仿生魚機(jī)器人設(shè)計(jì)-單關(guān)節(jié)魚（含CAD圖紙）

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The whole design process is divided into mechanical structure design, hardware and software design.According to the designed structure, this paper USES Solidworks software to realize structural modeling, and the process of automatic control should be carried out according to the required movement mode. After many experiments and optimization, the caudal fin with high propulsive efficiency was developed, and the maximum sailing speed, turning radius and maximum snorkeling speed of the robot merman with high propulsive caudal fin were tested. At the same time, select appropriate remote control technology, to achieve a certain depth of the robot mermaid free remote control. In addition, shell fish do beautification and other items test indicators, such as immersion seal test, life time test.After testing, all functions and performance meet the design requirements. Key words: robot fish; Ornamental type; Mechanical structure modeling: caudal fin propulsion  目錄 1 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 1 Abstract 1 第一章 緒論 1 1.1選題目的和意義 1 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.3本文主要工作 2 第二章 仿生魚機(jī)器人的總體方案分析 3 2.1魚類推進(jìn)機(jī)理分析 3 2.2驅(qū)動(dòng)器的選擇 3 2.3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 4 2.4電機(jī)的選型 5 第三章 仿生魚機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 3.1尾鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 3.2潛水驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 3.3機(jī)器魚的外殼設(shè)計(jì) 9 3.3.1外形設(shè)計(jì) 9 3.3.2殼內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 3.4尾鰭設(shè)計(jì) 12 第四章 關(guān)鍵零部件分析計(jì)算 14 4. 1 齒輪的設(shè)計(jì)與校核 14 4.2 軸的設(shè)計(jì)與校核 17 第五章 總結(jié) 19 參考文獻(xiàn) 20 謝辭 20 第1章 緒論 本部分的主要內(nèi)容是闡述畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和研究現(xiàn)狀，并制定工作計(jì)劃。 1.1選題目的和意義 當(dāng)今社會(huì)的能源已經(jīng)不在充裕，甚至出現(xiàn)了缺少的現(xiàn)象。所以全世界個(gè)大部分國(guó)家都在進(jìn)行著能夠?qū)崿F(xiàn)能源更加合理利用的方法。在造船行業(yè)，今天的螺旋槳是前進(jìn)的最常見的方式，但是當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)在水中時(shí)，雙方會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋渦，增加了功率消耗，減少游泳速度。另外，螺旋槳通常通過(guò)改變舵角來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎半徑大，操縱性差。水下螺旋槳探測(cè)器也低推進(jìn)效率，流動(dòng)性差，隱蔽性差等缺陷同樣的問(wèn)題，并圍繞螺旋槳藻類等水生植物容易纏繞，導(dǎo)致對(duì)葉片損壞，螺旋槳甚至不能工作。 魚類是自然界最早的脊椎動(dòng)物，在幾百萬(wàn)年的自然選擇之后，進(jìn)化出了在水中移動(dòng)的非凡能力。具有手動(dòng)水或水下機(jī)器人，具有魚游動(dòng)的推進(jìn)效率，良好的隱蔽性，流動(dòng)性等[1,2]進(jìn)行比較。 隨著科技的不斷進(jìn)步，不僅是機(jī)器人方面的技術(shù)在不斷地發(fā)展，仿生學(xué)也隨著不斷地深入研究發(fā)展的越來(lái)越好，目前對(duì)于放生機(jī)器魚的研究已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，并且也有著能夠?qū)崿F(xiàn)放生機(jī)器魚研究的條件。所以仿生機(jī)器鱷魚也可以是一個(gè)重要的研究方向供我們金鄉(xiāng)不斷地探索研究。仿生機(jī)器魚的有點(diǎn)狠明顯，具有良好的移動(dòng)性、節(jié)能性和隱蔽性，具有重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 機(jī)器魚的研究在國(guó)內(nèi)外有著悠久的歷史，但從仿生學(xué)的角度設(shè)計(jì)機(jī)器魚實(shí)體始于上世紀(jì)90年代。目前世界在電子方面的發(fā)展以及材料科學(xué)的迅速發(fā)展，所以對(duì)于機(jī)器魚的研究也是不斷深入。本文對(duì)小型機(jī)器人魚的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要的綜述。 2000年，日本在進(jìn)行機(jī)器魚的研究過(guò)程中，為了能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎過(guò)程，成功的發(fā)明出了PF-300。該機(jī)器魚魚長(zhǎng)約0.34m，并且身體中有兩個(gè)伺服電機(jī)分別進(jìn)行方向以及前進(jìn)的控制。朝向后部另一伺服電機(jī)。由木材制成的浮動(dòng)天線的水面上的可以在無(wú)線通信中實(shí)現(xiàn)與外界， 北京大學(xué)工學(xué)院也成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)器魚的開發(fā)，并且征途的魚的結(jié)構(gòu)有四個(gè)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，這樣就能夠更好地實(shí)現(xiàn)魚在水中的運(yùn)動(dòng)方式，前鰭控制機(jī)器人的上升和下降。 魚體上裝有攝像頭和壓力傳感器，便于控制和收集信息。 。 1.3本文主要工作 研究項(xiàng)目充分體現(xiàn)了機(jī)械設(shè)計(jì)特點(diǎn)，即給定的參數(shù)下，主要參數(shù)的粗略計(jì)算后，開始設(shè)計(jì)，然后檢查到原來(lái)的設(shè)計(jì)，修改和改進(jìn)，在設(shè)計(jì) - 修改 - 再設(shè)計(jì) - 修改周期，不斷完善設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目的。 本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究： 一。機(jī)器魚的機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和防水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 2。機(jī)器魚的外形，包括頭、體、鰭的外形設(shè)計(jì)，達(dá)到了要求的流線曲線，降低了導(dǎo)航阻力，具有逼真美觀的效果。 3、硬件電路的建設(shè)和編程。在現(xiàn)有的開發(fā)板、驅(qū)動(dòng)板模塊的幫助下，構(gòu)建合理的硬件電路，編寫控制程序。 。 第二章 仿生魚機(jī)器人的總體方案分析 2.1魚類推進(jìn)機(jī)理分析 在魚類進(jìn)行水中運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，對(duì)我們進(jìn)行仿生機(jī)器魚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很重要的參考意義。本章首先簡(jiǎn)要分析了魚類的推進(jìn)機(jī)理。 就推進(jìn)機(jī)構(gòu)而言，根據(jù)魚類游動(dòng)的位置，可分為兩類[6]： （1）其中一部分水里游動(dòng)的魚能夠前進(jìn)的過(guò)程是將他們的身體扭動(dòng)，并且也要搖擺他們的尾鰭，從而推動(dòng)水產(chǎn)生向前的運(yùn)動(dòng)的力，這個(gè)過(guò)程可以叫做BCF（Body and Caudal Fin）運(yùn)動(dòng)模式； （2）但也有不同的游動(dòng)方式，另一種方式是將中間鰭和對(duì)鰭的之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)向前的推進(jìn)力的，這個(gè)過(guò)程可以叫做此為MPF（Middle and Pectoral fins）運(yùn)動(dòng)模式。其中，所述中間體具有背部和肛門鰭。 只有搖擺推進(jìn)模式才能使整個(gè)身體靜止不動(dòng)，只能通過(guò)剛性尾鰭的鐘狀擺動(dòng)產(chǎn)生推力。 受到振蕩推進(jìn)模式仿生機(jī)制的啟發(fā)，機(jī)器魚由一個(gè)關(guān)節(jié)尾鰭驅(qū)動(dòng)，整個(gè)身體保持靜止，只有尾鰭運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生前進(jìn)和轉(zhuǎn)動(dòng)的力量?？梢钥闯鰴C(jī)器魚是不能向后移動(dòng)的。 2.2驅(qū)動(dòng)器的選擇 上述仿生抽象和簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，其實(shí)，本機(jī)僅需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器。尾翼提供了主要?jiǎng)恿?，因此其?qū)動(dòng)力的選擇是本節(jié)的重點(diǎn)。為了能夠選擇正確的驅(qū)動(dòng)程序，首先需要比較每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的優(yōu)缺點(diǎn)，如表2.1所示。 功能材料體積一般較小，驅(qū)動(dòng)力，重量相對(duì)較大，可用于小型機(jī)器魚的設(shè)計(jì)，魚體的長(zhǎng)度可減少到幾厘米。但對(duì)于功能材料還處于比較初級(jí)的階段。另外，新型功能材料驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚具有速度慢、成本高等特點(diǎn)。 在傳統(tǒng)的三種驅(qū)動(dòng)方式中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)與液壓 、氣壓驅(qū)動(dòng)相比具有精度高、響應(yīng)速度快、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)適用于該機(jī)器人。 。 表0.1 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式比較 驅(qū)動(dòng)方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 技術(shù)成熟、精度較高、成本低 轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為尾鰭擺動(dòng)有些難度 液壓驅(qū)動(dòng) 輸出力矩/重量比大、反應(yīng)靈敏、承載能力大 需要恒壓泵，移動(dòng)件容易漏油，污染環(huán)境 氣壓驅(qū)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)高速直線運(yùn)動(dòng)，空氣可壓縮性容易實(shí)現(xiàn)力與緩沖控制 高精度位置與速度控制都困難，剛性較差；排氣噪音較大，產(chǎn)生大量氣泡 表2.2歸納了新功能材料驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)劣。 表0.2 新功能材料驅(qū)動(dòng)方式比較 驅(qū)動(dòng)方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 形狀記憶合金 驅(qū)動(dòng)力/重量比大、變形量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)電壓低 重復(fù)多次記憶效應(yīng)會(huì)退化、對(duì)該材料的研究尚屬初步、材料難獲取、價(jià)格貴 壓電陶瓷 變形精度、響應(yīng)極快 形變?cè)龃螅敵隽刈冃?、?duì)外界干擾力敏感、變形量小于千分之一、驅(qū)動(dòng)電壓超過(guò)100V 人造肌肉 能耗低、無(wú)噪聲、變形量大 輸出力矩小、頻率低 該機(jī)器魚系統(tǒng)，交流電源是很難獲得，只能選擇直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)可分為有刷電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)不需要電刷結(jié)構(gòu)，使用壽命長(zhǎng)，輸出轉(zhuǎn)矩大。但需要特殊的驅(qū)動(dòng)電路，而且體積大。 根據(jù)上面的表格以及一系列的分析，最終本次課題選擇使用的電機(jī)結(jié)構(gòu)是直流電刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)尾翼。 。 2.3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 因?yàn)殡姍C(jī)的最終選型是直流電刷電機(jī)，并且電機(jī)在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，一定是首先會(huì)傳遞出旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，但是魚在進(jìn)行前進(jìn)過(guò)程中需要的是來(lái)來(lái)回回的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。所以對(duì)于與身體結(jié)構(gòu)的改造就十分的必要。并且有兩種不同的結(jié)構(gòu)能夠時(shí)效內(nèi)我們想要的運(yùn)動(dòng)，其中一種就是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，曲柄作為原運(yùn)動(dòng)部件，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，搖桿與尾翼固定連接，使尾翼作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)；還有一種能夠?qū)崿F(xiàn)的方法就是通過(guò)電氣控制方式，即，通過(guò)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了尾翼的擺動(dòng)。 下面的圖2.1、圖2.2就表示了上面文章中所介紹的兩種運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。 圖0.1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 在圖2.1中，電機(jī)通過(guò)減速器減速后帶動(dòng)曲柄a轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而搖桿c（即尾鰭）實(shí)現(xiàn)兩個(gè)極限位置1與2之間的往復(fù)擺動(dòng)。 圖0.2 電機(jī)直驅(qū)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 在圖2.2中，電機(jī)通過(guò)一級(jí)減速器減速后直接帶動(dòng)尾鰭的實(shí)現(xiàn)位置1與位置2之間的往復(fù)擺動(dòng)。 2.4電機(jī)的選型 首先根據(jù)之前已知的一系列運(yùn)動(dòng)和最基本的參數(shù)，選擇潛水電動(dòng)機(jī)的型號(hào)是Y系列的直流電刷電機(jī)，所選的電動(dòng)機(jī)與其他的類型的電動(dòng)機(jī)相比較，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，利于維修，并且重量也是輕型。成本不高但是能夠有比較高的工作效率。能夠滿足大部分的實(shí)際工業(yè)中應(yīng)用。并且，還增加了一個(gè)附加的功能，能夠防止雜物進(jìn)入到電機(jī)的內(nèi)部。 有關(guān)于電動(dòng)機(jī)額定功率的確定，應(yīng)當(dāng)使得電動(dòng)機(jī)的額定工具要比所需要的實(shí)際的功率大才行。即 式中 ——電動(dòng)機(jī)額定功率，KW; ——工作所需電動(dòng)機(jī)功率，KW; 工作所需電動(dòng)機(jī)功率按以下計(jì)算 式中 ——工作所需有效功率，KW; ——從電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)的總傳動(dòng)效率; 機(jī)器的計(jì)算如下 式中 ——電機(jī)輸出軸所受阻力; N ——輸出軸轉(zhuǎn)速，m/s。 輸出軸的速度為120r/min， ， 取傳動(dòng)中各部件的效率如下： 鏈傳動(dòng)效率： 軸承效率： 齒輪效率： 則 有根據(jù)傳動(dòng)中所涉及到的摩擦力產(chǎn)生的阻力，所以載荷力就要再大一些以克服摩擦阻力。所及就可以計(jì)算電動(dòng)機(jī)要提升的功率多少： 最后根據(jù)之前所計(jì)算選擇出來(lái)的數(shù)據(jù)，查表選擇潛水電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y802-4，額定功率P=0.75kw，額定轉(zhuǎn)速為n=1390r/min,頻率：50HZ,電壓：380V。 舵機(jī)的選型 仿生機(jī)器魚魚尾的擺動(dòng)時(shí)通過(guò)一舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，舵機(jī)魚尾的連接桿是通過(guò)一U型架裝配在一起的，舵機(jī)的作用是使得機(jī)器魚魚尾產(chǎn)生一定的力矩，使得魚尾在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)，從而使得魚身產(chǎn)生一定的前行動(dòng)力。因此，我們是根據(jù)仿生機(jī)器魚魚身的設(shè)計(jì)尺寸選擇合適大小的舵機(jī)。本設(shè)計(jì)我們選用ES08A銀燕舵機(jī)，其參數(shù)如表2.1所示。 表0.1 ES08A銀燕舵機(jī)參數(shù)表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 型號(hào) 工作電壓/V 扭矩/Kg·cm 速度 尺寸/mm 重量/g ES08A 4.8-6.0 1.5/1.8（4.8V/6V） 0.12/0.10sec/60° 32×11.5×24 8.5 ?其中，ES08A的輸出扭矩為1.5/1.8Kg.cm，足以承受水流擾動(dòng)產(chǎn)生的扭矩。可以給魚尾提供動(dòng)力，產(chǎn)生一定扭矩，魚尾在這一扭矩范圍內(nèi)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了魚身在水中的向前游動(dòng)的功能。  第三章 仿生魚機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1尾鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)軸和電機(jī)座和骨架不能夠通過(guò)軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)他們的運(yùn)動(dòng)。所以就要使用銅套代替軸承，也就是說(shuō)，使用滑動(dòng)配合代替滾動(dòng)配合。銅套和以過(guò)盈配合的電動(dòng)機(jī)固定板框架的外徑，這是間隙配合在軸的內(nèi)直徑，以便于軸的旋轉(zhuǎn)。 顯然，如果尾翼能夠自由擺動(dòng)，轉(zhuǎn)軸首先必須能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)，這就要求上下銅套同心度更好。根據(jù)加工工藝知識(shí)，若兩個(gè)孔采用一次或同一定位基準(zhǔn)加工，同心度高。如果在一次通過(guò)加工用的兩個(gè)孔是必需的，馬達(dá)固定板整體骨架結(jié)構(gòu)，即，通過(guò)長(zhǎng)孔的第一處理，然后研磨掉多余材料。但是，如果電機(jī)的固定板和機(jī)架是一體的，那么銅套和軸就很難安裝。 因此，采用固定板與骨架分離結(jié)構(gòu)，便于組裝，節(jié)省材料。但對(duì)于骨架和電機(jī)固定板的兩部分，安裝了兩個(gè)銅套孔位置尺寸精度要求高。 3.2潛水驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 當(dāng)仿生機(jī)器魚向下潛水時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力，將動(dòng)力傳送給齒輪和螺桿，齒輪和螺桿材料都是45#鋼，齒輪和螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)活塞（橡膠）向前移動(dòng)，活塞一端體積變大，需要說(shuō)明的是，此體積與外界想連，此時(shí)，水就進(jìn)入蓄水體積內(nèi)，從而導(dǎo)致仿生魚整體重量增加，使其潛入水中；同理，當(dāng)蓄水體積變小時(shí)，仿生自動(dòng)上浮。 圖0.1 潛水機(jī)構(gòu)示意圖 3.3魚尾驅(qū)動(dòng)舵機(jī)設(shè)計(jì) 舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在機(jī)器魚的框架（Q235）上。機(jī)械結(jié)構(gòu)的布置，機(jī)器魚的內(nèi)部部件，甚至硬件電路，都固定在同一個(gè)框架上，然后將框架和外殼組裝固定。因此，在進(jìn)行魚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，使用骨架結(jié)構(gòu)的方式不僅在裝配過(guò)程中變得簡(jiǎn)單，并且也能夠更好地實(shí)現(xiàn)魚的尾鰭擺動(dòng)的過(guò)程。也能夠大大的提高魚運(yùn)動(dòng)的精度。 仿生機(jī)器魚在水中向前移動(dòng)是由魚尾的擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，魚尾的擺動(dòng)有是由一安裝在主結(jié)構(gòu)架上面的尾部驅(qū)動(dòng)舵機(jī)來(lái)完成的，魚尾和魚尾驅(qū)動(dòng)舵機(jī)之間用一剛性材料45鋼的連接桿相連，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)和連接桿都是安裝在魚身（樹脂材料）里面的，這個(gè)鏈接魚尾和驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的連桿通過(guò)一U型支架（Q235）與驅(qū)動(dòng)舵機(jī)相連接，U型支架與驅(qū)動(dòng)舵機(jī)之間通過(guò)法蘭盤（Q235）、螺絲、銷釘相連，U型支架可以在驅(qū)動(dòng)舵機(jī)上按一定的角度范圍內(nèi)擺動(dòng)，這樣就可以使得魚尾擺動(dòng)，使得整個(gè)仿生機(jī)器魚在水中向前移動(dòng)。 根據(jù)以上設(shè)計(jì)分析，機(jī)器魚機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖如圖2.9所示。 圖0.2 仿生魚機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖 3.3機(jī)器魚的外殼設(shè)計(jì) 3.3.1外形設(shè)計(jì) 外殼的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則: （1）外殼設(shè)計(jì)完成之后，一定要能夠?qū)崿F(xiàn)讓機(jī)器魚浮起來(lái)，也就是說(shuō)要讓整個(gè)魚的體積比重量大，然后通過(guò)增加重量將其調(diào)整到相同的重力和浮力； （2）外殼需要能夠保證足夠好看，并且也要實(shí)現(xiàn)減小阻力的作用； （3）外殼必須滿足防水要求； （4）滿足通信、充電需求。 在機(jī)器魚進(jìn)行運(yùn)行工作的時(shí)候，為了能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器魚在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中阻力的減少，就要結(jié)交真正的魚的流線型的外形，并且具體的結(jié)構(gòu)尺寸也是可以根據(jù)真實(shí)的魚類的尺寸進(jìn)行擬定的。并且要根據(jù)真是的魚的比例進(jìn)行相應(yīng)的比例設(shè)計(jì)，最終，擬定的機(jī)器魚的外形以及尺寸結(jié)構(gòu)，就可以從下面的圖中看出。 （a） 魚身流線外形主視圖 （b） 魚身流線外形俯視圖 圖0.3 魚身流線外形輪廓 沿X方向垂直于x軸的截面在主俯視視圖中通過(guò)四條流線曲線交接四個(gè)點(diǎn)，這四個(gè)點(diǎn)通過(guò)花鍵連接作為魚體的橫截面。在不同的x坐標(biāo)下制作多個(gè)截面，然后通過(guò)放樣將這些截面連接到機(jī)器人魚的殼表面。 本次課題所設(shè)計(jì)的機(jī)器魚，在整體的外部形狀方面，并不是和真是的魚類一樣的形狀，在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，稍微減少了機(jī)器魚的整體長(zhǎng)度，并且也要比真實(shí)的魚更加的寬，能夠有更多的空間進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安放。這樣就能夠?qū)C(jī)械結(jié)構(gòu)完整的安裝到整個(gè)機(jī)器魚的內(nèi)部。并且假如將機(jī)器魚進(jìn)行分解觀看，同時(shí)也能夠?qū)C(jī)器魚根據(jù)結(jié)構(gòu)分成魚頭和魚身兩個(gè)部分。而整個(gè)機(jī)器魚進(jìn)行制造過(guò)程中所選擇的材料需要具有耐腐蝕，重量輕，具有良好的耐磨損性，防水性，透明性和可觀察到的內(nèi)部泄漏等。 選擇與X軸垂直的截面為分型面的原因是分型面的形狀近似為圓形，使用O形環(huán)密封或橡膠密封更為常規(guī)和方便。如果選擇與 y 軸或 z 軸垂直的截面作為分型面，則密封輪廓不規(guī)則，密封困難。 魚頭設(shè)計(jì)符合美觀和減阻的要求。魚頭和魚體的接縫表面設(shè)有溝槽，用于放置O形環(huán)或放置密封劑。魚頭模型如下圖所示： 圖0.4 魚頭結(jié)構(gòu)說(shuō)明圖 魚眼和頭部一體地形成，魚眼內(nèi)部三色LED燈，作為一個(gè)速度指示器。 3.3.2殼內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 魚體壁厚3mm，采用樹脂材料。為了使殼體具有較高的強(qiáng)度，在殼體中沿魚體的長(zhǎng)度方向和圓周方向增加了加強(qiáng)筋。外殼由樹脂材料制成，密度高，強(qiáng)度高，樹脂材料（與金屬材料相比）對(duì)電磁波信號(hào)的傳輸幾乎沒(méi)有影響。 魚體內(nèi)設(shè)有安裝槽，用于定位框架，以確保軸心線在框架上的相對(duì)位置和殼體上的孔。 因?yàn)闅んw的復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且因此不適合于移除材料加工，所以使用的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，材料選擇，感光樹脂材料，從而形成整個(gè)殼體時(shí)處理。 3.4尾鰭設(shè)計(jì) 單聯(lián)機(jī)魚的正向功率均由尾鰭提供，尾鰭的推力大小可與形狀、大小、材料等的特性緊密相關(guān)，在機(jī)器魚樣機(jī)中設(shè)計(jì)尾鰭。而且所有的尾鰭都有相應(yīng)的槽和螺孔，只要與尾鰭框架配對(duì)就可以了，方便多組尾鰭試驗(yàn)，如圖2.18所示。 圖0.5 尾鰭模型 圖0.6 機(jī)器魚三維模型裝配圖 第四章 關(guān)鍵零部件分析計(jì)算 4. 1 齒輪的設(shè)計(jì)與校核 (1) 齒輪分結(jié)構(gòu)選擇。在齒輪所連接的軸上，運(yùn)動(dòng)時(shí)候所需要的轉(zhuǎn)速不是很高的，結(jié)合實(shí)際情況最終選擇7級(jí)精度的直齒圓柱齒輪。 (2) 根據(jù)上文選擇的齒輪型號(hào)，查表可得齒輪的傳動(dòng)效率為96% 則可得 齒輪傳遞的功率 P =F*v*0.96= (3) 材料的選擇 根據(jù)表格選擇小齒輪的型號(hào)，材料等信息，最后結(jié)合情況選擇出來(lái)的齒輪型號(hào)是20CrMnTi (調(diào)質(zhì))并且該型號(hào)的硬度為300HBS。大齒輪也是哦你姑姑同樣的方式確定，型號(hào)：20CrMnTi (調(diào)質(zhì)) 該型號(hào)的大齒輪硬度為280HBS (4) 首先初步確定小齒輪和大齒輪的齒數(shù)，分別是， 齒輪 (5) 按齒面的接觸強(qiáng)度計(jì)算 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式10-9a進(jìn)行試算 (4.19) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 (1) 試選載荷系數(shù) =1.3 (2) 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 (3) 由表4-1選取齒寬系數(shù) 表4-1齒輪齒寬系數(shù)表 (4) 由下表查得材料的彈性影響系數(shù) (4.20) (5) 由圖4-1 按齒面的硬度查得小齒輪的接觸極限 圖4-1 齒輪接觸疲勞極限 大齒面的接觸疲勞極限 (6)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) (4.21) (7)由表4-2 取接觸疲勞壽命系數(shù) 表4-2接觸疲勞強(qiáng)度系數(shù)表 (8) 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效為了1%，則安全系數(shù) s=1 (4.22) 計(jì)算 (1) 計(jì)算小齒輪的分度圓直徑。代入較小的值 (2) 計(jì)算圓速度 (3) 計(jì)算齒寬B (4) 計(jì)算齒寬與齒高之比 計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù) V=1.49 m/s 7級(jí)精度。查得動(dòng)載系數(shù) 直齒輪 查得使用系數(shù) 由插值法查得7級(jí)精度，小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱的布置的，則有 由和查得 故載荷系數(shù) (6) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算的分度圓直徑 (4.23) (7) 計(jì)算模數(shù) 4.4 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) (1) 由圖4-1 查得的小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 大齒輪的彎曲強(qiáng)度極限 (2) 由表4-2查得彎曲疲勞壽命系數(shù) (3) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4 得 (4) 計(jì)算載荷系數(shù) (4.24) (5) 查取齒形系數(shù) 由表4-3查得 (6) 查得應(yīng)力校正系數(shù) 由表4-3查得 表4-3齒形系數(shù)表 (7) 計(jì)算大，小齒輪的，并加以比較 (4.25) 由此可得大齒輪的值大 設(shè)計(jì)計(jì)算 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，并進(jìn)行分析能夠得到齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度的模數(shù)比齒根處的要大。并如果想知道這些數(shù)值的模數(shù)大小，只要是根據(jù)彎曲強(qiáng)度受到的承載能力來(lái)確定的。另一方面，整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載能里的多少，是可以根據(jù)之前計(jì)算分析得到的疲勞強(qiáng)度能夠決定的，并且僅僅通過(guò)齒輪的直徑也能夠進(jìn)行分析得到可彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)5.73，并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值M=6按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑D=175.05 算出小齒輪的齒數(shù) 大齒輪的齒數(shù) 本發(fā)明能夠滿足齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)齒輪齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度，達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊的目的。 4.2 軸的設(shè)計(jì)與校核 （1）根據(jù)上面的電機(jī)選型，已知電機(jī)的功率為P=40KW，轉(zhuǎn)速N=1470（r/min） 根據(jù)以上的電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)，最后確定齒輪材料為30CrMnTi。 根據(jù)表15-3，取A=120 則有 (5.1) (n.mm) 。根據(jù)軸的最小直徑選用直徑為20mm， 花鍵連接的工作長(zhǎng)度為25 mm。 （2）選擇軸的材料 由于之前計(jì)算出的小弧齒分度圓d=80的直徑小于=90，為方便使用，軸應(yīng)與弧齒放在軸上形成齒輪軸，因此軸的材質(zhì)和齒輪的材質(zhì)與30crmnti相同 （3）強(qiáng)度較核 軸上的載荷是由與軸相連的部件傳遞的，不僅是齒輪，還有箱體等物體。當(dāng)計(jì)算時(shí)，這些不均勻、分散的力通常集中在一個(gè)作用力點(diǎn)上，然后再計(jì)算。作用轉(zhuǎn)矩軸通常從傳輸構(gòu)件的輪轂的寬度的中心計(jì)算的應(yīng)力被簡(jiǎn)化成為力學(xué)模型，和用于分析和計(jì)算能力。 因?yàn)閺澗氐姆较虿粌H在一個(gè)方向上，而且在水平面或垂直面上?？梢酝ㄟ^(guò)公式進(jìn)行計(jì)算，然后可以根據(jù)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖、分析，最終找到臨界點(diǎn)。 計(jì)算齒輪上的受力 圓周力 畫垂直面得彎矩圖： 圖4-2 軸的彎矩和扭矩圖 故可知道，它是安全的。 第五章 總結(jié) 本文在研究真實(shí)魚的尾鰭擺動(dòng)方式的基礎(chǔ)上，按照功能仿生與形態(tài)仿生相結(jié)合的思想，完成了機(jī)器魚的設(shè)計(jì)與制造。實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)靈活，游動(dòng)穩(wěn)定，浮潛自由，密封可靠，體現(xiàn)了尾鰭推進(jìn)方式的特點(diǎn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，總結(jié)了本文的工作成果： 1．根據(jù)項(xiàng)目要求，通過(guò)分析和計(jì)算，機(jī)器程序魚的一些合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，和某些細(xì)節(jié)，例如可移動(dòng)的密封件設(shè)計(jì)中，電池的布局設(shè)計(jì)中，魚的特性，以適應(yīng)小的局部條件機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新和驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性在實(shí)驗(yàn)的后期。 2．許多實(shí)驗(yàn)，所獲得的尾鰭材料，運(yùn)動(dòng)和推進(jìn)的定性參數(shù)之間的幾何關(guān)系，這種關(guān)系可歸納如下：在一定范圍內(nèi)，打火機(jī)尾部的質(zhì)量翅片，面積越大，則擺動(dòng)的頻率越高，所產(chǎn)生的更大的推進(jìn)力。 3． 根據(jù)2中的定性關(guān)系，設(shè)計(jì)了以聚氯乙烯為原料，模仿鯉魚尾鰭形狀的高推進(jìn)效率尾鰭。該尾鰭在功率為1.88W的直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可推進(jìn)質(zhì)量為700g的機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)0.27m/s的最大前進(jìn)速度。 參考文獻(xiàn) [1] C.Nicholson,R.Ryan. 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