臺來研究魚的運動原理和魚類運動所依附的流體力學原理；而且它以泳動方式運動，解決了螺旋槳的噪聲問題；構(gòu)造要比一般的水下推進器簡單，制作和使用成本都較低；能源利用率高，作業(yè)時間長；當給相同的電能時，機器魚能夠比自制的潛艇游的更遠；無需生命維持保障設備，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。機器魚的應用領域有：魚類展覽；相關的機器人競賽（robofishcup）；配合其它器件，可用于勘探和救生；相關科研領域等。 1.2 機器魚研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀 第二章 機器魚游動機理及驅(qū)動模式 2.1魚類游動的運動學模型及特征參數(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方式的魚類進行了研究，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；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；為身體波的頻率機器魚的游動機理依據(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，認為魚體之所以能夠前進,是由于脊椎曲線帶動它所包絡的流體向后噴出,產(chǎn)生推力。我們認為魚體在水中作波動運動,其游動形態(tài)類似一列正弦波。機器魚依靠動力機構(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運動。我們選擇了四連桿機構(gòu)將電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成為擺桿的往復運動。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。為了將四連桿機構(gòu)固定在魚體內(nèi)，我們特意設計了支撐架。將曲柄設計成圓盤，用于支撐連桿與擺桿；再將曲柄軸固定在支撐架上；同時，電機也固定在支撐架上，電機軸與曲柄軸通過聯(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行擺動，由于機器魚是由多個僵硬的連桿鉸接組成，為實現(xiàn)波動運動，每個關節(jié)點 必須在理論曲線上。當前關節(jié)與前一關節(jié)的延長線在連接處產(chǎn)生一個夾角，骨架的運動就是在驅(qū)動電機帶動下，通過改變夾角的值來產(chǎn)生的。 2.2 機器魚的驅(qū)動模式 雖然魚類的種群繁多，但大多數(shù)魚類的推進部位顯示出相似的形態(tài)學特征。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，采用尾鰭推進的魚類在游動時通過其脊椎曲線的波動產(chǎn)生推進力，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。 機器魚機械結(jié)構(gòu)設計激勵電場，介質(zhì)將產(chǎn)生機械變形，稱逆壓電效應。通過對壓電陶瓷的逆壓電效應進行利用，對其施加電壓，即可以用來對機器魚進行驅(qū)動。壓電陶瓷的變形精度高，響應非?？?，但是也有它的缺點，首先當形變增大時，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構(gòu)，最后，壓電陶瓷要求的驅(qū)動電壓較高，達到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。人工肌肉由導電高分子材料集束在一起制成的像肌肉一樣的復合體，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成熟因素方面考慮，我們最終選擇了使用電機作為驅(qū)動源。 電機按工作電源種類劃分：可分為直流電機和交流電機。在機器魚系統(tǒng)中，交流電源難以獲取，只能選擇直流電機。直流電機又可分為有刷電機和無刷電機，無刷電機是一種比較新型的電機，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的體積與重量，所以無刷電機主要在設計大型機器魚的時候使用，不適合用于我們的小型機器魚之中。普通直流電機和無刷電機類似，僅僅省去了驅(qū)動電路部分，體積仍然很大，考慮到機器魚的體積限制以及所需力矩并不太大，有一種電機正好符合要求，那就是舵機。舵機主要是由外殼、電路板、無核心馬達、齒輪與位置檢測器所構(gòu)成。其工作原理是由接收機發(fā)出訊號給舵機，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，機器魚機械結(jié)構(gòu)設計判斷是否已經(jīng)到達定位。位置檢測器其實就是可變電阻，當舵機轉(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。舵機是一種角度伺服電機，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，能夠滿足機器魚的設計要求。 2.3機器魚驅(qū)動源選擇 機器魚機械結(jié)構(gòu)設計在進行機械結(jié)構(gòu)設計之前，首先要選擇合適的驅(qū)動源。這樣才能為相應的驅(qū)動源設計其傳動及支撐機構(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，難以用來設計微型機器魚，但是材料容易獲取，在一般機器魚的設計中使用較多。 1.電機驅(qū)動。利用電機產(chǎn)生力矩，直接或經(jīng)減速機構(gòu)驅(qū)動機器魚關節(jié)。它的特點技術成熟、精度較高，成本低。為提高精度，可以使用伺服電機。目前研制出的機器魚，使用電機驅(qū)動的方式最多。不過，電機驅(qū)動也有它固有的缺點，那就是體積大，重量大，驅(qū)動關節(jié)時需要傳動機構(gòu)，體積上難以縮減，比較難以用來設計微型機器魚。 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。不適合用在機器魚之中。 3.氣壓驅(qū)動。利用氣缸可以實現(xiàn)高速直線運動，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，不適合利用在機器魚的設計之中。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，可以用來設計微型的 機器魚，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，能夠回復到變形前的形狀，這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應。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，例如在重復運動過程中記憶效應會退化，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，所以一般機器魚設計中不太適用。 2.壓電陶瓷。壓電陶瓷是一種能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，屬于無機非金屬材料。這是一種具有壓電效應的材料，所謂壓電效應是指某些介質(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。 2.4擺動機構(gòu)設計 魚類游動的仿生主要是在研究魚類的波動推進理論的基礎上，對魚類游動方式進行仿生，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)進行簡化的基礎上，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)學模型。魚類與游動特征相關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，機動性能降低。 2) 擺動部分簡化關節(jié)數(shù)（n）。擺動關節(jié)數(shù)n越大，其身體的游動靈活性越高。 3) 擺動關節(jié)各個關節(jié)之間的長度比例（L1：L2：．．．．．．：Ln）。關節(jié)長度相對短的位。 其關節(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尾部彈性設計 尾部波動的形成，還要求尾部是一個彈性體，這樣擺動機構(gòu)的擺動才能夠形成一束波向后傳播，推動包絡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)，太硬會導致?lián)p耗太多的電機功率，而太軟又無法保持魚的形體。由于關節(jié)數(shù)目有限，機器魚整個身體的運動比較生硬，不能產(chǎn)生平滑的過渡，這在水中游動時將產(chǎn)生多余的水動力學阻力，降低機器魚的游動效率。為此我們在進行機器魚模型設計時需要在機器魚的骨架外側(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。通過彈性魚皮對關節(jié)擺動角度的連續(xù)過度，行到了較為平滑的機器魚實際身體中心線 2.6轉(zhuǎn)彎設計 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。幫助擺動機構(gòu)停留在轉(zhuǎn)彎位置的是霍爾傳感器。當機構(gòu)運行到轉(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，然后由單片機控制電機停轉(zhuǎn)使擺桿停留在指定位置。這樣，當魚由于慣性前進時，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沉浮機構(gòu)設計 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”采用雙電機驅(qū)動氣缸，在其往復做功的工程中，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 沉浮機構(gòu)原理圖 2.8 骨架及密封設計 機器魚尼莫的外形是模仿金槍魚而設計的，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，便于安裝其他機構(gòu)。 機器魚的防水是一個難點。普通的航海設備可以采用金屬外殼防水，而機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，需要對機器魚的多個關節(jié)的機構(gòu)尺寸進行參數(shù)優(yōu)化。 優(yōu)化目標：minfXX=[I1,I2,…..In] Ｓ為理論曲線與實際曲線所形成的包絡區(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。通過對關節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化，得到按照波動方程Ybody（x，t）進行游動的仿生機器參數(shù)的輸入與輸出。 設計的輸入?yún)?shù)有： 1) 與機器魚結(jié)構(gòu)相關的靜態(tài)參數(shù)有：機器魚關節(jié)數(shù)ｎ，擺動部長度占身體總長度的比例r，擺動各關節(jié)之間的長度比例L1：L2：．．．．．．：Ln。 2) 與游動類型相關的動態(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) 機電系統(tǒng)的限制參數(shù)：各關節(jié)最小長度L1-min，各關節(jié)驅(qū)動電機的轉(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計方案 2.9.1軀干設計 現(xiàn)有的機器魚自由度設計方案中，最簡單的為單自由度，復雜的可以達到六個自由度以上。一般來說，自由度越大，魚體運動的平滑性就越好，對真魚的模擬效果也更好。但自由度越大，體積就會相應越大。同時，自由度增加，各個關節(jié)之間的協(xié)調(diào)控制也更加困難，也就導致控制難度的增加，在控制水平達不到的情況下，其真正的運動效果并不理想。單關節(jié)機器魚的結(jié)構(gòu)雖然簡單，但運動姿態(tài)過于生硬，因此不予采用。兩關節(jié)機器魚，可以較好的模擬魚類的運動姿態(tài)，控制上也比較簡單，因為關節(jié)較少。 機器魚機械結(jié)構(gòu)設計體積可以壓縮到一個可承受的范圍內(nèi)，因此，最終選擇兩個關節(jié)作為我們機器魚的設計方案。在機器魚的設計中，密封防水一直是一個比較嚴重的問題。為了解決防水問題，并且使機器魚系統(tǒng)設計更具有模塊化的特點，我們采用了三段式的設計方法。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。中部主要放置舵機與電池，并包括傳動與固定機構(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與電池直接采用五根導線連接，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，整個魚的頭部應該設計成空殼形式的。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該盡量的薄。魚頭內(nèi)的元器件對水都非常敏感，嚴重情況下可能會導致電路短路，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，魚頭整體應該是流線型，符合大多數(shù)魚類的外形結(jié)構(gòu)。雖然在設計上，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。魚頭上的傳感器應該安裝在魚頭的外部，這樣才能準確檢測到障礙物。為了將傳感器信號引入，應該在魚頭上打孔。 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，再壓墊片進行防水 第三章 機器魚控制系統(tǒng)設計 由于機器魚控制系統(tǒng)較為復雜，為了方便設計，本項目設計中采用了模塊設計的思想，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，當尾部擺到極限位置時，霍爾元件將反饋給單片機一個信號，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 機器魚電源模塊設計 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。另外尾部電機的驅(qū)動電壓為24V，所以需要一個24V的電源，本次設計中用20節(jié)1.2V的鎳氫電池串聯(lián)起來使用，也配有相應的充電器。另外，驅(qū)動沉浮機構(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行比較運算，輸出一個方波，該方波再通過一塊電機驅(qū)動模塊L293D來驅(qū)動電機及電磁閥。 電機及電磁閥驅(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 機器魚游動機構(gòu)設計及零件加工 我們此次設計的是機器魚的尾部擺動機構(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、轉(zhuǎn)向等。魚尾部的左右擺動幅度要均衡，我們以前設計的魚尾部機構(gòu)采用擺動連桿機構(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構(gòu)，它可以有效地達到我們所需目的，只需設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器來實現(xiàn)，而我們現(xiàn)有的設備不能滿足要求。所以我們最終又回歸到我們的連桿機構(gòu)上來。其實只要我們將連桿機構(gòu)的尺寸設計適當，就同樣可以達到避開急回特性的目的。而且這種機構(gòu)所需加工設備都是我們平時常用的設備，易于操作，且加工方便。 4.1尾部擺動機構(gòu)設計 4.1.1尾部擺動機構(gòu)三維圖 ?? 總體結(jié)構(gòu) 電機 電機是預先選擇好的, 24V，36r/min。 連軸器 連接電機軸和圓盤軸而設計的 圓盤 連桿及搖桿 階梯軸 套筒 4.1.2 懸浮機構(gòu)三 零 件 總 圖 接 圓 盤 方 底 座 接 支 架 梯 軸 園 盤 4.2 機器魚游動機構(gòu)的零件加工 機器魚尾部擺動機構(gòu)，從重量上分析應該盡量輕，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，這給了我們極大的教訓。在數(shù)控車床上，理論上是可以用鉆頭打中心孔的。當我們用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)時嚴重偏心，尤其在鉆孔時，鋁棒抖動特別嚴重，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。而我們設計的支架形狀有較為復雜，故加工程序較顯得較為冗長。因重復操作較多，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。但是在機器操作過程中，機器會突然出現(xiàn)掉電現(xiàn)象，或是一些莫名的原因?qū)е聶C器誤操作，這就使我們必須時刻待在機床旁邊，并隨時準備對刀和修改程序。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，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，且要保證劃線的準確度。在其次是攻絲，攻絲時需進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 本次機械設計課程設計和先進制造的綜合實踐是對我們設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。本文提出兩個機械創(chuàng)新設計思維原則： 一是最短路徑原則。設計者得到產(chǎn)品的功能要求后，往往首先檢索出最佳設計實例，這樣可以最迅速接近目標，然后運用價值工程方法，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。要用計算機系統(tǒng)來輔助設計師從自然界中發(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械產(chǎn)品實例中挖掘相似性，以促進機械創(chuàng)新設計。 機械設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椖俊Ｍ凰饕牟煌愃饕椖恐g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)驗豐富的設計師通常記憶有大量的設計實例，因而掌握縱向及橫向相似性，所以能迅速地進行橫向及縱向的聯(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）并進行組合優(yōu)化，最后得到最優(yōu)解。這兩項原則已被多種設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系，使設計師可根據(jù)功能要求找到適當?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，要特別感謝我的導師孔令云的指導與督促，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。感謝他對我進行了耐心的指導和幫助，提出嚴格要求，引導我不斷開闊思路，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)了良好的實驗習慣和科研精神。在此，我向我的指導老師表示最誠摯的謝意！求學歷程是艱苦的，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?。然后還要感謝大學四年來所有的老師，為我們打下機械設計制造及其自動化專業(yè)知識的基礎。同時也要感謝機械系08級機電三班班全體同學，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 [1] Michael Sfaliotakis, David M.lane, J.Bruce, C.Davies. 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