智能仿生机器鱼的设计.docx

智能仿生机器鱼的设计

目录

1.研究背景及意义 2

1.1.选题背景 2

1.2.解决的问题及意义 2

2.总体方案设计 3

2.1.设计内容 3

2.2.主要结构的初步设计 4

3.结构设计及计算 10

3.1.推进机构设计及计算 10

3.2.俯仰角计算 13

3.3.深度计算 15

3.4.胸鳍旋转角度计算 15

4.建模与仿真 16

4.1.二维图纸 16

4.2.三维建模 18

4.3.仿真分析 19

5.控制系统设计 20

5.1.控制原理 20

5.2.电气选型 20

5.3.控制程序（见附件一） 23

6.创新点与应用前景 23

6.1.创新亮点 23

6.2.应用前景 23

参考文献 24

附件一控制程序 1

附录二图纸 12

智能仿生机器鱼

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智能仿生机器鱼

【摘要】本发明针对近年来仿生机器鱼成为水下航行器热点研究领域，普遍存在仿真程度不高这一情况，提供一种基于复合连杆机构的尾鳍推进智能仿生机器鱼，可实现尾柄横移和尾鳍摆动的复合运动，高度拟合鱼尾摆动轨迹，实现直线巡游、转向、沉浮等动作，具备无线遥控、程控游动和自主游动等多种控制方式。本作品包括鱼头外壳、鱼尾骨架、尾鳍推进模块、沉浮机构、胸鳍机构和控制模块，本作品仿真程度高，可操纵性强，机构精简，推进效率高。

【关键词】智能仿生机器鱼尾鳍推进复合连杆机构自主游动

作品内容简介：本项目旨在为仿生鱼的设计和研究提供一种创新思路，符合大赛主题“仿生机械”。目前大部分仿生机器鱼尾部采用多关节串联驱动方式，通过多个电机的程控来模拟鱼尾的真实动作，控制复杂，拟合效果不理想。

本项目设计了一种基于复合连杆机构的智能仿生机器鱼，可实现巡游、转向、沉浮等动作，具备无线遥控、程控游动和自主游动等多种控制方式。其中，尾鳍采用复合连杆机构可高度拟合鱼尾实际运动轨迹；控制模块包括树莓派、超声波传感器、陀螺仪和摄像头等智能控制元件，可实时检测并反馈机器鱼姿态、位置等信

息，实现智能控制。本作品已于今年二月份提交了专利申请。本作品外观结构图如图1所示：

图1外观结构示意图

研究背景及意义

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1.研究背景及意义

1.1.选题背景

仿鱼推进的水下航行器的研究将对海洋船舶、潜水艇等航行器的推进方式的改进具有重要意义。同时，也为海洋领域的相关研究，例如：减少环境污染保护海洋环境、开发海洋商业前景、追踪稀有海洋生物以及海洋军事作战等提供重要的技术支持。不同巡游模式的仿生机器鱼样机陆续在国内外研制成功。这些样机的推进性能主要由仿生推进模式、仿生运动结构和自身的传动方式来决定。

目前对仿鱼推进机构的研究主要集中在尾鳍推进方式的鱼类。大部分仿生机器鱼尾部采用多关节串联驱动方式，通过控制每个电机的运动来控制每节鱼体的摆动角度和速度，以此来拟合鱼的游动身体曲线，但是这种方法控制复杂，难以灵活模拟鱼尾的运动。

1.2.解决的问题及意义

针对现有问题，本小组提一种以尾鳍推进模式为主的智能仿生机器鱼，能高度拟合鱼身运动曲线，同时具有较高的推进效率和自主游动能力。借助正弦机构的思路，我们提出了一种基于复合连杆机构的尾鳍推进智能仿生机器鱼，对其要求为：

1)尾部推进机构可实现尾柄横移和尾鳍摆动的复合运动；

2)具有直线巡游、转向、沉浮等基本功能；

3)具有无线遥控、自主游动两种控制模式；

4)防水可靠，控制简单。

仿生机器鱼是采用鱼类游动的高速、高效率、机动性好、低噪声等特点的推进方式，其目的是研制开发出高效、高机动性、智能化的水下作业机器人系统、水下运载器，用以解决人类工作、生活所面临的具体问题，其研究内容具有重要的现实意义和直接的应用价值。

本作品在对机器鱼研究现状进行综合分析的基础上，对机器鱼尾部推进机制进行了研究，为仿生机器鱼推进机构的研究提供了新的思路。同时，本作品的设计原理也可应用于其他水下推进器的研究与应用。

智能仿生机器鱼

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2.总体方案设计

2.1.设计内容

2.1.1.总体结构

机器鱼包括鱼头外壳、鱼尾模块、鱼尾骨架、胸鳍机构、沉浮机构、控制模

块；鱼尾模块包括推进机构、转向舵机、尾鳍；胸鳍机构、控制模块安装在鱼头外壳内部，鱼尾骨架与鱼头固连，鱼尾模块、沉浮机构安装在鱼尾骨架内部，尾鳍与鱼尾骨架、推进机构相连；控制模块通过控制鱼尾模块、胸鳍机构和沉浮机构