仿真鱼结题报告.docx
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仿真鱼结题报告.docx
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仿真鱼结题报告
福建工程学院学生科研项目
结题报告
项目编号:
项目名称:
仿真机器鱼的机构设计、仿真与实现
资助金额:
负责人:
王晖
所在部门:
机电系机械0801
起止时间:
2009.11-2010.11
共青团福建工程学院委员会
研究工作总结
请按照下列提纲编写,要求简明扼要,实事求是,以学术和技术总结为主。
1、主要研究成果,特别要说明主要的科学发现和创新之处,并有具体的内容和必要的数据。
2、此项目研究的科学意义和应用前景;
3、与预期计划目标比较说明完成情况和存在的问题。
一、结构设计
1.外形设计
第一阶段:
下图1所示,鱼形总长约15-~45cm,表面外壳设计主要用复合型碳纤维材料,并且防水胶处理表面,一方面保证其强度要求,另一方面其质量也不会太大,且很好的解决了防水和伸缩性的问题。
身体和头尾之间用不锈
图1第一阶段外形图图2第二阶段外形图
钢圆框作固定并作防腐处理。
机器鱼的后部有两片平行于水面的尾舵,随着尾舵转动,机器鱼可以上浮和下
潜。
还有一条竖直的尾鳍,用来保证平稳。
第二阶段:
景资料查阅后,考虑到安装内部结构的需要,对外形进行改造,最终确定如图2,所用材料等均不变。
进一步对外形进行改造,最终确定如图2,所用材料等均不变,具体尺寸如上图所示
2.摆动机构
依据“波动理论”,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。
图3摆动机构图4摆动机构局部装配
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。
我们选择四连杆机构将电机的转动转换成为摆杆的往复运动如图3。
考虑到鱼体内的空间有限,确定摆动角为40°,曲柄长
度为30mm,连杆为20mm,摆杆为200mm如下图5、图6。
主要依靠电机提供动力,通过四连杆机构实现仿真鱼机体的摆动,使其向前游动。
图5杆1图6杆二
图7滑块图8装配
设计支撑架将四连杆机构固定在鱼体内,将曲柄设计也可应用滑块来完成动作如上图7与图8,用于连杆与摆杆;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,完成整个固定工作杆4与杆1的交接处由固定铰链连接,保证稳固不动,
图6
杆4与杆3处由活动铰链连接,可以使杆3绕交接点自由转动,(确保杆4固定),带动杆2一起往复运动(杆2与杆3也是活动铰接),从而推动流体运动,完成摆动机构,实现机体游动。
3.转弯设计
主要依靠尾部的偏转以及游动的惯性来设计转弯原理。
可利用霍尔传感器
设置拐弯动作。
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。
4.沉浮机构设计
图9沉浮机构零件实体设计图
用气缸排开水的体积来模拟鱼鳔的收缩实现其沉浮设计,上图9为设计过程,采用双电机驱动气缸,在其往复做功的工程中,再配以电磁阀的开合,控制水储器中的高低压转变,如图10所示气缸底部同时开有两个开口完成进水排水的工作,另外在条件允许的情况下,为达到更明显的沉浮运动,还在气缸上步开有进气口,也有人运用气压实现气缸活塞的往复运动,从而实现鱼的上浮和下沉,个零部件具体参数如下各图:
图10底座
图11上盖
图13销钉
图12凸轮
图14沉浮机构完整示意图图15内部结构装配图
二、各部件材料确定
(1)鱼的骨架用注塑材料,尾部用软化纤维材料,便于摇摆。
(2)骨架表面用PU革,利用其防水和粘合后不漏水的性质。
(3)内部的杆和滑块均用复合塑料材料以减轻鱼身的重量。
(4)能源装置为12V蓄电池
(5)马达为12V、1.8A的直流电动机
三、加工工艺
(1)鱼的骨架先用纸做一个鱼身模型,再用来喷塑。
(2)裁剪PU革为外壳形状,再用502粘与外壳。
(3)用金属膜压制内部各杆。
四、研究意义与发展前景
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,
这就要求突破当今专一的运输方式和水下推进方式,追求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-------仿鱼机器人。
仿鱼机器人是参照鱼类的游动推进机理,利用机械和电子手段以及功能材料来模拟鱼游动作,从而实现高效的水下运动的一种机械装置。
与传统螺旋桨推进器相比,具有高效率、高机动性和低噪音等优点。
对于仿真鱼的研究有机器广阔的发展前景,我们追求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-------仿鱼机器鱼。
仿鱼机器鱼是参照鱼类的游动推进机理,利用机械和电子手段以及功能材料来模拟鱼游动作,从而实现高效的水下运动的一种机械装置。
与传统螺旋桨推进器相比,具有高效率、高机动性和低噪音等优点。
所以说对于方针鱼的研究有极其重要的意义。
仿鱼机器人是参照鱼类的游动推进机理,利用机械和电子手段以及功能材料来模拟鱼游动作,目前国内外仿鱼机器人研究和发展现状已有一定发展,这也也为实现各相关学科之间的交叉与互动提供了一个研究平台,仿真鱼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。
五、项目完成情况
介于往届在探究仿真鱼的实验项目中有很多棘手问题不能予以实现,我们总结经验吸取教训,在机器鱼的各种灵敏性实现探究方面做了很大改进,力求构建一条在结构和功能上能够逼真地模拟真实鱼类游动的模拟仿鱼机器人,在此主要针对以下三个问题进行探究:
(1)提高灵敏性利用“波动原理”模拟真鱼的游动动作,极大限度发挥机器鱼的灵敏性;
(2)设计绕过障碍物等急转弯动作为保证机器鱼可在水下自由作业,不受外界障碍物影响则必须解决其急转弯问题,在此可模拟鱼类的尾部偏转和游动惯性加之适当的信号检测来完善此项功能;(3)解决机器鱼的沉浮问题现我们借助于气缸排水可以很好的模拟解决这个问题,实现其上浮下沉的完整动作。
1.外形设计方面,大体形状已定并实施制造,但对于材料应用,由于一些技术欠缺并没有落实到雨设计计划相同,但最基本的功效已达所要求效果;
2.摆动机构中对于电机控制技术掌握还有欠缺,但以可实现预期效果,只是在电机数目较多,目前还在商讨改进方案,需时间后期制作;
3.转弯设计目前还未完成,一方面由于对传感只是了解甚少且电路制作存在较大困难,故先完成仿真与的前进与摆动工作,转弯设计还有待改进;
4.沉浮机构以设计完成,且方案可行性很高,基本完工。
综上,主要结构设计已基本完成,但还存在一些未完善问题,由于时间紧促,和资金的问题,尚未对做成品。
六、项目总结
为期将近一年的科创实验制作,从了解仿真鱼的基本知识技术要求及发展前景到付诸实践制作仿真鱼,对于小组成员自身而言锻炼提高了对科创知识方面的掌握程度以及动手实践能力,同时也培养很好的团队精神,共同奋进。
在大学生创新性实验计划项目中,真正学习到了探索并建立模拟问题的学习模式,充分发挥了我们的的主动性、积极性和创造性,逐渐掌握思考问题、解决问题的方法,不断提高其创新实践的能力。
通过参与科创项目,我们自己查阅文献、咨询老师在完成项目过程中,我们明白了做实验心要静,来不得半点马虎急躁,否则会前功尽弃甚至是南辕北辙;并且学到了科学研究的基本过程,意识到科研团队合作的重要性;认识到真理要靠实践来检验,理论知识只有亲身实践了才会有更加深刻的认知与了解。
本小组通过将近一年的时间完成该项试验,在研究与制作过程中积极合作,勇于进取,虽然由于资金和时间条件的限制并未完成整个实体的制作,但设计方面已完成而且有很多创新之处,至此在我们组的共同努力下,完成预定的计划。
项目负责人(签章):
年月日
此项目有更多的探索空间,在立项及整个研究过程中,该组同学敢于尝试,创新追求,并在自己不熟悉的一切技术方面做出一定成果,从而完成整个实验的设计过程,虽因时间及经费关系还尚未完成实体制作,但从目前以确定的设计方案及完成成果来看,此项目的设计已基本完成,若给予更充足的条件支持,相信会进一步得到很好的成果,故此次同意结题。
指导教师(签章):
年月日
所在部门负责人(签章):
年月日
财务决算表(元)
拨入经费:
元
支出经费:
元
支出科目
元
科研业务费
500
实验材料费
450
图书资料、文具费
450
调研费
200
协作费
400
总计
2000元
注:
经费支出按以下顺序填写:
1、科研业务费
2、实验材料费
3、图书资料、文具费
4、调研费
5、协作费
研究项目完成论文目录
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