仿生机器鱼三维仿真分析
学校代码：11517
学号：0708071012
HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING
毕业设计
题目仿生机器鱼三维仿真分析
学生姓名刘欢乐
专业班级机械设计制造及自动化0701
学号0708071012
系（部）机械工程系
指导教师(职称) 王新莉（教授）孟凯（助教）
完成时间 2011年5月25日
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论文作者签名：
年月日
河南工程学院毕业设计(论文)原创性声明
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论文作者签名：
年月日
河南工程学院
毕业设计（论文）任务书
题目仿生机器鱼三维仿真分析
专业机械设计制造及自动化学号0708071012姓名刘欢乐
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
选题背景：
鱼形机器人不仅可以用于水下考古、水中摄影、探查狭窄水道、测绘海底地形地貌，还可进行水中养殖和捕捞，并作为水下微小型运载工具，在抢险搜救等工作中发挥重要作用。
主要内容：
设计一款机器鱼的执行机构，对设计的机构进行三维仿真研究。
基本要求：
建立三维模型，进行仿真研究，完成实物制作，提交设计说明书等设计相关资料。主要参考资料：
机电一体化系统设计
传感器技术
机器人技术
机构设计
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完成期限：
指导教师签名：
专业负责人签名：
年月日
目录
摘要 ................................................................ I ABSTRACT............................................................. II 1 引言 . (1)
1.1 本文研究的目的及意义 (3)
1.2 国内外研究现状 (4)
1.2.1 国内研究现状 (4)
1.2.2 国外研究现状 (6)
1.3 论文的主要研究内容 (8)
2 仿生机器鱼的机构设计概况 (9)
2.1 仿生机器鱼的机构 (9)
2.2 舵机设置 (10)
3 仿生机器鱼的三维建模与运动分析 (12)
3.1 建模软件的选取 (12)
3.2 仿生机器鱼的三维实体建模 (13)
3.2.1 仿生机器鱼鱼头和鱼尾的三维建模 (14)
3.2.2 仿生机器鱼鱼身的三维建模 (15)
3.2.3 虚拟装配 (17)
3.3 仿生机器鱼的运动分析 (17)
4 仿生机器鱼的三维仿真实现 (19)
4.1 仿生机器鱼三维仿真的简介 (19)
4.2 仿生机器鱼三维仿真 (20)
结论与展望 (25)
毕业设计工作总结 (27)
致谢 (28)
参考文献 (29)
仿生机器鱼三维仿真分析
摘要
本文首先对小型鱼类现有的研究进行了描述，表明了鱼类在水下的优势对仿生机器鱼的研究发展将起到重要作用。在此基础上并结合自己的实际情况设计了机器鱼的机械结构及控制系统，并进行了三维建模与运动仿真。机械结构采用三块舵机串联的形式实现尾鳍运动，以实现鱼身的游动，同时设计了简单的尾部机构，以辅助鱼身的运动。控制系统采用舵机控制器为核心控制器，并详细介绍了控制系统的软、硬件设计。最后，对机器鱼进行了运动分析，用三维建模软件solidworks进行了机器鱼的建模和仿真，结果表明，我们研制的仿生机器鱼在水中的运动能实现鱼类的基本游动动作，容易实现机器鱼游动中姿态间的转换，控制效果较好，达到了设计要求。
关键词机器鱼；舵机；建模；运动分析；三维仿真
SYSTEM DESIGN OF BIOMIMETIC ROBOT FISH
ABSTRACT
Firstly, the existing research on small fishes are described, shows the advantages of fish in the underwater bionic robotic fish research and development will play an important role.On this basis, combined with the actual situation of their own robotic fish designed the mechanical structure and control systems, and conducted three-dimensional modeling and motion simulation.Mechanical structure with three tail fin rudder movement is implemented in series to achieve the fish's swimming, while the rear design of a simple body to assist the movement of fish. Steering gear control system controller as the core controller, and a detailed description of the control system software and hardware design. Finally, the movement of the robotic fish were analyzed, using three-dimensional modeling software for the robotic fish solidworks modeling and simulation results show that we have developed bionic robotic fish in the water movement to achieve the basic swimming movements of fish, easy to robotic fish swimming in the attitude to achieve the conversion between the control better, meets the design requirements.
KEY WORDS robot fish ,servo ,modeling ,motion analysis ,
three-dimensional simulation
1 引言
几个世纪以来人类不断的利用大自然，创造自己的文明与现代的生活，随之而来的许多急需解决的问题也逐渐的清晰的摆在人类的面前，需要人类通过更好的方式来解决。海洋开发就这样进入了科学家的研究视野之内。特别是二十一世纪以来地球陆地资源日益枯竭，人类更是把目光投向了拥有丰富资源和巨大开发利用价值的海洋世界。随着海洋开发需求的增长，人类在水下环境中的生产、科研活动不断增加，水下作业任务发生很大的变化，海洋世界中的作业环境充满着未知也给人类的开发增加了更多的不稳定因素。这些都为人类的开发利用海洋世界的丰富资源提出了很多难题。原有的水下检测、作业、运载装置难以满足适应海洋中复杂的水下作业任务的要求，人工操作的方式在某些特定的情况下给人类的安全将带来直接或间接的不可预期的损害。这就促使智能的、节能的、灵活的，适用于特殊作业的水下潜器（AUV)和水下机器人[1]研制成为热点。当今，作为水下潜器和水下机器人关键技术的推进系统，大多采用螺旋桨、喷流回转式和叶轮式等原理的常规推进器，这些传统的推进器的缺点是：能量利用率低、结构尺寸和重量大、对环境扰动大、隐蔽性能差、运动灵活性能差等。因此采用普通推进式的水下作业工具的作业范围小，环境局限性大。为了适应海洋科学发展的急切需要，国内外科学家都在积极的寻找其他高效率，机动灵活的水下推进方式。近些年来随着仿生学和机器人学研究的不断进步，仿生机器鱼已成为AUV 领域的研究热点之一，它为研制高效、高机动性、低噪声和易隐蔽的水下航行器提供了一种新的思路和研究方向。
在自然界中，作为地球上最古老的脊椎动物的一个类群，鱼类长期生活在水中，经历了数百万年的自然进化，漫长的自然选择过程使得鱼类发展了各具特色的水中运动的非凡能力，使鱼类通过了自然界物竞天择的自然规律的考验，产生了很强的生活适应性，形成了令人惊讶的水下适应能力。鱼类的游动技巧远远高于人类现有的任何航海科技，在运动、感知和效率方面远超过了人类的水下科技研制成果。他们利用流体力学和其流线形体的本能，更使我们的造船工程学者们称赞不已。和人类普通的水下推进器相比，鱼类游动具有以下优点：
（1）推进效率高。推进效率高是鱼类游动和采用螺旋桨推进的推进器的最大区别
之一。普通的推进器的推进效率平均在40%-50%左右[2]，普通鱼类的游动推进效率在80%以上。1936年，英国生物学家James Gray发表论断，估算出海豚的肌肉所能提供的功率只相当于与它身体相似的刚体模型以15-20节的时速前进时所需功率的1/7.Gray从能量守恒的角度向流体力学者提出了一个疑问：海豚的游动效率远远超出了100%[3]。人们将这个结论推广到整个鱼类，称为Gray悖论（Gray’Paradox）。（2）机动性能好。无论是在复杂的珊瑚礁中、湍急的河流中、海草重生的海底中，鱼类都能够灵活的穿梭、长时间的游动。鱼类可迅速的以只有百分之三十身长的距离为转弯半径来改变游动方向。相比之下。一般航行器只能以十倍自身的身长的半径缓慢的回转[4]。
（3）噪音低，隐蔽性能好，环境适应性强。鱼类游动时候噪声小，环境扰动小，不易被周围生命发觉。而采用的螺旋桨推进器的水下推进噪音大，对环境扰动大，不易于隐蔽。因此，各国的军事学家们都在积极的研制仿生鱼水下推进装置，以便未来更好的应用于军事领域。例如，英国科学家正在研究一种可以靠尾鳍摆动的，以“S"形游动的潜艇，它比常规潜艇更快，更安稳，机动性更好，可以充分的充当水下扫雷潜艇的使用，用来对付遇到轻微的声响或干扰便会引爆的水雷[5]。
（4）鱼类具有优异的水下感知系统。鱼类能在伸手不见五指的海里与海流搏斗，并能准确的发现障碍物，确定正确的方向游动。鱼类使用身体上的由数千个延伸整个身体的细小毛发细胞组成的侧线可以感知身体周围级微小的水流变化，准确的判断出外界的障碍物，逃避潜在的外部威胁。有些鱼类所具有的天然声纳系统使其可以搜索、追踪猎物。例如，齿鲸可以发出具有较高频率的脉冲式的咔哒声用于回声定位；海豚不仅可以利用脉冲式的咔哒声实现回声定位，还能从回声中“看到”目标的三维图像，十分精准的识别周围物体用于导航。
正是在这样的背景下，仿生机器鱼的研究和设计被迅速的提上了科学家们的日程里面。研发者研发了和鱼类推进方式很类似的仿生机器鱼（又名机器鱼、鱼形机器人），目的是让水下机器人具备像鱼那样的水下生存能力，并且能应用于水下探测、生物观察、灾难预警和军事领域。但是应该指出的是，虽然现今机器鱼的发展非常迅猛，机器鱼技术越来越多的被人类所掌握，但目前为止还没有研制出一个像真鱼那样的，柔软而有力的驱动器，在机动性方面，机器鱼不能S形转弯、快速启动、快速制动，在下潜过程中不能快速稳定的悬浮在水中，在推进效率方面，不知道鱼是怎么样控制涡流推进，不能预测给定一个命令机器鱼将会做出什么样的动作等等，这一系列的难点
尚待我们人类的科学家们努力研究而加以实现。而要实现这些鱼类自身的许多水下本能，三维仿真将起着很大的作用，所以，目前在这方面，仿生机器鱼的三维仿真和协作策略在仿生机器鱼的研发设计和任务协作上起着重要的作用，是仿生机器鱼研究的热点课题。
本文以仿生机器鱼的结构设计，舵机控制机理与简单的运动仿真等内容为重点。通过对不同鱼类形体资料的对比和研究，设计并且制造出简单的仿生机器鱼。能实现鱼类的基本游动动作，前进和转弯。通过三维建模以完成机器鱼的三维仿真，通过舵机控制器的信息控制和蓝牙的无线信息传输，远程遥控仿生机器鱼在水中的简单游动。我们制作的仿生机器鱼，结构简单但能实现鱼类在水下的基本功能，控制系统便于操作，具有一定的可使用性。
1.1 本文研究的目的及意义
鱼类生物在水下世界的优越性越来越被各国的科学家们重视，伴随着近些年来仿生学和机器人学的不断告诉发展，仿生机器鱼的研究被更多的国家开始重视开发。仿生机器鱼以其效率高、机动性好、噪音低、对环境扰动小的优势在人类的生活中越来越发挥着重要的作用。机器鱼的应用领域如下所述：
（1）要求作业时间长、范围大，但本身承载能力或承载空间有限、不能加载太多能源的场合，如环境监测，军事侦测等；
（2）要求机动性能高的场合或空间狭窄、空间结构复杂的场所。如管道检测，管道内部结构复杂，采用微小型机器鱼可能较好的完成作业任务；
（3）海洋生物观察。常规螺旋桨推进器噪声大，多环境扰动大，使水下运动装置很难接近所要观察的海洋生物，采用静音驱动的机器鱼有望解决这一难题；
（4）海底勘探及海洋救捞。采用仿生鱼推进方式可以很容易的进入环境复杂的海洋空间，如沉船内部，珊瑚礁群，完成常规水下潜器所不能完成的作业任务。
（5）军用方面。一方面，利用仿生鱼推进技术可制造小型潜航武器、无人驾驶仿生袖珍型潜艇。该潜艇比传统潜艇具有更高的机动性和可操作性，可直接进行水下侦察，发现地方雷区，跟踪及摧毁敌方潜艇。而一方面，由于机器鱼体积小、成本低、机动性好，可以由水面潜艇、潜艇及飞机等大量携带，成群投放，将在攻击、侦探和扫雷等方面发挥重要的作用。此外，可利用机器鱼体型小，不易被声纳所探测的特点，
平时化整为零在特定的海域游弋，当遇到敌方舰队时迅速集结，重点攻击，以较小的代价重创敌方。
（6）娱乐方面。目前，新的机器人技术正越来越多的应用于玩具制造业。2000年3月，在东京玩具展览会上，日本第三大玩具制造商Takara公司展出了一系列机器鱼“Aquaroid Fish”，包括机器水母和机器蟹。
综上所述，仿生机器鱼的研究是一个具有重大理论与应用价值和实际意义的研究课题，有着良好的应用前景，我们要不断的努力，为人类的更进一步的发展做出一点贡献。
1.2 国内外研究现状
关于仿生机器鱼的研究主要可以分为两个阶段：20世纪90年代以前主要集中于研究基础理论，90年代后，伴随着机器人学、新型材料和驱动装置的发展，人类开始仿生机器鱼的研制。目前，对仿生机器鱼的研究主要集中在：一深入探索鱼类高效、快速游动的机理，建立简单、实用的动力学和运动学模型；二从仿生学的角度研制快速、高效、高机动性的机器鱼，探索鱼类漩涡控制的奥秘。
1.2.1 国内研究现状
80年代中后期，中国科技大学的童秉纲和程健宇采用半解析-半数值的方法，提出了三维波动板理论（3DWPT),得到了国际上鱼类生物力学研究群体的广为运用和认同[6-7]，两位科学家还对鱼类波状游动的推进机理方面进行了研究，建立了流体力学模型，以及如何减小游动阻力进行了理论分析[8]。
1994年华中理工大学在国家自然科学基金的支持下开展了水下机器人防鱼鳍推进机理的研究，建立了利用弹性组件提高驱动效率的实验平台[9]。
北京航空航天大学机器人研究所深入开展了仿生鱼机器人技术的研究，提出了“波动推进理论”及其分析方法，设计研制了游动速度为0.6m/s的仿生“机器鳗鱼”实验模型；2001年3月又研制了仿生“机器海豚”，并在北京航空航天大学水洞实验室内进行了速度功率参数测定实验和鱼体运动阻力测定实验，获取了鱼的摆动推进深层次的机理[10]。
中国科学院自动化研究所与北京航空航天大学机器人研究所联合开展了“多微小
型仿生机器鱼群体协作和控制的研究”，建立了多仿生机器鱼协作的实验平台，在机器鱼运动控制、协调控制等方面取得了大量的研究成果，为复杂、动态的水下环境中多仿生机器人系统控制和协作作业提供了理论基础和技术支持[11]。为提高仿生机器鱼的智能化程度，2003年在国家高技术研究发展计划MEMS专项的支持下，中国科学院自动化研究所开展了“基于MEMS传感器的仿生机器鱼系统的研究”。
2004年8月，北京航空航天大学机器人研究所使用SPC-Ⅱ仿生机器鱼[12]对福建省东山县郑成功战舰遗址5000平方米的海域进行水下探测获得成功，如图1-1所示，该机器鱼身长1.21米，可以每小时4公里的游速在水下工作2到3个小时，并能及时将水下拍摄的图像通过无线传输系统发送至水面指挥部，为考古人员研究挖掘提供可靠的依据。
图1-1 SPC-Ⅱ仿生机器鱼
图1-2 五关节仿生机器鱼
图1-2为北京航空航天大学模拟海豚制造的五关节仿生机器鱼，它长0.89米，重0.8千克，鱼体最大速度0.2米/秒，最小转弯半径0.4米，最大转弯角速度约120度/秒，采用无线遥控的方式。图1-3为航空航天大学研制的机器鱼SPC的1/4缩比模型，长0.66米，最高摆动频率2Hz，最大游动速度0.5米/秒，功耗15瓦。采用扁平宽大的
斧形水动力外形，具有较好的自稳定性。
图1-3 SPC的1/4缩比模型
1.2.2 国外研究现状
对鱼类推进模式的研究是仿生机器鱼研制的基础，国外学者很早就开始了这方面的工作。表1-1给出了当前国外与鱼类推进研究相关的一些研究资料。
表1-1 国外与鱼类推进研究相关的研究机构
国别研究单位研究内容
美国
MIT,M.Triantafyliou研究组涡流控制和减速控制北亚利桑那州大学，生物系鱼类游动行为加州大学动物系鱼类推进数学模型Lafayette大学，数学系鱼类推进的数学模型康涅狄格大学鱼类游动的结构和功能
南加州大学鱼类和飞行的研究宾夕法尼亚大学鳗状推进东北大学，海洋科学中心鳗状推进University Minnesota,,机械工程系流体控制
加拿大渥太华大学电子鱼研究项目
日本
东海大学，Kato实验室胸鳍推进
东京工学院，机械动力学和控制实验室鱼类游动行为运输省，船舶技术研究所驱动装置，机动性研究Nihon大学,Nakamura实验室鱼类推进
加拿大多伦多大学的涂晓媛博士在博士论文“计算机动画中的人工动物”中，首先将基于物理的图形建模方法应用到计算机动画设计中，她在生物力学的基础上建立了一种可变性的“质点-弹簧-阻尼”系统来构建人工鱼的动态生物模型，如图1-4所示，该动态模型设计了由23个“质点”和91个“弹簧-阻尼”单元所组成可变性的人工鱼外形。然后对每个质点引入广义牛顿运动方程，通过分析每个质点的生物受力情况，建立23个耦合的二阶常微分方程，通过求解得到人工鱼的外形[13]。被称为“晓媛的鱼”，为研究机器鱼的智能行为奠定了基础。
图1-4 人工鱼的生物力学模型
表1-2列出了近些年来，外国的一些仿生机器鱼的研究项目[14]。这些国家的研究对仿生机器鱼的发展起到了巨大的作用，给机器鱼的实际应用提供了很大的理论和实践基础。
表1-2 国外典型的仿生机器鱼研究项目
国别研究单位研究项目
美国
MIT
第一条机器鱼Robotuna(1994年)
Robotuna改进版Pike(1995年)
Robotuna最高版VCUUV(1998年)
拍动翼研究
中佛罗里达大学微电子机器鱼（应用SMA技术）
德州农工大学仿生驱动材料研究东北大学，海洋科学中心仿生水下机器人项目波士顿大学机器鱼推进建模
加州理工学院机器鱼推进的传感和控制
新墨西哥大学鳗状游动（IEM驱动）University of llinois,
Urbana-Charnpaign
电子鱼研究项目University of Californin at
Berkeley
机器鱼（CALibot）
比利时Vrije大学机器鱼智能体研究
英国Heriot-Wart大学FLAPS项目Essex大学水族馆观赏机器鱼项目
日本
东海大学，Kato实验室人工胸鳍黑鲈
名古屋大学
微型水下仿胸鳍模式浮游机器人（压电陶瓷
驱动）
微型身体波动式水下推进器（形状记忆合金
驱动）
Takara公司机器鱼，机器水母（宠物鱼）
三菱重工
机器鱼“Mitsubishi Animatrinics”（宠物
鱼）
运输省，船舶技术研究所PF-300，PF-600，S-FPSE200，PF-700，UPF-200
1.3 论文的主要研究内容
本篇论文在现有的仿生机器鱼研究基础上，结合自己学校的实际情况，对仿生机器鱼做了深入细致的研究。介绍了机器鱼的设计研究和实现、机器鱼鱼身机构概况、运动控制、基本运动和行为设计、基于solidworks的三维建模，建立了面向仿生机器鱼的三维仿真结构。本文的主要研究内容如下：
第一章对仿生机器鱼的应用背景和研究意义进行了详细的介绍，综述国内外在鱼类推进机理、仿生机器鱼研制方面的研究概况及主要研究内容，介绍了仿生机器鱼的三维仿真的实际意义。
第二章详细的对仿生机器鱼的结构设计做了介绍。说明了我们研制的仿生
机器鱼的设计原理和结构机理，并对机器鱼的驱动来源舵机做了介绍。
第三章利用学习过的三维建模软件solidworks对仿生机器鱼进行了三维的建模，并分析机器鱼的结构，做简单的运动分析，为下面的仿真做下基础。
第四章针对自己研制的仿生机器鱼的三维模型，选取机器鱼在水中的某一特定游动动作，进行了建模和运动分析，研究了机器鱼的三维仿真方法，并对其模型进行了三维仿真实现。
第五章本章总结了所写论文的主要研究成果，进行了总结概况，并指出了在此基础上机器鱼的更进一步的开发研究方向。
2 仿生机器鱼的机构设计概况
本章段对仿生机器鱼的机身结构做了较为详细的介绍，对我们制作的仿生机器鱼做了构造解析，并且给出了驱动来源舵机的介绍，简单明了的表达了仿生机器鱼的机构情况。
2.1 仿生机器鱼的机构
整个仿生机器鱼为柔性的机构身体，由内部的铝合金制鱼体骨架和舵机连接通过螺栓固定在一起而制成。其外形如图2-1所示。仿生机器鱼分为三个部分，头部、机身和鱼尾。头部用特殊的橡胶泡沫加工而成，可以减轻整个机器鱼的整体重量，为机器鱼在水中游动时产生浮力不至于下沉起到很大作用。鱼身和头部中间连接有电源装置，为机器鱼的游动提供动力来源。整个机身由三个舵机相互通过铝合金制的金属结构连接起来，该金属结构根据要制作的仿生机器鱼的大小，进过实际测量，后在机加工机床上加工而成，将舵机紧密结实地连接成一个整体，构成机器鱼的鱼身部分。同时，仿生机器鱼的控制系统，舵机控制器也装在这个部分，通过螺栓连接固定在机器鱼的骨架上，便于和前面的电源连接，简化了电线的分布形式，形成了一个有机的整体。尾部用具有一定强度的合金板材料制成了月牙形状，用螺栓固定在了最后一个舵机上面，这样可以通过舵机的转动带动鱼尾的摆动，产生机器鱼前进的水动力，辅助仿生机器鱼的水中游动。整个机器鱼鱼身，采用较好的橡胶薄膜，通过热熔胶水相互粘连在一起，且折合三层，有效的起到防水的作用，为仿生机器鱼的在水中做基本的游动动作做好了保障工作。实验证明，这种方法简单易行，且方便拆卸和组装。
图2-1 仿生机器鱼外形
2.2 舵机设置
仿生机器鱼有四块舵机串联在一起，为机器鱼提供运动基础，舵机只要由舵盘、减速齿轮组、比例电位器、直流马达、控制电路板等组成。其工作原理为：控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制直流电机转动，直流电机带动一系列齿轮组，其齿轮组的输出轴与一个线性的比例电位器相连，该电位器把输出轴转过的角度θ转换成比例的电压反馈给控制电路，控制电路将其与输入的控制脉冲信号比较，差生纠偏脉冲，并驱动马达正向或反向的转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使舵机精准定位的目的[15]。舵机是一个典型的闭环反馈系统。这里给出简图加以说明舵机的工作原理。
图2-2 舵机的工作原理图
本次设计的仿生机器鱼采用三块舵机串联的方式，通过舵机控制器来控制每个舵机的转过角度，实现鱼身的摆动。由舵机的工作原理可知，给舵机输入一个周期在20ms 左右，脉冲宽度在0.5ms 至2.5ms 之间周期性脉冲信号，驱动舵机输出轴达到-90度到90度之间的转角，呈线性变化。并且无论外界转矩怎么该表，舵机的输出轴都会保持在一个相对应的角度上，知道给它提供另外一个宽度的脉冲信号，才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机的这种性质，为机器鱼的稳定性提供了很强有力的保障，可以完全通过编程来控制舵机的摆动，使鱼身出现预期效果的摆动姿势。而编程可以完全由和舵机配合使用的舵机控制器来实现，使仿生机器鱼的控制变得简单化。
图2-3 舵机外观样式
图2-3所示为我们选取的为仿生机器鱼提供摆动动力的舵机。该舵机构造简单，便于安装和拆卸，且有配合使用的舵机控制器，这样也利于控制系统的研究和实施。
3 仿生机器鱼的三维建模与运动分析
作为河南工程学院的本科学生，在学习期间学习了多款三维的建模软件，有solidworks软件、CAXA软件、UG NX软件和Pro/E软件等许多的三维建模软件，我们要从中选择一个符合我们实际需要的软件为我们研制的仿生机器鱼做建模，进一步对运动进行分析，为后面的仿真做好基础。
3.1 建模软件的选取
SolidWorks三维实体建模软件是美国Solid\Works公司的产品。自1993年成立公司以来，并于1995年成功推出SolidWorks软件以来，已经历经十多年的发展历程，版本不断更新，功能日益强大。SolidWorks是世界上第一个基于windows开发的三维CAD 系统，提供了强大的零件建模、装配建模、钣金建模、二维工程图等设计功能，具有出色的技术和市场表现，成为了CAD行业一颗耀眼的明星。同时SolidWorks软件也是我们在学习三维建模软件期间重点学习的一款，老师重点教学，严格把关，认真要求，使学生对这款软件的操作最多，最熟练。故而，今次在仿生机器鱼的三维建模中，选取了SolidWorks软件来进行建模和仿真。相比较其它的三维实体建模软件，SolidWorks软件有许多优点[16]：
（1）“全动感的”用户界面
SolidWorks提供了一套完整的动态界面和鼠标拖动控制，利用FeatureManager 设计树可很好地通过管理和修改特征来控制零件、装配和工程图；PropertyManager 提供了非常方便的查看和修改属性操作，减少了图形区域的对话框，使设计界面简捷、明快；ConfigurationManager可以很容易地建立和修改零件或装配的不同形态，大大提高了设计效率。
（2）完全关联性
SolidWorks软件所有模块都是完全关联的。用户在产品开发过程的任一环节进行的修改都被传送到整个设计中，同时自动地将零件模型、装配模型、工程图等文档进行更新。
（3）数据交换
仿生六足机器人中期报告
编号: 哈尔滨工业大学 大一年度项目中期检查报告 项目名称：仿生六足机器人 项目负责人：学号 联系电话：电子邮箱： 院系及专业：机电工程学院 指导教师：职称： 联系电话：电子邮箱： 院系及专业：机电工程学院 哈尔滨工业大学基础学部制表 填表日期：2014 年 6 月28 日
一、项目团队成员（包括项目负责人、按顺序） 二、指导教师意见 三、项目专家组意见
四、研究背景 1.研究现状 4.1国内研究现状 随着电子技术发展，计算机性能的提高，使多足步行机器人技术进入了基于计算机控制的发展阶段。其中有代表性的研究为1993年,美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人DANTE，图1所示,用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察，其结构由2个独立的框架构成。这一阶段研究的重点在于机器人的运动机构的设计、机器人的步态生成与规划及传统的控制方法在机器人行走运动控制过程的应用。Boston Dynamics公司的Big Dog四足机器人用于为军队运输装备，其高3英尺，重165磅，可以以3.3英里的速度行进，其采用汽油动力。 图1 Adaptive Suspension Vehicle 图2 Odex1步行机器人 图3 MIT腿部实验室的四足和双足机器人图4 DANTE步行机器人 由于新的材料的发现、智能控制技术的发展、对步行机器人运动学、动力学高效建模方法的提出以及生物学知识的增长促使了步行机器人向模仿生物的方向发展。 4.2国外研究现状 我国步行机器人的研究开始较晚，真正开始是在上世纪80年代初。1980年，中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机,主要用于海底探测
仿生机器人课程报告
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 仿生感知与先进机器人技术 课程报告(1) 报告题目：仿生机械的发展 院系：机电学院 班级： 姓名： 学号： 哈尔滨工业大学机电工程学院
仿生学及仿生机械学的由来 仿生学（Bionics）是模仿生物的特殊本领的一门科学。仿生学籍了解生物的结构和功能原理，来研制新的机械和新技术，或解决机械技术的难题。1960年由美国的J.E.Steele 首先提出。 仿生学这个名词来源于希腊文“Bio”，意思是“生命”，字尾“nic”有“具有……的技术中利用这些原理，提供新的设计思想、工作原理和系统架构的技术科学。 仿生机械学是上世纪60年代初期出现的一门综合性的新兴边缘学科，它是生命科学与工程技术科学相互渗透、相互结合而形成的。包含着对生物现象进行力学研究，对生物的运动、动作进行工程分析，并把这些成果根据社会的要求付之实用化。 仿生学的研究方向 （1）生物材料力学和机械力学，是以骨或软组织（肌肉、皮肤等）作为对象，通过模型实验方法，测定其应力、变形特性，求出力的分布规律。还可根据骨骼、肌肉系统力学的研究，对骨和肌肉的相互作用等进行分析。另外，生物的形态研究也是一大热门。因为生物的形态经过亿万年的变化，往往已形成最佳结构，如人体骨骼系统具有最少材料、最大强度的构造形态，可以通过最优论的观点来学习模拟建造工程结构系统。 （2）生物流体力学，主要涉及生物的循环系统，关于血液动力学等的研究已有很长的历史，但仍有许许多多的问题尚未解决，特别是因为它的研究与心血管疾病关系十分密切，已成为一门倍受关注的学科。 （3）生物运动学，生物的运动十分复杂，因为它与骨骼和肌肉的力学现象、感觉反馈及中枢控制牵连在一起。虽然各种生物的运动或人体各种器官的运动测定与分析都是重要的基础研究，但在仿生机械学中，目前特别重视人体上肢运动及步行姿态的测定与分析，因为人体上肢运动机能非常复杂，而下肢运动分析对动力学研究十分典型。这对康复工程的研究也有很大的帮助。 （4）生物运动能量学，生物的形态是最优的，同样，节约能量消耗量也是生物的基本原理。从运动能量消耗最优性的特点对生物体的运动形态、结构和功能等进行分析、研究，特别是对有关能量的传递与变换的研究，是很有意义的。
仿生鱼机器人设计说明书
仿生鱼机器人设计说明书
目录 第一章绪论 (3) 1.1目的及意义 (4) 1.2研究现状 (4) 1.3本文的主要工作 (4) 第二章概述 (5) 2.1 整体构思 (5) 2.2 仿生依据 (5) 第三章机械结构设计 (7) 3.1机械设计思路及建模 (7) 3.2创新点 (8) 3.3 零件明细 (9) 第四章仿真分析 (10) 第五章电路设计 (12) 第六章控制系统 (13) 第七章总结 (17) 7.1优势及创新点 (17) 7.2主要关键技术 (17) 7.3 应用前景与趋势 (18) 7.4 不足与改进 (18)
仿生鱼机器人设计说明书 第一章绪论 1.1目的及意义 21世纪是海洋的世纪，占全球71%面积的海洋将是下一个世纪，也是未来人类赖以生存的资源海洋，对于人类的发展和社会的进步将起到至关重要的作用。在民用上，海洋蕴藏着丰富的矿物资源、海洋生物资源和能源，是人类社会可持续发展的重要财富。因此，对于海洋的开发和争夺成了很多发达国家的战略重点，而且愈演愈烈。在各种海洋技术中，作为用在一般潜水技术不可能到达的深度或区域进行综合考察和研究并能完成多种作业使命的水下机器人使海洋开发进入了新时代。随之“蓝色经济”越来越成为各沿海地区经济发展的“正能量”，大规模的开发探测和利于海洋资源，已经成为我们21 世纪要面对和必须解决的现实问题。另外，军事方面对其需求也日益增加，为了适应这种需求，研究和开发潜水器和水下机器人成为了极佳的选择。鱼类经过长期的自然选择，具备非凡的游动能力，近年来随着仿生技术的进步，人类纷纷模仿自然界中鱼类的运动方式和运动器官，即各种各样的水下机器人。世界上第一台水下机器人“Poodle”诞生于1953 年。近20 年来，水下机器人有了很大的发展，它们既可军用又可民用。到目前为止，全世界大约共建造了6000 多台各种各样的水下机器。水下机器人有广泛的应用空间，民用和军用均可，不仅可以代替潜水员在深水长时间工作，降低工作风险，提高工作效率，而且还可以检测水污染状况，监测鱼类生长状况，探测海底火山活动状况;在军事方面，可以用于跟踪敌人的船舰和潜艇，捕获地方军事信息，也可以降低敌人对我军的探测几率，甚至可以携带炸药至敌人军舰处，炸毁敌方舰艇的动力系统，摧毁敌方舰队。此外，仿鱼形水下机器人还可以应用于海洋动物园。仿鱼形水下机器人是一种集机械、智能控制与一体的高科技设备，在民用、军事、科学研究等领域体现出了广阔的应用前景和巨大的潜在价值。
智能机器人课程报告
智能机器人课程报告 学院：电气工程与自动化 姓名：郭胜 班级：自动化10-06 内容提要：远古时期地球上诞生了无组织的单细胞生物，然后形成了具有一定组织结构的多细胞生物，最后形成了具有复杂系统的高等生物，而我们人类则是其中的佼佼者。人类具有复杂的神经系统，具
有超强处理能力和自我意识的大脑，以及灵活坚韧的身躯，这使得人类在长期自然竞争中生存下来。随着科技的发展的，很多问题的解决需要耗费很多人力，人们迫切需要一种机器来代替自己做事情，这就形成了机器人的雏形。随着科技的发展，以及认知心理学，神经心理学，和计算科学的发展，人们提出了制造具有判断，推理，学习，自我意识的机器人的想法，这就是人工智能。智能机器人就是基于人工智能的具有判断，思维，推理，学习的能力的新一代机器人，他们在一定程度上具有了人类的思维方式。 关键词：人工智能，智能机器人，机器视觉 一关于智能机器人的一些认识 我们从广泛意义上理解所谓的智能机器人，它给我们的最深刻的印象是一个独特的进行自我控制的“活物”。其实，这个自控“活物”
的主要器官并没有像真正的人那样微妙而复杂，他的组织结构和工作方式在一定程度上模仿了生物体的功能与控制机制。下面我们以人体的工作机制为引例，引入机器世界的组成结构。 人具有耳朵，眼睛，鼻子，舌头，等感觉器官，用于接受外界刺激，外界刺激经由这些传感器变成微电信号，经由神经传导网络送入各级处理神经系统进行处理，处理结果以神经冲动的形式传导给相应的组织和器官，从而引起人体对于外界刺激的反应。在这个过程中，我们不难发现，人类的活动机制包括宏观上的硬件和软件组成，其中硬件是各种功能形成的前提，是逻辑，抽象的基础；软件是基于硬件的高级抽象性的活动，是一种虚拟的逻辑形式，他以思维，意识的形式存在。软件硬件的结合，才能形成具有一定行为能力的个体。机器人就在以上理论基础上建立的复杂系统的集合。和人体相似，机器人需要各种传感器对外界和本体内部信息进行收集和转换，然需要各种通信网络将信息准确，高速的传输出去，之后需要具有高处理能力的处理器对传入的信号进行分析和处理，最后需要具有一定自由度的机械系统去完成处理器的指令要求。总的来说，机器人也是有两个大部分总成，一个是实现各种机械运动和逻辑活动的硬件，二是实现各种控制的程序和数据。 机器人可以根据构造他们的硬件和软件进行分类。根据硬件的不同，可以将机器人分为双足，三足，多足，类人型等，根据软件部分大体可以分为非智能机器人和智能机器人。智能机器人是基于人工智能的机器人，他们具有形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器，如
仿生鱼科技整理
“仿生鱼”科技技术 1.概念 仿生机器鱼是一种按照鱼类游动的推进机理，利用机械、电子元器件或智能材料来实现水下推进的装置。仿生机器鱼 可以进行长时间、大范围、工况较 复杂的水下作业，可以用于机动性 能要求较高的场合，进行海洋生物 考察、海底勘探和海洋救生等等许 多场合。最近几年来，国内外许多 研究机构和高等院校对仿生机器鱼 （图片来源于维基百科） 行了大量的研究，并且在各个领域中得到了实际运用。英国埃塞克斯大学的研究人员向泰晤士河投放专门设计的仿生机器鱼，用于探测水中的污染物，并绘制河水的3D污染图。日本三菱重工也已经将研究的仿生机器鱼玩具批量生产。中国北京航空航天大学和中国科学院研制的SPC-II仿生机器鱼也成功地用于水下考古探测。 2. 原理 仿生机器鱼主要是模仿机器鱼的外形和运动规律，尽心环境数据收集。其模仿鱼类外形和运动规律的目的是为了实现鱼类高效的游动效率和良好的机动性。所以在仿生方面尤其注意鱼体和鱼鳍的模仿和控制。鱼主要有背鳍、胸鳍、腹鳍、臀鳍和尾鳍。 胸鳍：它的基本功能为运动、平衡和掌握运动方向。 腹鳍：主要协助背鳍、臀鳍维持鱼体的平衡，并有辅助鱼体升降和拐弯功能。 尾鳍：有平衡、推进和转向的作用，尾的扭曲和伸直使鱼体产生前进运动。 鱼类的运动方式主要为波浪式运动，或称游泳。借助于连续的肌节收缩与舒张，从头部开始的收缩在身体两侧交替进行，形成波浪式的传递，使收缩波传向尾部，身体则向收缩的一侧弯曲使成S型。收缩在尾部结束，尾部将收缩的力传给水，这个力被水以同等大小、但方向相反的反作用力作用于尾部。这个力向前的分力是鱼体向前运动的主要推进力。
目前各个研究单位研究的仿生机器鱼的结构不尽相同，但是都主要通过模仿和控制鱼鳍的运动来达到运动目的。典型仿生机器鱼的结构如下图所示，主要有视频模块、导航模块、 （图片来源于维基百科） 任务调度模块、运动控制模块、通讯模块、电源模块和尾鳍模块。 仿生机器鱼的推进方式主要有两种：摆动式和波动式。波动式是指在游动过程中整个推进结构都参与了大振幅的波动，并且在推进长度上至少提供一个完整的波形。摆动式是指推进结构绕着基体转动，并不呈现波的形状。一般来说，波动式常指身体波动式，摆动式常指尾鳍摆动式。相对于尾鳍摆动式而言，身体波动式推进效率较低，但机动性较好。而尾鳍摆动式具有很高的推进效率，适于长时间、长距离巡游，不足之处是机动性较差。 目前大多数的仿生机器鱼都采用了摆动推进方式。使用伺服电动机经过换向齿轮组换向，带动摆杆摆动，摆杆末端的销轴推动一端固定于机器鱼骨架上另一端自由的弹性薄板往复摆动。通过控制系统控制弹性薄板的摆动方式的不同，控制机器鱼的游动方式不同。摆杆左右对称的摆动，机器鱼前进，改变摆幅和频率可以控制机器鱼前进的速度；摆杆偏在半边
仿生机器鱼高效与高机动控制的理论与方法
1、仿生机器鱼高效与高机动控制的理论与方法 来源：中国科技网 2014年03月28日16:13 由中国科学院自动化研究所完成 该成果属于机器人学、信息科学与仿生学的交叉领域。成果系统深入研究了鱼类高效、高机动运动所蕴含的科学问题和关键技术，提出了仿生机器鱼的智能控制理论和方法，为兼具效率和机动性的水下航行器开发与应用提供了理论基础。其主要发现点包括：1．首次提出了描述鱼体周期性形变运动的“基波”概念，建立了仿生机器鱼高效运动的鱼体波模型，提出了多关节仿生机器鱼稳定三维游动的控制方法，并利用研制完成的仿生机器鱼验证了鱼类高效推进机理。 2．率先提出基于C曲线的动态轨迹法来实现仿生机器鱼的高机动转弯运动，构建了仿生机器鱼三维空间复杂机动运动的智能控制方法体系框架，在国际上首次实现了机器海豚的滚翻和跃水等高机动运动。 3．创新性地提出了仿生机器鱼的多连杆机构优化指标设计方法，推导了仿生机器鱼稳态游动下的受力描述，提出了基于时滞神经网络模型的机构优化方法并证明了该方法的全局指数稳定条件，通过机构优化提升了仿生机器鱼的游动性能。 4．系统地构建了多仿生机器鱼系统基于局部信息感知和有限通讯的协作框架和协调机制，提出了分布式鲁棒自适应神经网络控制方法，证明了有限通讯条件下系统达到一致状态的充要条件，实现了多仿生机器鱼系统协作完成编队、搬运、监控等作业。 该成果发表SCI论文114篇，SCI他引552次，撰写图书3部，获授权发明专利18项，获中国科学院优秀博士论文1次、北京市优秀博士论文1次。 该成果通过多个学科诸如仿生学、机器人学、信息科学等的交互、融合，使鱼类基础理论研究与仿生机器鱼系统研究之间形成相互依托、创新发展的路径，不仅对于鱼类运动学、动力学、感知机制等的研究具有重要的科学意义，而且对于仿生机器鱼的高效、高机动、环境适应等设计具有重要的参考和应用价值。
(完整版)机器人仿生机器龟设毕业课程设计
课程设计设计题目：仿生机器龟设计
课程设计任务书 课程设计题目：仿生机器龟设计
仿生机器龟设计 1 设计主要内容及要求 1.1设计目的： （1）了解机器人技术的基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术。 （2）初步掌握机器人的运动学原理、基于智能机器人的控制理论，并应用于所设计的机器人中。 （3）通过学习，具体掌握机器人的控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。 1.2基本要求： （1）要求设计一个具有仿生功能的机器人； （2）要求设计机器人的行走机构，控制系统、传感器类型的选择及排列布局。 （3）要求机器人具有趋光功能（龟喜欢晒太阳），避障功能（不能撞到障碍物上），知道饥饿（电池电量检测功能）。 1.3发挥部分： 自由发挥 2 设计过程及论文的基本要求： 2.1 设计过程的基本要求 （1）基本部分必须完成，发挥部分可任选；
（2）符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份； （3）设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。 2.2 课程设计论文的基本要求 （1）参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于3000字。图纸为A4，所有插图不允许复印。 （2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。 3 时间进度安排 沈阳工程学院 机器人技术及其应用课程设计成绩评
仿生机械鱼研究新进展
“如果看到一只游动的鱼，你会想到什么？”如果有人问起这个问题，按照笔者的思维，准是会回答：“清蒸的的话会是非常的鲜美，红烧的的话口感应该会更加香。”而带着同样的问题，笔者走进仿生机器鱼课题组，组员们给出的答案却超出了日常生活，他们的回答是：“看见尾鳍的一摆一动，勾起我们的是如何能进一步改进控制算法，在仿生鱼身上更完美地实现鱼类的波动推进方式。” “用智能算法来理解鱼之乐” 按预约的时间，笔者来到了仿生鱼课题组所在的办公室——自动化大厦9层906室。课题组成员王硕研究员热情地将我们请到了十三层咖啡厅，点上一壶茶水，在茶叶的沉落之间，为我们一一讲述关于仿生机器鱼的话题。 仿生机器鱼的研究工作由复杂系统控制与管理国家重点实验室的谭民研究员组织和指导，多名研究员、副研究员和在读博士生、硕士生共同合作开展。 一边品茶，王硕一边回忆起课题组的情况。顺着时间的脉络，他将课题组的情况进行了简要的回顾。 王硕告诉笔者：“仿生鱼作为课题组的研究内容，已经长达十余年之久。最早是在2001年，谭民老师和北京航空航天大学王田苗教
授交流时，谈到是否可以将研究所智能控制算法应用于工业设计中。受其启发，课题组开始了仿生鱼的研究。”2001年算是探索起步阶段，这一时期主要是对鱼类的跟踪模仿。 到2003年前后，课题组的研究进入到一个新的阶段：三维仿生运动阶段。为了提高任务的环境适应性，需要机器鱼具有水中的三维运动能力，也就是需要机器鱼除了推进外还要能够上浮下潜，甚至维持某一深度。课题组在已有多关节仿生机器鱼的基础上，总结设计了一种新型机器鱼，基于改变胸鳍攻角法，完成仿生机器鱼的俯仰和浮潜运动，设计的机器鱼既可实现俯仰和浮潜，响应迅速，动态特性好。 到2004年，课题组提出一种基于重心改变法的仿生机器鱼俯仰姿态与深度控制方法,用于实现机器鱼水中的浮潜运动。据介绍，这种方法利用一种可调整位置的配重块结构，以改变机器鱼的重心位置，进而实现机器鱼俯仰姿态的调节。 2005年之后，课题组开始了仿生机器鱼转身、快速起动、运动中变速和转向、倒游、定深、制动等高机动控制研究。 经过十多年的坚持和攻坚，课题组在对鱼类深入观察的基础上，结合仿生学、机器人学、材料学、机械学和智能控制，深入探讨了鱼类游动的机制，形成了身体/尾鳍推进、胸鳍推进、子母式、长鳍、两栖、海豚式推进等多个系列，聚焦高机动、高游速两大指标，目前已实现利用多模式控制技术将多种性能集成到高性能机器鱼平台。课
慧鱼机器人课设报告(1)
目录 1．绪论 1 1.1课题背景 1 1.2 慧鱼机器人 2 1.3 走进实验室 3 1.4 按键式传感器 3 1.5 设计工作原理 4 1.6慧鱼模型操作规程 5 2. 仿生机器人6 2.1仿生机器人迈克仿真示意图 6 2.2仿生机器人迈克仿真程序图示 6 2.3仿生机器人结构简图7 3. 移动机器人8 3.1 移动机器人基础模型8 3.2 移动机器人仿真图8 3.3移动机器人结构简图9 3.4移动机器人仿真程序框图10 4.工业寻光机器人10 4.1 寻光机器人仿真图11 4.2寻光机器人结构简图11 4.3寻光机器人仿真程序12 5.躲避障碍机器人14 5.1 躲避机器人仿真模型14 5.2连线图和结构简图15 5.3躲避机器人仿真程序16 6.工业寻踪机器人18 6.1寻踪机器人仿真模型19 6.2寻踪机器人仿真图
一、绪论 1.1课题背景 由机器人的发展和快速广泛的被使用，可知科学家对于机器人的功能也相提高，除了超强的逻辑运算、记忆能力及具备类似的自我思考能力，另外在机器人的外表及内部结构，科学家更希望能模仿人类。对于外在资讯的选集，也透过各种感应器，企图达到类似人类各种触觉的功能，选集了外在环境的资讯，一旦外在环境起了改变，机器人一定要能随着变化，做出该有的反应动作，更新自己的资料库，达到类似人类学习的功能。 移动式机器人形态分为车轮式、特殊车轮式、不限轨道式、不行式等，若是在平坦的地面上移动时，车轮式是最具效率的，不懂机构简单，且具实用性，但其缺点是在凹凸不平的岩地上便不能行走。此外，因普通车轮无法在阶梯及有段差的地外行走，因此积极研究一种有车轮、三辆以上连结构的特殊形态，及特殊组合的不限轨道式机器人，最近亦努力开发步行机器人，使其能登上阶梯。 本次研究即为移动机器人设计及其在控制器的实现，是说明当移动机器人在轨行动作中若遇到障碍物时会透过微动开关将讯息传回电路板中进行判断，再配合计数器的动作使机器人能避开障碍物并往下个路径前进，知道要到远的目标。
关于机器人实习报告
关于机器人实习报告 您需要登录后才可以回帖登录 | 注册发布 篇一：机器人实训报告 实训项目机器人模块组装实训报告 专业: 班级： 学号： 姓名： 指导老师： 机器人 1．简介: 机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。 现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”它能为人类带来许多方便之处！ 2.来历：
robot，原为robo，意为奴隶，即人类的仆人。作家罗伯特创造的词汇。 3.组成： 机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。 是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。 4.检测装置的作用： 是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。 5.控制系统有两种方式：
仿生机器鱼的控制系统设计与实验研究
工学硕士学位论文 仿生机器鱼的控制系统设计与实验研究 戴 坡 哈尔滨工业大学 2006年6月
图书分类号：TJ610.2 U.D.C.: 681.14 工学硕士学位论文 仿生机器鱼的控制系统设计与实验研究 硕士研究生：戴 坡 导师：陈维山 教授 申 请 学 位：工学硕士 学科、专业：机械电子工程 所在单位：机电工程学院 答辩日期：2006年6月 授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index：TJ610.2 U.D.C.: 681.14 Dissertation for the Master Degree in Engineering CONTROL SYSTEM DESIGN AND EXPERIMENTAL STUDY ON FISH-LIKE ROBOT Candidate：Dai Po Supervisor：Prof. Chen Weishan Academic Degree Applied for：Master of Engineering Specialty：Mechatronics Engineering Affiliation：School of Mechatronics Engineering Date of Oral Examination：June, 2006 University：Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 长期以来，仿生机器鱼一直是仿生科研领域的一个研究热点，其中一个研究分支是模仿金枪鱼等鯵科加新月形尾鳍推进模式的仿生机器鱼，其特点是能源利用率高，推进速度快，适于长时间、大范围的水下作业。仿生推进技术对海洋考察、救生以及军事领域具有很高的应用价值。本课题依托国家自然基金项目“仿鱼鳍水下推进器的理论与实验研究”在前人机器鱼研究的基础上，开展了对鯵科加新月形尾鳍的仿生机器鱼的系统总体研究。 通过对鯵科加新月形尾鳍推进模式鱼类的仿生学研究，设计了单电机驱动两关节联动的尾鳍推进仿生金枪鱼，以胸鳍作为升降舵实现机器鱼的上浮和下潜，还可实现惯性前进转弯和静止转弯。建立了参数化的两关节尾鳍推进模式的数学模型，并对推进过程进行了运动学和动力学分析。 针对仿生机器鱼的运动特点，设计了基于C8051单片机的机器鱼硬件控制系统，建立整个推进系统的硬件控制平台，并进行了基于C语言的下位机嵌入式控制软件的开发,完成了控制程序的编写和调试。 进行了遥控控制机器鱼实现加减速、转弯、升潜三维动作的水下试验。加减速试验论证了尾鳍摆动频率、尾鳍后缘最大摆幅以及尾鳍的最大击水角度对鱼体速度的影响；转弯试验测得了机器鱼惯性前进转弯和静止转弯时的转弯半径；在机器鱼的升潜试验中论证了胸鳍不同转角对升潜运动的影响。 关键词仿生机器鱼；PWM；运动学分析；C8051 - I -
仿生机器鱼研究进展及发展趋势_王扬威
第27卷第2期2011年4月机械设计与研究M a c h i n e D e s i g n a n dR e s e a r c h V o l .27N o .2 A p r .,2011 收稿日期:2010-05-10 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50775049);机器人技术与系 统国家重点实验室(哈尔滨工业大学)自主资助研究课题(S K L R S 200805C ) 文章编号:1006-2343(2011)02-022-04 仿生机器鱼研究进展及发展趋势 王扬威,王振龙,李 健 (哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨 150001,E -m a i l :w y w k l y @126.c o m ) 摘 要:随着海洋资源开发和利用的深入,仿生机器鱼已成为水下机器人研究的热点问题。文中介绍了仿生机器鱼的分类,分析了各类型的游动特点。对鱼类游动机理和仿生机器鱼的研究现状进行了综述,总结了仿生机器鱼研究的关键技术和未来发展趋势。 关键词:海洋资源;水下机器人;仿生机器鱼中图分类号:T P 242.3 文献标识码:A R e s e a r c hD e v e l o p m e n t a n dT e n d e n c y o f B i o m i m e t i c R o b o t F i s h W A N GY a n g -w e i ,W A N GZ h e n -l o n g ,L I J i a n (S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f R o b o t i c s a n d S y s t e m ,H a r b i nI n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ,H a r b i n 150001,C h i n a ) A b s t r a c t :B i o m i m e t i c r o b o t f i s h h a s b e c o m e a r e s e a r c h f o c u s i n u n d e r w a t e r r o b o t d o m a i n w i t h t h e e x p l o i t a t i o n a n d u t i l i z a t i o n o f o c e a n i c r e s o u r c e s .T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e c a t e g o r i e s o f b i o m i m e t i c r o b o t f i s ha n da n a l y s e s t h ec h a r a c -t e r i s t i c s o f t h e v a r i o u s s w i m m i n g t y p e s f i r s t l y .T h e n t h e r e s e a r c h s t a t u s i nq u o o f f i s hs w i m m i n g t h e o r y a n d b i o m i m e t i c r o b o t f i s h i s r e v i e w e d .A t l a s t t h e k e y t e c h n o l o g i e s a n d t h e d e v e l o p i n gt e n d e n c y o f b i o m i m e t i c r o b o t f i s h i s d i s c u s s e d . K e y w o r d s :o c e a n i c r e s o u r c e s ;u n d e r w a t e r r o b o t ;b i o m i m e t i c r o b o t f i s h 伴随着人类文明的发展,可开采和利用的陆地资源正日益减少和枯竭。海洋面积占地球面积的71%,海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源。21世纪是海洋的世纪,人类开发海洋和利用海洋的脚步,随着科技的发展逐渐加快。具有海洋勘测、海底探查、海洋救捞、海底管道检测、以及水下侦查和跟踪功能的水下机器人,已成为探索海洋、开发海洋和海洋防卫的重要工具。 采用传统螺旋桨推进器的水下机器人,在螺旋桨旋转推进过程中会产生侧向的涡流,增加能量消耗、降低推进效率,且有噪声。海洋生物中的鱼类,种类繁多、形态各异,经过亿万年的进化,使其具有了非凡的游动能力。鱼类通过身体运动推动周围的水,以此来获得推进力,对于涡流的精确控制使得鱼类游动推进效率高、机动性好。模仿鱼类的游动推进模式,研制出高效低噪、灵活机动的仿生机器鱼,用以进行水下复杂环境作业,已经成为研究人员追求的目标。 随着机电一体化技术、计算机技术、流体力学和仿生学等相关学科的发展,研究人员研制出了多种仿生机器鱼。现有的机器鱼已经可以模仿鱼类的多种运动模式。但是,现有的仿生机器鱼还难以满足实用性的要求。仿生机器鱼难以实现完全柔性的推进运动,推进效率难以与鱼类媲美,机动性和稳定性还存在不足,操纵性、智能控制、通讯等问题还有待解决。 1 仿生机器鱼的分类及特点 仿生机器鱼是通过模仿鱼类的游动方式来实现推进的,其分类可以依据鱼类游动分类方式进行划分。根据鱼类游动使用的身体部位不同可以将鱼类游动分为身体和/或尾鳍推进(B o d y a n d /o r c a u d a l f i np r o p u l s i o n ,B C F )模式及中鳍和/或对鳍推进(M e d i a a n d /o r p a i r e d f i np r o p u l s i o n ,M P F )模式(见图1),每种模式又可分为几个小类[1]。纯波动是指游动时推进波波数不少于1,而纯摆动小于0.5。B C F 模式和M P F 模式均包括了从纯波动到纯摆动的推进方式。 B C F 模式通过波动身体的某部分和尾鳍,形成向后的推进波,包括鳗鲡模式、亚鲹科模式、鲹科模式、鲔科模式和箱鲀科模式。大多数鱼类,都采用这种推进方式。B C F 模式可实现连续、快速、高效率的游动。 多数鱼类的背鳍、臀鳍、胸鳍和腹鳍只用于辅助推进、调整姿态,但占鱼类总数约15%的M P F 模式的鱼类却以这些鳍作为主要推进部件。M P F 模式游动速度慢,但稳定性好、机动性高。 2 仿生机器鱼研究现状 鱼类是海洋和淡水中最常见的游动生物,其具有的低阻力外形和高效、灵活的游动方式是人类水下航行器设计的重要参考。鱼类游动机理的研究是仿生机器鱼设计研究的基础。对于鱼类游动机理的研究开展的较早,在观测和实验的基础上,相继建立了多种游动推进理论。20世纪90年代以后,随着相关技术的发展,研究人员研制出真正意义上的模仿鱼类游动模式的机器鱼。
仿生机械鱼研究新进展
“如果瞧到一只游动得鱼,您会想到什么？”如果有人问起这个问题,按照笔者得思维,准就是会回答:“清蒸得得话会就是非常得鲜美,红烧得得话口感应该会更加香。”而带着同样得问题,笔者走进仿生机器鱼课题组,组员们给出得答案却超出了日常生活,她们得回答就是:“瞧见尾鳍得一摆一动,勾起我们得就是如何能进一步改进控制算法,在仿生鱼身上更完美地实现鱼类得波动推进方式。” “用智能算法来理解鱼之乐” 按预约得时间,笔者来到了仿生鱼课题组所在得办公室——自动化大厦9层906室。课题组成员王硕研究员热情地将我们请到了十三层咖啡厅,点上一壶茶水,在茶叶得沉落之间,为我们一一讲述关于仿生机器鱼得话题。 仿生机器鱼得研究工作由复杂系统控制与管理国家重点实验室得谭民研究员组织与指导,多名研究员、副研究员与在读博士生、硕士生共同合作开展。 一边品茶,王硕一边回忆起课题组得情况。顺着时间得脉络,她将课题组得情况进行了简要得回顾。 王硕告诉笔者:“仿生鱼作为课题组得研究内容,已经长达十余年之久。最早就是在2001年,谭民老师与北京航空航天大学王田苗教授
交流时,谈到就是否可以将研究所智能控制算法应用于工业设计中。受其启发,课题组开始了仿生鱼得研究。”2001年算就是探索起步阶段,这一时期主要就是对鱼类得跟踪模仿。 到2003年前后,课题组得研究进入到一个新得阶段:三维仿生运动阶段。为了提高任务得环境适应性,需要机器鱼具有水中得三维运动能力,也就就是需要机器鱼除了推进外还要能够上浮下潜,甚至维持某一深度。课题组在已有多关节仿生机器鱼得基础上,总结设计了一种新型机器鱼,基于改变胸鳍攻角法,完成仿生机器鱼得俯仰与浮潜运动,设计得机器鱼既可实现俯仰与浮潜,响应迅速,动态特性好。 到2004年,课题组提出一种基于重心改变法得仿生机器鱼俯仰姿态与深度控制方法,用于实现机器鱼水中得浮潜运动。据介绍,这种方法利用一种可调整位置得配重块结构,以改变机器鱼得重心位置,进而实现机器鱼俯仰姿态得调节。 2005年之后,课题组开始了仿生机器鱼转身、快速起动、运动中变速与转向、倒游、定深、制动等高机动控制研究。 经过十多年得坚持与攻坚,课题组在对鱼类深入观察得基础上,结合仿生学、机器人学、材料学、机械学与智能控制,深入探讨了鱼类游动得机制,形成了身体/尾鳍推进、胸鳍推进、子母式、长鳍、两栖、海豚式推进等多个系列,聚焦高机动、高游速两大指标,目前已实现利用多模式控制技术将多种性能集成到高性能机器鱼平台。课题组成员
仿生机器鱼
未来奇兵仿生机器鱼 仿生技术的军事应用正在快速发展，各国都投入大量资金深入开展从空中的掌上飞机、地面的微型昆虫到水下的仿生机器鱼等方面的一系列理论和技术研究。其中，水下仿生机器鱼的发展更是如火如荼。 仿生机器鱼是模仿鱼类游动的推动机理，通过机械、电子机构或功能材料（形状记忆合金、人造肌肉等）来模拟鱼类的游动推进动作，在水中利用身体、尾鳍或胸鳍的摆动产生推进波，并作用于身体产生向前推力，从而实现运动的水下航行器。 三种模式 根据推进模式访生机器鱼的推进方式可分为三类：身体波动式，(鱼+参)科及(鱼+参)科加新月形尾鳍模式和胸鳍模式。 身体波动式是模仿鳝鱼等鳗鲡目鱼类的游动方式，整个身体都参与大振幅波动运动，推进波的速度大于鱼的游动速度，并与鱼的游动方向相反地在身体上传播产生推进力。此类仿生机器鱼多采用多关节机构，每个关节安装一个小型伺服电机配合作用进行扭转摆动推进。也可采用形状记忆合金做鱼身，采用电激励或其他形式激励，控制合金的温度变化从而产生形变带动身体摆动。其实人们所熟悉的机器蛇在水中若能浮起就变成了机器鱼。此类机器鱼由于身体细长，柔韧性好，所以机动性极好，但一般只能飘浮，无法进行沉浮。 (鱼+参)科及(鱼+参)科加新月形尾鳍模式是大部分鱼类（如海豚、鲨鱼、金枪鱼等）采用的推进模式。由于身体刚度较大，波动主要集中在身体后部分，推进力主要由具有一定刚度的尾鳍提供，其推进速度和推进效率比身体波动式高。(鱼+参)科模式的推进部分是鱼体的后2／3部分，而(鱼+参)科加新月形尾鳍模式身体刚度更大，推进部分为身体后1／3部分，侧向位移主要产生在后颈部和尾鳍，尾鳍产生90％的推进力，身体前2／3部分保持刚性。目前，(鱼+参)科及(鱼+参)科加新月形屋鳍模式的机器鱼研究较多，可以采用具有一定刚度的材
机器人实习报告(20201101124019)
技师核心技术专题研修 课程设计报告 论文题目________ 机器人实习报告_____________ 专业班级10 电气技师1 学生姓名________ 杨明洁___________ 学号_____________ 101921 _______ 指导教师___________ 方铮 __________ 宁波技师学院电气技术系 二零一五年五月
摘要 机械手是能模仿人和臂的某些动作功能，用以固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。为了满足生产的需要，机械手要求设置多种工作方式，例如手动和自动（包括连续、单周期、单步和自动返回初始状态）工作方式。在运动控制方面，PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。所以利用PLC程序控制可以实现机械手的控制要求。通过梯形图程序使各动作电磁阀动作，配合各极限位置的限位开关，准确而又循环的连续操作。系统以液压传动为驱动方式，避免使用三相异步电动机，具有防过载的优点。机械手、PLC液压系统组成的整 体具有高效、安全、经济、实用等特点。 关键字：机械手，液压，PLC电子阀，机械臂
目录 1 引言 (1) 2 硬件组成 (2) 2.1 机械臂的选择 (2) 2.2 控制器的类型 (3) 2.3 示教单元 (4) 2.4 JOG 操作 (6) 2.5 PLC (8) 2.6 控制电源的ON/OFF (11) 2.7 抓手的操作 (12) 2.8 JOG 操作中的机器人动作 (14) 附录 1 (17)
1 引言 通过本门课的学习，机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。 机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。
一种新型仿生机器鱼的机构设计与执行(翻译)
一种新型仿生机器鱼的机构设计与执行(翻 译) 一种新型仿生机器鱼的机构设计与执行 摘要 引入了一种机器鱼的机构设计方法。基于这种方法，设计一种带有胸鳍和尾鳍的自主三维运动机器鱼。胸鳍是三自度机器，使得机器鱼能够通过控制两个胸鳍来实现偏航和纵向运动。而尾鳍机构设计是基于拟合机器鱼波状与运动曲线。向前的速度可以通过改变尾部机构摆动频率来实现。最后给定机器鱼的物理执行机构和实验结果。 关键字：仿生，鱼体波形，机械，机器鱼，胸部，尾部0.介绍 许多机器人概念的设计源于自然界，因为自然选择已使得生物对环境有很好的适应性。一个典型的例子就是鱼推进机理的研究，这个研究可以提高水下航行器的性能。不同于传统的螺旋桨推进的水下航行器，鱼依赖于鳍和尾部的运动来提供向前的推力。对于真实鱼科学研究发现，这种推进方式能产生更高效率的推力并且产生的噪声很小。受这种发现的激发，许多学者已经开始致力于研究机器鱼，以具有高速和操纵性良好的小型水下航行器的发展提供更多的线索。 先前有关机器鱼发展的努力工作可以追溯到1991年
robotuna的triantafyliou等人的著作。装有柔性尾部和上下摆动薄片的机构能够产生额外的流体动力以产生推力，robotuna得出了这种方式的许多优点，包括能源的节约和长任务持续时间。在这个成功的例子之后，许多机器鱼被研究用于不同的目的。为了证实鱼胸鳍的作用，kato在1995年制作了“黑鲈鱼”号，这条“鱼”配备了胸鳍状机构。实验结果表明波状运动和一对胸鳍的引导共同决定了向前，向后，悬停和旋转运动。在20XX年，Guo等人呈现了一种类似鱼的水下微型机器人的原型。这种机器人有两个独立控制的尾鳍，一个体姿态调整器和一个浮力调整器。为了认识三自度的游动，一种离子控制聚合体薄膜激励被利用来作为伺服激励。在20XX年，koichi设计了一种机器鱼的原型。它的体长大概600mm并且它带有三个铰链连接的尾部，这些铰链的运动是通过两个带有初始链接结构的补助马达间接变速装置来激励的。Yu进一步发明了一种带有速度控制、四铰链连接的仿生机器鱼，它是使用柔性尾部和震荡薄片作为推进器的。机器鱼的游动速度是通过铰链连接震荡频率来调节的，它的方向是通过铰链连接的偏转差异来控制的。 必须说明的是上述所有的研究是基于体设计和尾鳍推进或胸鳍推进。然而，鱼可以展示不仅仅一种游泳模式，在不同的时间有不同的速度。中线和成对鳍常规的联合使用，以两者的不同贡献以提供推力，从而获得平滑的轨迹。此外，
劳技课 仿生机器人 PVCBOT课程方案
PVCBOT系列机器人课程方案 DIY-BOT工作室
PVCBOT课程方案 一、课程概述 2.1、PVCBOT的含义 “PVCBOT”的本意就是以PVC材料作为基本结构来制作的机器人。PVC是一种塑料，我们这里所说的PVC材料其实就是平常在网络或者电路布线时所用到的PVC线槽。 通常我们主要使用白色方形管状的PVC线槽，比较容易找得到，且价格便宜，在普通的五金商店 几块钱就可以买得到很多。虽然PVC线槽材料的硬度并不 是很高，但是由于我们这里将要分享的都是比较小型甚至 微型的机器人，体型小所以对材料的机械强度要求也不高， 采用PVC线槽算是一种很适合的材料选择。而且PVC线 槽加工起来还很简单方便，相对于对金属材料进行加工时 所需要的机床等专业设备，加工PVC线槽只是需要“大剪 刀+美工刀+小锥子”的组合，用比较容易掌握的类似“手 工剪纸”的方式就可以很好的完成。另外由于这里涉及的 机器人体型小，所以开展活动时所需要的场地空间不大，同时对各种器件的性能要求也没有那么高，整体成本也相对较低。 由此，我们可以认为“PVCBOT”是定位在“低成本、易实现”的一项机器人DIY活动。 2.2、PVCBOT的特点 目前，市面上的DIY机器人器材基本上是以拼装类或搭建类机器人为主，都是把现成加工好的零部件直接拼装或者搭建起来就能完成机器人的制作，这其中常见主要有两类，一类是“拼装模型”发展起来的“套件拼装类机器人”，另一类是以“乐高”为代表的“积木搭建类机器人”。 为了便于理解，下面我们把PVCBOT系列机器人与这两类机器人作对比，以此更好的来介绍PVCBOT的特点。 1、套件拼装类机器人 所谓套件拼装类机器人，是由供应商提供设计好的某一特 定造型和功能的机器人的整套零部件，爱好者根据简易的图纸 就能把整个机器人组装起来。这就和拼装模型类似，只不过由 模型车船换成了机器人。 套件拼装类机器人可以降低DIY机器人的难度，保证制作 的效果，但对锻炼动手能力的帮助就比较有限，同时也限制了 个人的创造发挥，因而套件拼装类机器人往往被看作是纯粹的 模型玩具。