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机械设计智能机器鱼设计与制作

更新时间:2007-10-20:  来源:毕业论文
机械设计智能机器鱼设计与制作|机械设计课程设计

机械设计课程设计_"智能机器鱼"设计与制作

作者:王春健 梁健 付月明 关鸿耀

目 录

 第一章   产品综述... 1

1.1 研究意义... 1

1.2 设计思想... 1

1.3 尾部摆动机构三维图... 2

1.4 沉浮机构三维图... 4

1.5  实物图... 5

第二章 机构原理... 7

2.1 设计构思... 7

2.2  摆动机构设计... 7

2.3  尾部弹性设计... 8

2.4  转弯设计... 8

2.5  沉浮机构设计... 8

2.5  骨架及密封设计... 9

第三章  机器鱼控制系统设计... 10

3.1  遥控器及霍尔元件模块... 10

3.2  机器鱼电源模块设计... 10

3.3  电机及电磁阀驱动模块... 11

第四章  零件加工... 13

4.1 各个零件的加工方法... 13

4.2 部分零件加工NC代码... 13

4.3 加工中的问题及解决方案... 16

第五章  机构装配... 18

5.1 摆动机构装配过程... 18

5.2 沉浮机构装配过程... 19

第六章 总结与体会... 20

第一章   产品综述

1.1 研究意义

21世纪是海洋的世纪,加上由于各种技术的全面发展带动了机器人技术的发展,对于在海洋开发和相关领域中运用机器人技术已引起了各方面的重视。并且随着海洋开发的进展,一般的潜水技术已无法适应现代高深度综合考察和研究、完成各种作业的需要。但在现实中都是利用螺旋桨来推动船前进,而是否能利用鱼类的游动原理来做出比具有螺旋桨更快和更低噪声的水下推行器,突破当今专一的运输方式和水下推进方式,已成为一个热门研究课题。当今,已有一些研究机构模拟鱼类游动原理和其生理构造研究制造鱼形机器人,它也叫人工机器鱼(robofish)。本文拟利用单片机AT89S8252来制作完成模拟鱼基本动作的鱼形机器人。

研制机器鱼具有广泛的现实意义,它可以更逼真的模拟鱼的游动原理,使水下的机器人运动更符合流体力学原理,具有更好的加速和转向能力,利用它们可以探测海洋,寻找和检测海域中受污染的地方,也可以用来勘探地形;可以通过研制机器鱼这个实验平台来研究鱼的运动原理和鱼类运动所依附的流体力学原理;而且它以泳动方式运动,解决了螺旋桨的噪声问题;构造要比一般的水下推进器简单,制作和使用成本都较低;能源利用率高,作业时间长;当给相同的电能时,机器鱼能够比自制的潜艇游的更远;无需生命维持保障设备,可以小型化;且对人没有任何危险.等。另外在娱乐方面具有良好的发展前景, 例如水族馆等。机器鱼的应用领域有:鱼类展览;相关的机器人竞赛(robofishcup);配合其它器件,可用于勘探和救生;相关科研领域等。

1.2 设计思想 

先进制造技术是一门综合性课程,它涵盖了机械设计、金属切削原理与刀具、机械制造工艺学、计算机辅助设计与制造、计算机图形学、三维几何建模技术和机电产品参数化实体造型等课程的相关内容。先进制造技术综合实验以实际工程产品为原型,有针对的锻炼学生运用所学的相关课程的基本知识,分析问题,解决问题,提高学生的开发创新能力。

本实验由产品造型与设计实验、数控加工编程实验以及综合性实验组成。我们此次设计的是机器鱼的尾部摆动机构。我们日常生活所见的鱼大都主要靠尾鳍的摆动来实现自由游动的,所以我们设计的鱼也因袭了鱼的这一生理特点,通过控制鱼尾部的摆动来实现鱼的前进、转向等。鱼尾部的左右摆动幅度要均衡,我们以前设计的鱼尾部机构采用摆动连杆机构,因为其存在急回特性,所以鱼在游动过程中因为摆速不平衡,常自己自动转弯。为了避开这一特性,我们最初选择了采用凸轮机构,它可以有效地达到我们所需目的,只需设计凸轮上凹槽的形状即可,但要加工这个凸轮需要三维的机器来实现,而我们现有的设备不能满足要求。所以我们最终又回归到我们的连杆机构上来。其实只要我们将连杆机构的尺寸设计适当,就同样可以达到避开急回特性的目的。而且这种机构所需加工设备都是我们平时常用的设备,易于操作,且加工方便。

1.3 尾部摆动机构三维图

 

 

 

 

总装图

 

 

 

电机

电机是预先选择好的。24v,36r/min

 

 

 

连轴器

连接电机轴和圆盘轴而设计的

 

 

圆盘

 

连杆及摇杆

 

阶梯轴

 

 

套筒

 

 

 

 

 

1.4 沉浮机构三维图

 

 

 

 

总 装 图

 

 

 

连 接 盘

 

 

 

底  座

 

 

 

支  架

 

 

 

阶 梯 轴

 

 

 

带 孔 圆 盘

 

1.5  实物图

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第二章 机构原理

2.1 设计构思 

我们此次设计的是机器鱼的尾部摆动机构。我们日常生活所见的鱼大都主要靠尾鳍的摆动来实现自由游动的,所以我们设计的鱼也因袭了鱼的这一生理特点,通过控制鱼尾部的摆动来实现鱼的前进、转向等。鱼尾部的左右摆动幅度要均衡,我们以前设计的鱼尾部机构采用摆动连杆机构,因为其存在急回特性,所以鱼在游动过程中因为摆速不平衡,常自己自动转弯。为了避开这一特性,我们最初选择了采用凸轮机构,它可以有效地达到我们所需目的,只需设计凸轮上凹槽的形状即可,但要加工这个凸轮需要三维的机器来实现,而我们现有的设备不能满足要求。所以我们最终又回归到我们的连杆机构上来。其实只要我们将连杆机构的尺寸设计适当,就同样可以达到避开急回特性的目的。而且这种机构所需加工设备都是我们平时常用的设备,易于操作,且加工方便。

2.2  摆动机构设计

机器鱼的游动机理依据“波动理论”,模仿金枪鱼的外形,依靠身体的后半部分和尾部摆动而游动。所谓“波动理论”主要以鱼的脊椎曲线为研究对象,认为鱼体之所以能够前进,是由于脊椎曲线带动它所包络的流体向后喷出,产生推力。我们认为鱼体在水中作波动运动,其游动形态类似一列正弦波。机器鱼依靠动力机构使尾巴左右等幅摆动,从而在水中形成一列正弦波,推动鱼体游动,进而完成鱼儿的各种动作。

尾部波动的形成,需要两个必要的因素。首先要有一个振源,也就是说,需要尾部产生一个周期性的往复运动。我们选择了四连杆机构将电机的转动转换成为摆杆的往复运动。为了能够等幅摆动,不产生急回特性,我们选择了III型曲柄摇杆机构,根据其摆动的幅度,确定了各杆件的长度,考虑到鱼体内的空间有限,确定摆动角为40°,曲柄长度为13.5mm,连杆为15mm,摆杆为100mm。为了将四连杆机构固定在鱼体内,我们特意设计了支撑架。将曲柄设计成圆盘,用于支撑连杆与摆杆;再将曲柄轴固定在支撑架上;同时,电机也固定在支撑架上,电机轴与曲柄轴通过联轴器相连;最后,将支撑板固定在鱼体上,完成整个固定工作。

2.3  尾部弹性设计

尾部波动的形成,还要求尾部是一个弹性体,这样摆动机构的摆动才能够形成一束波向后传播,推动包络在周围的水以获得向前的动力。因此,我们选择用弹性适中的弹簧来作为尾部的主要构架。弹簧的刚性需控制在一定范围内,太硬会导致损耗太多的电机功率,而太软又无法保持鱼的形体。

2.4  转弯设计

尼莫的转弯原理参考了真鱼的动作,主要依靠尾部的偏转以及游动的惯性。帮助摆动机构停留在转弯位置的是霍尔传感器。当机构运行到转弯位置时,霍尔传感器将产生一个低电平跳变信号输出给单片机,然后由单片机控制电机停转使摆杆停留在指定位置。这样,当鱼由于惯性前进时,摆杆所停留的一边所受的阻力较大,从而使鱼朝某一方向转向。

图2-1 转弯示意图

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