空间尾摆控制及结构优化设计(附件)【字数：10508】
摘 要摘 要近些年来，对于仿生机器鱼的研究已经逐渐成为了一个热点。相比于其他传统的水下机器人，仿生机器鱼仿照鱼类的特征，在前进时拥有游速高，效率高，性能优秀，噪声低等特点，这些特点使机器鱼在实际应用中拥有得天独厚的优势，其发展潜力巨大。机器鱼是一项结合了许多不同科学领域的研究项目，其中包括数学、仿生学、水动力学、控制理论、计算机科学、机械学、传感器技术、材料学等。本篇论文首先对机器鱼研究现状进行简单的叙述和分析，然后在此基础上，对机器鱼的运动和控制进行了研究。本文总共分为以下几个部分第一部分，简述了目前对机器鱼研究的国内外现状及研究意义，同时还提出了在机器鱼研究中出现的几个技术难点。第二部分介绍了几种典型的机器鱼尾摆驱动机构。在这些机构的基础上，设计出了本次设计使用的并联双摇杆五杆机构。随后对该机构的运动原理进行说明并进行了运动学分析的介绍。第三部分首先对机械结构优化设计进行说明。随后根据优化设计中目标函数、约束条件、已知条件和优化结果这几个要素，对五杆驱动机构的杆长进行优化设计，防止在机构摆动过程中出现杆与杆之间的干涉。第四部分主要讲述机器鱼尾鳍摆动推进机构的控制系统设计，分别从硬件和软件两个方面进行介绍，最终实现机器鱼在水中游动的动作。关键词仿生机器鱼；尾鳍；结构优化；控制系统
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外研究现状和发展趋势 1
1.2.1鱼类游动机理研究进展 1
1.2.2国外研究现状 2
1.2.3国内研究现状 3
1.2.4 机器鱼研究的技术难点 4
1.3 研究目的和意义及本文主要内容 5
1.3.1 研究目的和意义 5
1.3.2 本文主要内容 6
第二章 尾部驱动机构的设计 7
2.1引言 7
2.2典型的驱动机构设计方案 7
2.2.1 圆盘带销槽副机构 7
2.2.2 齿轮齿条机构 8
2.3 驱动机构的原理设计 9
2.4 五杆机构运动分析 11
2.5总结 14
第三章 尾摆推进机构的优化设计 15
3.1 引言 15 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
3.2 机构优化设计 15
3.2.1数学模型的建立 17
3.2.2 约束条件 20
3.2.3 优化结果 23
3.3 总结 24
第四章 尾鳍摆动推进机构的控制 25
4.1 引言 25
4.2硬件设计 25
4.2.1 舵机 26
4.2.2 SIM808主控板 28
4.2.3 DFRobot IO传感器扩展板 29
4.3 软件设计 30
4.4总结 31
结 论 32
参考文献 33
致 谢 34
第一章 绪论
1.1 引言
当前，世界正处在产业革命和新科技革命的交汇点上。随着信息、生命、纳米、材料等技术的快速发展，科学技术技术进入了一个蓬勃发展的阶段，对经济社会的发展也起到了推动作用。随着信息化、工业化不断融合，以机器人科技为代表的智能产业快速崛起，成为现代科技创新的一个重要标志。
机器人广泛的应用范围是它的一个重要特点。随着海洋事业的快速发展，水下机器人的研发成为了各个国家关注的重点。水下资源的勘探与开采、沉船的救助与打捞、军事活动等各个方面，水下机器人都展现出了巨大的应用前景与潜在价值。水下机器人拥有各种不同的水下运动方式，如步行式，浮游式以及移动式等。其中最为高效的一种便是浮游式，但是水下工作环境的特殊性与复杂性，对于水下机器人的设计与控制提出了更高的要求。仿生机器鱼便在这个时候出现在了人们的视野中。
仿生学一词最早是在1960年由美国人斯蒂尔根据拉丁文“bios”（生命方式的意思）和词尾“nic”（具有性质的的意思）合成的。在自然界中，许多生物所具备的功能是我们人类制造的机械设备仍然无法实现的，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。人类的进化就是一个不断地从大自然中获得知识，并进行模仿的过程。鱼在大自然数百万年的选择压力下，已经形成了一套完善的运动模式。鱼产生的推力以及从水中收到的阻力，比我们最好的螺旋桨驱动的水下机器人都要有效的多。因此，科学家们在鱼的身上看到了巨大的前景，各个国家也将对仿生机器鱼的研究列入了重要研究对象中。相信在不久的未来，仿生机器鱼的应用将会越来越广泛，它将在海洋事业这个大舞台上展现自己更大的价值。
1.2 国内外研究现状和发展趋势
1.2.1鱼类游动机理研究进展
研究人员首先对各种不同鱼类的游动进行了大量的观察，并记录数据进行分析，创建了对应的推进理论。根据采用的主要作用了的区别，科学家们将波动推进理论分成抗力理论与反作用理论两种，抗力理论主要依靠水的粘性力作用，而反作用理论主要关注机器鱼在无粘性流体中身体波动时产生的惯性力。反作用理论在近几年以来得到了快速的发展，其中已经应用于实际且相对比较完善的有细长体理论、波动板理论以及作动盘理论这三种。
1.2.2国外研究现状
我国对于机器鱼的研究开展时间较晚。早期的机器鱼研究主要集中在美国、日本等一些国家，其中美国麻省理工大学，日本东海大学等拥有较大的优势。
日本名古屋大学的福田等人在1991年研制了运用压电体来进行驱动的卫星仿胸鳍模式的驱动机器人与运用形状记忆合金进行驱动的身体波动式水下推进器；
美国麻省理工大学的传塔菲罗等人在1994年研制出了世界上真正意义上的第一条仿生机器鱼“RoboTuna”，这是一条身长约1.2米的机械金枪鱼，它通过2843个零件组装而成，骨架使用铝合金制成，多台2马力无刷直流伺服电机、电路和轴承在机器鱼内部组成驱动系统。“RoboTuna”能够像真实的鱼一样在水中游动，游动速度可以达到7.2公里每小时，推进效率高达91%，它对今后对机器鱼的研究起到的至关重要的作用。
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图11 RoboTuna
美国麻省理工大学又在1995年研制出了机器鱼“RoboPike”，这个机器鱼的优点便是具有较好的加速能力，它能够从静止状态在短时间内达到一个理想的速度，使机器鱼在机动性能方面的研究上迈出了重要一步。
日本的加藤等人在1996年对黑色鲈鱼的胸鳍游动原理进行研究，分析了鲈鱼的游动状态和动作姿态之间的关系，并且研制出了试验样机，这个样机可以通过PC机来进行控制，从而达到使其实现鱼类游动动作的目的。
日本三菱公司在1999年耗费100万美元的巨资研制出一条仿腔棘鱼类的机器鱼，长约70厘米，重12千克，游速可达到0.25米每秒，机器鱼带有胸鳍与后腹鳍，通过PC机从外部进行控制，由内部电池进行供电，并能够自动感知电压是否充足，推进力的产生与方向的控制则是由硅树脂橡胶制成的弹性尾鳍来完成。同一年，日本东京工业大学也研制出了一条有两个关节推进且具有自主驱动功能的机器海豚，长1.75米，游速达1.15米每秒，与真实海豚的大小非常的接近。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外研究现状和发展趋势 1
1.2.1鱼类游动机理研究进展 1
1.2.2国外研究现状 2
1.2.3国内研究现状 3
1.2.4 机器鱼研究的技术难点 4
1.3 研究目的和意义及本文主要内容 5
1.3.1 研究目的和意义 5
1.3.2 本文主要内容 6
第二章 尾部驱动机构的设计 7
2.1引言 7
2.2典型的驱动机构设计方案 7
2.2.1 圆盘带销槽副机构 7
2.2.2 齿轮齿条机构 8
2.3 驱动机构的原理设计 9
2.4 五杆机构运动分析 11
2.5总结 14
第三章 尾摆推进机构的优化设计 15
3.1 引言 15 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
3.2 机构优化设计 15
3.2.1数学模型的建立 17
3.2.2 约束条件 20
3.2.3 优化结果 23
3.3 总结 24
第四章 尾鳍摆动推进机构的控制 25
4.1 引言 25
4.2硬件设计 25
4.2.1 舵机 26
4.2.2 SIM808主控板 28
4.2.3 DFRobot IO传感器扩展板 29
4.3 软件设计 30
4.4总结 31
结 论 32
参考文献 33
致 谢 34
第一章 绪论
1.1 引言
当前，世界正处在产业革命和新科技革命的交汇点上。随着信息、生命、纳米、材料等技术的快速发展，科学技术技术进入了一个蓬勃发展的阶段，对经济社会的发展也起到了推动作用。随着信息化、工业化不断融合，以机器人科技为代表的智能产业快速崛起，成为现代科技创新的一个重要标志。
机器人广泛的应用范围是它的一个重要特点。随着海洋事业的快速发展，水下机器人的研发成为了各个国家关注的重点。水下资源的勘探与开采、沉船的救助与打捞、军事活动等各个方面，水下机器人都展现出了巨大的应用前景与潜在价值。水下机器人拥有各种不同的水下运动方式，如步行式，浮游式以及移动式等。其中最为高效的一种便是浮游式，但是水下工作环境的特殊性与复杂性，对于水下机器人的设计与控制提出了更高的要求。仿生机器鱼便在这个时候出现在了人们的视野中。
仿生学一词最早是在1960年由美国人斯蒂尔根据拉丁文“bios”（生命方式的意思）和词尾“nic”（具有性质的的意思）合成的。在自然界中，许多生物所具备的功能是我们人类制造的机械设备仍然无法实现的，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。人类的进化就是一个不断地从大自然中获得知识，并进行模仿的过程。鱼在大自然数百万年的选择压力下，已经形成了一套完善的运动模式。鱼产生的推力以及从水中收到的阻力，比我们最好的螺旋桨驱动的水下机器人都要有效的多。因此，科学家们在鱼的身上看到了巨大的前景，各个国家也将对仿生机器鱼的研究列入了重要研究对象中。相信在不久的未来，仿生机器鱼的应用将会越来越广泛，它将在海洋事业这个大舞台上展现自己更大的价值。
1.2 国内外研究现状和发展趋势
1.2.1鱼类游动机理研究进展
研究人员首先对各种不同鱼类的游动进行了大量的观察，并记录数据进行分析，创建了对应的推进理论。根据采用的主要作用了的区别，科学家们将波动推进理论分成抗力理论与反作用理论两种，抗力理论主要依靠水的粘性力作用，而反作用理论主要关注机器鱼在无粘性流体中身体波动时产生的惯性力。反作用理论在近几年以来得到了快速的发展，其中已经应用于实际且相对比较完善的有细长体理论、波动板理论以及作动盘理论这三种。
1.2.2国外研究现状
我国对于机器鱼的研究开展时间较晚。早期的机器鱼研究主要集中在美国、日本等一些国家，其中美国麻省理工大学，日本东海大学等拥有较大的优势。
日本名古屋大学的福田等人在1991年研制了运用压电体来进行驱动的卫星仿胸鳍模式的驱动机器人与运用形状记忆合金进行驱动的身体波动式水下推进器；
美国麻省理工大学的传塔菲罗等人在1994年研制出了世界上真正意义上的第一条仿生机器鱼“RoboTuna”，这是一条身长约1.2米的机械金枪鱼，它通过2843个零件组装而成，骨架使用铝合金制成，多台2马力无刷直流伺服电机、电路和轴承在机器鱼内部组成驱动系统。“RoboTuna”能够像真实的鱼一样在水中游动，游动速度可以达到7.2公里每小时，推进效率高达91%，它对今后对机器鱼的研究起到的至关重要的作用。
//
图11 RoboTuna
美国麻省理工大学又在1995年研制出了机器鱼“RoboPike”，这个机器鱼的优点便是具有较好的加速能力，它能够从静止状态在短时间内达到一个理想的速度，使机器鱼在机动性能方面的研究上迈出了重要一步。
日本的加藤等人在1996年对黑色鲈鱼的胸鳍游动原理进行研究，分析了鲈鱼的游动状态和动作姿态之间的关系，并且研制出了试验样机，这个样机可以通过PC机来进行控制，从而达到使其实现鱼类游动动作的目的。
日本三菱公司在1999年耗费100万美元的巨资研制出一条仿腔棘鱼类的机器鱼，长约70厘米，重12千克，游速可达到0.25米每秒，机器鱼带有胸鳍与后腹鳍，通过PC机从外部进行控制，由内部电池进行供电，并能够自动感知电压是否充足，推进力的产生与方向的控制则是由硅树脂橡胶制成的弹性尾鳍来完成。同一年，日本东京工业大学也研制出了一条有两个关节推进且具有自主驱动功能的机器海豚，长1.75米，游速达1.15米每秒，与真实海豚的大小非常的接近。
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