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1、电磁驱动软体仿生鱼第1页，共33页，编辑于2022年，星期一1.1.研究现状研究现状2.2.鱼类推进理论鱼类推进理论3.3.机器鱼的机械设计机器鱼的机械设计4.4.整体设计方案整体设计方案第2页，共33页，编辑于2022年，星期一机器鱼的研究现状第3页，共33页，编辑于2022年，星期一机器鱼的研究现状第4页，共33页，编辑于2022年，星期一鱼类推进理论第5页，共33页，编辑于2022年，星期一鱼类推进理论a a 鱼类的形体结构鱼类的形体结构第6页，共33页，编辑于2022年，星期一鱼类推进理论a a 鱼类的形体结构鱼类的形体结构纺锤形侧扁形平扁形圆筒形水动力学阻力也很小，显示出这类外形具有
2、良好的水动力学性能第7页，共33页，编辑于2022年，星期一鱼类推进理论a a 鱼类的形体结构鱼类的形体结构尾鳍尾鳍长距离游动中优势明显第8页，共33页，编辑于2022年，星期一鱼类推进理论a a 鱼类的形体结构鱼类的形体结构 胸鳍胸鳍鱼类胸鳍的运动一般包含三个自由度，这样才能保证胸鳍产生三维的力，实现上浮、下潜运动。第9页，共33页，编辑于2022年，星期一鱼类推进理论b 鱼类游动方式 喷射式喷射式 BCF推进方式推进方式（又称尾鳍摆动式）（又称尾鳍摆动式）MPF推进方式推进方式第10页，共33页，编辑于2022年，星期一机器鱼的机构设计第11页，共33页，编辑于2022年，星期一机器鱼的机
3、构设计单关节机器鱼的结构虽然简单，但运动姿态过于生硬，因单关节机器鱼的结构虽然简单，但运动姿态过于生硬，因此不予采用。两关节机器鱼，可以较好的模拟鱼类的运动此不予采用。两关节机器鱼，可以较好的模拟鱼类的运动姿态，控制上也比较简单，因为关节较少，体积可以压缩姿态，控制上也比较简单，因为关节较少，体积可以压缩到一个可承受的范围内，因此，最终选择两个关节作为我到一个可承受的范围内，因此，最终选择两个关节作为我们机器鱼的设计方案。们机器鱼的设计方案。自由度选择与分段设计方案自由度选择与分段设计方案自由度选择与分段设计方案自由度选择与分段设计方案第12页，共33页，编辑于2022年，星期一机器鱼的机构设
4、计 鱼体骨架的设计鱼体骨架的设计采用采用主脊柱主脊柱与与肋环肋环结构，使鱼成结构，使鱼成 为一个整体空腔，便于内部安装其他机构。肋环直径各不相同，以保持鱼体的流线型，为一个整体空腔，便于内部安装其他机构。肋环直径各不相同，以保持鱼体的流线型，从而使鱼体外形更流畅，减少阻力。主脊柱由刚性材料和劲度系数适中的弹簧组成。刚从而使鱼体外形更流畅，减少阻力。主脊柱由刚性材料和劲度系数适中的弹簧组成。刚性材料可保持鱼体的特定形状，对肋环起支撑作用。性材料可保持鱼体的特定形状，对肋环起支撑作用。劲度系数适中的弹簧可使鱼体尾劲度系数适中的弹簧可使鱼体尾部具有一定的柔韧性部具有一定的柔韧性。因为尾部波动的形成，
5、要求尾部是一个弹性体，这。因为尾部波动的形成，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。弹簧的刚性需控制在一定范围内，太硬会导致损耗太获得向前的动力。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，阻力大，而太软又无法保持鱼的形体。多的电机功率，阻力大，而太软又无法保持鱼的形体。第13页，共33页，编辑于2022年，星期一机器鱼的机构设计 第14页，共33页，编辑于2022年，星期一机器鱼的机构设计 第15页，共33页，编辑于2022年，星期一机器鱼的机构设计
6、第16页，共33页，编辑于2022年，星期一机器鱼的机构设计鲹科鲹科类尾部的参数设计 摆动部分长度占身体总长的比例摆动部分长度占身体总长的比例 身长与摆动部分的比例是鱼类科目划分的一个重要依据。根据R的不同取值，鱼类可以划分为鳗鲡科、骖科、亚鳢科、鲔形科等。同时，这一比例关系对于鱼类游动的速度和机动性也有很重要的影响。一般来说，随着R的减小，鱼类的游动效率和游动尾部占身体比例1/3第17页，共33页，编辑于2022年，星期一机器鱼的机构设计摆动部位的简化关节数摆动部位的简化关节数摆动关节数N越多，鱼体的柔性越大，其游动灵活性越高，但其游动效率越低。随着R的减小N随之减小，其身体的刚性增加，游动
7、效率增加，身体灵活性降低。考虑到机电系统的结构和尺寸约束，以及在多关节串联情况下容易出现的大误差累积，N也非越大越好。设计过程中需要考虑机器鱼的总体尺寸、所要求的性能以及机电系统的精度等因素。鲹科鲹科类尾部的参数设计关节数为4第18页，共33页，编辑于2022年，星期一机器鱼的机构设计鲹科鲹科类尾部的参数设计尾鳍形状尾鳍形状 尾鳍的形状与身体的游动特征密切相关。一般来说，R越大，主要由身体波产生推进力，尾鳍的形状主要用来调节机动性能，因此，尾鳍柔性较高，多成半圆形和梯形。R越小，尾鳍在摆动时产生的推进力越大，同时其尾鳍的刚性大。凡游动快速而又作长距离洄游的鱼类，尾鳍多呈新月形或叉形，且尾柄较狭
8、细而有力，如金枪鱼、鲐鱼、鲅鱼等。新月形第19页，共33页，编辑于2022年，星期一电磁驱动装置的设计第20页，共33页，编辑于2022年，星期一电磁驱动装置的设计动力源的选择动力源的选择 传统驱动主要包括电机驱动，液压驱动与气压驱动。传统驱动一传统驱动主要包括电机驱动，液压驱动与气压驱动。传统驱动一般来说体积都较大，难以用来设计微型机器鱼，但是材料容易获取，在一般般来说体积都较大，难以用来设计微型机器鱼，但是材料容易获取，在一般机器鱼的设计中使用较多。大部分动力源为电机，需要使用运动机构，因此机器鱼的设计中使用较多。大部分动力源为电机，需要使用运动机构，因此带来噪声、机械损耗等问题。带来噪声
9、、机械损耗等问题。本设计概念正是针对以上问题提出的，采用新型动力本设计概念正是针对以上问题提出的，采用新型动力源，结构简单，容易实现，并且噪声、振动、机械损耗都比较小。源，结构简单，容易实现，并且噪声、振动、机械损耗都比较小。第21页，共33页，编辑于2022年，星期一电磁驱动装置的设计电磁装置的设计图电磁装置的设计图 1 1鱼体主轴鱼体主轴2 2侧骨架侧骨架3 3尾端尾端4 4铰链转轴铰链转轴5 5磁铁磁铁6 6阻尼装置阻尼装置7 7电磁装置电磁装置 结合图结合图1 1，鱼体动力装置的设计包括主轴，鱼体动力装置的设计包括主轴1 1、侧骨架、侧骨架2 2，主轴为分节结构，各节，主轴为分节结构，
10、各节之间由铰链之间由铰链4 4连接，每一节主轴上固定一个侧骨架，最后一节主轴上安装有尾鳍连接，每一节主轴上固定一个侧骨架，最后一节主轴上安装有尾鳍3 3，在每一，在每一节侧骨架的断头安装电磁装置节侧骨架的断头安装电磁装置5 5。在最后一节与倒数第二节主轴上设置有阻尼装置。在最后一节与倒数第二节主轴上设置有阻尼装置6 6。而本。而本设计的电磁装置是既能产生拉力，又能产生推力的电磁铁。整个装置固定在上述设计的鱼设计的电磁装置是既能产生拉力，又能产生推力的电磁铁。整个装置固定在上述设计的鱼骨架中，保证整个鱼的灵活性。骨架中，保证整个鱼的灵活性。第22页，共33页，编辑于2022年，星期一电磁驱动装置
11、的设计电磁装置的工作原理电磁装置的工作原理 接通电源，在向右摆尾时，使电磁装置接通电源，在向右摆尾时，使电磁装置产生如图所示的磁场，即产生如图所示的磁场，即A A侧电磁装置之侧电磁装置之间产生引力作用，而间产生引力作用，而B B侧电磁装置之间产侧电磁装置之间产生斥力作用，在力的作用下相邻动力段生斥力作用，在力的作用下相邻动力段之间将产生转角，最终使鱼尾摆向右侧。之间将产生转角，最终使鱼尾摆向右侧。在向左摆尾时，改变通向电磁装置在向左摆尾时，改变通向电磁装置的电流方向，使电磁装置产生如图的电流方向，使电磁装置产生如图所示的磁场，即所示的磁场，即A A侧电磁装置之间产侧电磁装置之间产生斥力作用，在
12、力的作用下相邻动生斥力作用，在力的作用下相邻动力段之间将产生转角，最终使鱼尾力段之间将产生转角，最终使鱼尾向左摆。向左摆。再次改变部分电磁装置的电流方向，鱼尾将再次改变部分电磁装置的电流方向，鱼尾将摆向右侧。周期性的改变电流，即可使鱼尾左右摆摆向右侧。周期性的改变电流，即可使鱼尾左右摆动。控制电流改变的频率即可控制鱼尾摆动的频率，动。控制电流改变的频率即可控制鱼尾摆动的频率，而电流的频率我们选择用单片机控制。而电流的频率我们选择用单片机控制。第23页，共33页，编辑于2022年，星期一电磁驱动装置的设计电磁装置的工作原理电磁装置的工作原理 接通电源，在向右摆尾时，使电磁接通电源，在向右摆尾时，
13、使电磁装置产生如图所示的磁场，即装置产生如图所示的磁场，即A A侧电侧电磁装置之间产生引力作用，而磁装置之间产生引力作用，而B B侧电侧电磁装置之间产生斥力作用，在力的磁装置之间产生斥力作用，在力的作用下相邻动力段之间将产生转角，作用下相邻动力段之间将产生转角，最终使鱼尾摆向右侧。最终使鱼尾摆向右侧。在向左摆尾时，改变通向电磁装在向左摆尾时，改变通向电磁装置的电流方向，使电磁装置产生置的电流方向，使电磁装置产生如图所示的磁场，即如图所示的磁场，即A A侧电磁装置侧电磁装置之间产生斥力作用，在力的作用之间产生斥力作用，在力的作用下相邻动力段之间将产生转角，下相邻动力段之间将产生转角，最终使鱼尾向
14、左摆。最终使鱼尾向左摆。再次改变部分电磁装置的电流方向，鱼尾再次改变部分电磁装置的电流方向，鱼尾将摆向右侧。周期性的改变电流，即可使鱼尾将摆向右侧。周期性的改变电流，即可使鱼尾左右摆动。控制电流改变的频率即可控制鱼尾左右摆动。控制电流改变的频率即可控制鱼尾摆动的频率，而电流的频率我们选择用单片机摆动的频率，而电流的频率我们选择用单片机控制。控制。由于整个产生动力过程中，第由于整个产生动力过程中，第2 2组组与第与第4 4组的电磁装置磁极没有发生组的电磁装置磁极没有发生变化，故为降低能源，第变化，故为降低能源，第2 2组与第组与第4 4组磁铁可用永磁铁代替，即可称组磁铁可用永磁铁代替，即可称为电
15、磁的永磁模块，而第为电磁的永磁模块，而第1 1组与第组与第3 3组则为电磁铁，是通过改变电流组则为电磁铁，是通过改变电流频率，而使磁极不断变化的动力频率，而使磁极不断变化的动力部分，故称为动力模块。部分，故称为动力模块。第24页，共33页，编辑于2022年，星期一整体设计方案鱼身支架结构第25页，共33页，编辑于2022年，星期一整体设计方案鱼身支架结构第26页，共33页，编辑于2022年，星期一整体设计方案防水处理 玻璃钢模具制作（玻璃钢工艺）模具制作脱模剂胶衣层表面层增强层加强层 第27页，共33页，编辑于2022年，星期一整体设计方案胸鳍结构（方案一）第28页，共33页，编辑于2022年
16、，星期一整体设计方案胸鳍结构（方案二）第29页，共33页，编辑于2022年，星期一整体设计方案动力系统磁力驱动系统第30页，共33页，编辑于2022年，星期一整体设计方案实现方式：通电电磁铁实现方式：通电电磁铁1 1与电磁铁与电磁铁2 2之间产生同极之间产生同极互斥的作用力而远离电磁互斥的作用力而远离电磁铁铁2 2，此时开关被断开，此时开关被断开，电路也被断开，电磁铁电路也被断开，电磁铁1 1和电磁铁和电磁铁2 2都失去磁性，都失去磁性，而电磁铁而电磁铁1 1也被弹性物体也被弹性物体弹了回来，开关闭合，电弹了回来，开关闭合，电磁铁又产生了磁性磁铁又产生了磁性电磁感应原理第31页，共33页，编辑
17、于2022年，星期一整体设计方案一种磁力驱动装置的设计方案一种磁力驱动装置的设计方案一种将电磁力转化为机械力的磁力驱动装置，包括两个电磁铁，它们首一种将电磁力转化为机械力的磁力驱动装置，包括两个电磁铁，它们首尾相对排成一条直线，并被弹簧连在一起。所述电磁铁尾相对排成一条直线，并被弹簧连在一起。所述电磁铁2 2被固定着，而电被固定着，而电磁铁磁铁1 1是可移动的。所述电磁铁是可移动的。所述电磁铁1 1的导线的一端的连着一块衔铁的导线的一端的连着一块衔铁B1B1，另一，另一端与电磁铁端与电磁铁2 2的导线的一端连在一起，电磁铁的导线的一端连在一起，电磁铁2 2的导线的另一端连着电源的导线的另一端连
18、着电源的负极，而电源的正极连着另一块衔铁的负极，而电源的正极连着另一块衔铁A1A1。所述电磁铁。所述电磁铁1 1与电磁铁与电磁铁2 2组成组成串联电路，它们的磁极方向相互一致。串联电路，它们的磁极方向相互一致。此装置是如此实现的：在通路时，通过利用弹簧的弹性势能来将两块衔此装置是如此实现的：在通路时，通过利用弹簧的弹性势能来将两块衔铁靠在一起，让电磁铁铁靠在一起，让电磁铁1 1与电磁铁与电磁铁2 2之间产生同极互斥的作用力，使电磁之间产生同极互斥的作用力，使电磁铁铁1 1做远离电磁铁做远离电磁铁2 2的运动，因弹簧的弹性势能，电磁铁的运动，因弹簧的弹性势能，电磁铁1 1又被弹回来，又被弹回来，从而循环地进行驱动运动。从而循环地进行驱动运动。第32页，共33页，编辑于2022年，星期一ENDENDENDENDENDENDEND第33页，共33页，编辑于2022年，星期一