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※2013年山东省大学生机器人大赛※
※机器人创意项目组参赛作品※
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仿鱼机器人
山东科技大学信息与电气工程学院
二〇一三年六月
目录
1. 引言 (1)
2. 机械与结构设计 (2)
2.1 鱼的身体结构 (2)
2.2鱼的各种推进方式 (3)
2.3 几种机器鱼机构比较与分析 (3)
3. 集成红外传感器的仿鱼机器人 (6)
3.1 集成红外传感器的机器鱼设计方案 (7)
3.2 仿生机器鱼的基本运动 (9)
3.3 仿生机器鱼的智能控制策略 (10)
4. 控制系统硬件设计 (12)
4.1 控制系统硬件设计思想 (12)
4.2 主控制芯片及控制系统 (13)
4.3 舵机的构造及控制方法 (13)
4.4 PC 机与单片机间通讯 ............... 错误！未定义书签。
5. 结论 (14)
6. 参考文献 (14)
仿鱼机器人
1.引言
随着人类社会的急速发展，人口的急速增长，人类面临很严重的发展的压力，陆地资源的过度采集已经使各国不断向海洋，太空寻求更多的资源。而相对于太空，占地球大部分表面积的海洋自身蕴含着丰富的食物、矿产等资源，而且也是重要的运输及军事战略空间，与任何一个国家的生存发展息息相关。为了充分利用海洋资源，各种船只，潜水艇及水下机器人等被广泛的使用和设计，这些水上及水下作业的机器已经拓展了我们的生存空间，但是残酷的竞争激励人们不断探索高效、高机动性的水下推进控制技术。目前传统的水下推进系统多采用螺旋桨和叶轮式等原理的常规推进器，并多以电磁马达或液压马达驱动。这些常规推进器的存在能源利用低、结构尺寸及重量大、受扰能力差，噪音大，隐蔽性差，可靠性差等缺点。而且常规的推进方式驱动水下运动装置存在启动、加速性能弱，运动灵活性差等缺点，受承载空间和能力的影响会限制其作业时间和范围，从而限制了它的应用。
采用波状摆动推进的鱼类，有着卓越的游动能力，就像飞机与雷达的研制，人们发现鱼类在水中游动时，可以本能的利用流体力学的原理，减小阻力提高推力。十几亿年的进化使鱼类能够以最科学的方式驾驭水流，以达到高速，高效的游动。大多数鱼类的游动推进效率在80%以上，鲹科鱼类的推进效率可以超过90%，而传统的推进方式的推进效率平均仅为40%-50%左右。鱼类可以在不减速情况下迅速改变方向，转弯半径仅有体长的10%-30%，而船的转弯半径要比本身长度大一个量级，且通常在转弯前先要减速一半；梭子鱼可以以25 倍的重力加速度迅速起动来猎取食物，海豚的加速度可以达到20-50 倍的重力加速度。鱼类优良的游动运动方式给人类提高水下机器人系统的推进操控性能及与水环境的交互性能带来了希望。
鱼类的高速，高效游动，吸引着学者们研究鱼类的推进机理，并利用所研究的推进机理研制一些水下仿生学机器人，已验证其高效，高速的性能，并希望在实际的船只、潜艇等水上水下作业的器械上加以利用，以提高其机动性和效率。
2. 机械与结构设计
2.1 鱼的身体结构
由于鱼类的生活习性和生活环境的不同，鱼的种类是也多种多样的，水作为鱼类的游动介质，其难压缩性和高密度性在鱼类的进化中具有重要的作用，导致了大多数鱼的进化过程中产生了推动协调其各种运动的不同的鳍及各种为适应其特点而产生的运动机理。由图2-1 可以看出鱼的基本形态和它们不同部位的鳍。
图2-1 鱼的基本形态结构
各个位置的鳍对大多数鱼类的游动能力起到决定性的作用，各种鱼鳍所起的作用和它们的特点如表2-1。
表2-1 各种鳍的比较
由表2-1 可知鱼类的鳍主要是用来游动、平衡、转弯的。一般的，尾鳍是前向游动主要动力源，背鳍和臀鳍是起平衡作用的，而胸鳍和腹鳍主要起到转弯和平衡的作用。
2.2鱼的各种推进方式
按鱼类的体形及由体型引发的功能的不同，有下面几种常见的基本推进运动模式：喷射方式、身体波动方式、尾鳍推动方式和胸鳍推动方式。
1. 喷射方式：此类方式的生物体内部的特殊部位可向后挤压产生水流后向推力，通过反作用力使其向前游动的。此类方式产生动力的生物体有乌贼、鱿鱼、水母。
2. 身体波动式：此类生物体的游动关节遍布全身，它们的游动犹如正弦波形的前进，全身关节参与游动，这样前进的单位距离所需推力最小。此类方式游动的生物体有鳗鱼、水蛇等。
3. 尾鳍推进方式：此类游动方式还可分为：蹲行式和椭行式15，蹲行式如蝉鱼、鲜鱼等是最常见的方式，在速度、加速度方面和可操纵性上具有优势。椭行式鱼类有精鱼、马林鱼等，常有高展弦比的尾鳍，在快速运动中最为高效。它们的显著特点是主要利用鱼的身体后半段和尾鳍协调摆动前进。
4. 胸鳍推进方式：单独利用胸鳍推进方式的鱼非常罕见，它的推进作用表现在机动性上，胸鳍的推进方式的效率并没有尾鳍的推进效率高，但是其机动性较尾鳍要高，所以在鱼类的游动过程中，胸鳍只是起到提高鱼类的机动性以逃避天敌的作用。
2.3 几种机器鱼机构比较与分析
1. ESSEX 大学机构
ESSEX大学所使用的机构为舵机串联机构。ESSEX大学利用的执行器是舵机，舵机的优点是出力大，并且可以直接驱动鱼尾，因为其是有限转角的电机，本身就完成的是摆动运动，所以不必考虑机械结构问题可直接使用。在使用中利用连接件使得后一个舵机作为前一个的负载，只要舵机选择合适就可较简单的完成机械设计。麻省理工学院对以舵机为执行器的机械设计上也有所研究，但具体的控制规律也应归类于此。图2-2 是ESSEX大学研制的机器鱼。
图2-2 ESSEX大学机器鱼示意图
2. 巴沙蒂娜学院(Pasadena City College)
Pasadena City College设计了一种被动式机器鱼机构，利用弹簧的反力吸收一部分刚性的电机转动定位时的能量，在回摆时产生助力，从而降低能量损耗，提高效率。但缺点是难于设计，如果设计不当，效果会适得其反。图2-3 是巴沙蒂娜学院机器鱼的核心结构。
图2-3 Pasadena City College 设计机构示意图
3. 东南大学
东南大学的机器鱼比较简单，只有一个自由度，即只利用一个电机控制经过传动之后变成鱼尾鳍摆动运动。
图2-4 东南大学机械结构示意图
4. 密歇根州立大学
密歇根州立大学研制的机器鱼已经加入了GPS导航定位单元，温度传感器等多种传感器，基本可以完成自主定位与导航功能。
图2-5 密歇根州立大学机器鱼图2-6 密歇根州立大学电路结构示意图机器鱼结构示意图
5. 南洋理工大学
南洋理工大学一直致力于全身都可以蠕动的机器鱼，此种机器鱼的动力学特性与北京大学及本文所研究的鱼的区别是：此种鱼的机动性能强，由于其全身的运动致使其自由度很多，控制起来弹性很大，机动性能强，但是效率并不如局部身体摆动的高。这种运动机理属于鳗鲡式机器鱼推进模式。如图2-7 就是南洋理工大学比较有代表新的一款机器鱼。
图2-7 南洋理工机械鱼示意图
6. 中国科学技术大学
中国科学技术大学所开发的机器鱼是类鳝类机器鱼，它的仿生对象是蓝点魟，它的机构是并联的舵机机构，通过每个舵机的协调摆动产生不同大小方向的推力，从而完成鱼的巡游，左转，右转，倒退等动作。其机器鱼的结构示意图见图2-8。
图2-8 中科大仿生蓝点魟机器鱼示意图
3.集成红外传感器的仿鱼机器人
本项目作品给出了集成多个红外传感器的仿生机器鱼的设计方案，研究了基于红外传感器的机器鱼避障规则和策略，提出了一种基于规则推理的智能避障控制方法，并进行了实验。
3.1 集成红外传感器的机器鱼设计方案
3.1.1 传感器网络设计
红外传感器是一种比较有效地接近觉传感器，利用红外线的定向传播和反射能力检测前方是否有障碍物，常被用于机器人系统中探测临近或突发运动障碍。由于光的方向性好，红外传感器具有角度分辨率高，反映灵敏，结构简单等优点。但在水中光的衰减比较严重，距离分辨率低。红外传感器由红外发射管、红外接收管、红外发射电路和红外接收处理电路组成。它的工作原理是：当有障碍物的时候，接收电路端口输出的为高电平，没有障碍的时候，端口输出的为低电平。通过高低电平的判断来识别是否有障碍物。
左侧红外传感器
顶部红外
图 3-1 传感器网络示意图
由于单个红外传感器探测范围有限，为了使得机器鱼得到周围环境的详尽信息，可以在机器鱼的表面安装多个红外传感器，组成传感器网络，使其覆盖机器鱼周围的区域。图3-1 给出了传感器的布局情况。按照传感器安装位置，分为五类：前部红外传感器（F IR ）、左侧红外传感器（L IR ）、右侧红外传感器（R IR ）、顶部红外传感器（T IR ）、底部红外传感器（B IR ）。这五类传感器分别探测机器鱼前方、左侧、右侧、顶部、底部的障碍物。各个方向传感器的数量和安装位置根据红外传感器的角度分辨率来确定，应该确保这些传感器之间不存在相互干扰。机器鱼通过传感器网络提供的环境信息，依据规定的运动策略实现自主运动。
根据传感器网络提供的信息和机器鱼当前的运动状态（运动方向和速度）对机器鱼进行自主漫游运动的研究，即要求机器鱼在自主游动时做到不与外部障碍物发生碰撞；在遇到危险物体逼进时，能够快速逃逸，并远离危险物体。
3.1.2 仿生机器鱼内部结构和技术参数
自主仿生机器鱼的内部结构如图3-2 所示。它主要由 5 部分组成：控制单元(微控系统+ 外围器件)，通讯单元(通讯模块)，支撑单元(铝制外骨架+ 鱼头)，驱动单元(伺服电机组)，附件(电池、防水鱼皮及尾鳍等)。
图3-2 自主仿生机器鱼的内部结构
在控制单元中，机器鱼的摆动控制数据集成在头部的微控制器内，舵机组由微控制器ATmega128L 单片机控制。机器鱼通过微控制器ATmega128L 单片机调制产生的PWM 信号，控制各个舵机的转角，从而实现 3 个关节的协调摆动，模仿鱼类的游动运动。机器鱼直行游动的速度可通过调节关节的摆动频率来控制，其方向可通过不同的关节偏移来实现。在一个摆动周期内，在第一个关节迭加不同的偏移量，可以实现不同幅度的转弯。自主仿生机器鱼的技术参数见表3-1、表3-2。
表3-1 自主仿生机器鱼的技术参数
表3-2 机器鱼的电机的摆动频率(Hz)和直行游动速度(m/s)的关系
3.2 仿生机器鱼的基本运动
根据避障任务的要求，综合考虑自主仿生机器鱼的运动特点、物理结构、控制器及工作环境的特点，我们为红外机器鱼设计了以下8 种基本运动：上升(UP)、下潜(DOWN)、平动(HORIZON) 、加速(ACCE) 、减速(DECE) 、左转(L_TURN)、右转(R_TURN)、直行(STRAIGHT)。
速度分为0-7 级，7 级为最大，0 级速度为0。方向分为9 档：左转4 档、右转4 档以及中间档。机器鱼避障任务中的运动是这些基本运动的组合，如加速转弯，减速转弯，加速下潜，加速上升等等。
上升：机器鱼在游动过程中利用胸鳍实现上浮下潜运动。当机器鱼以一定的速度游动时，如果胸鳍沿轴线顺时针摆动一定的角度（图3-3 所示的上升位置），由于水压的作用，机器鱼的头部向上倾斜，从而向水面游动。
下潜：当机器鱼以一定的速度游动时，如果胸鳍沿轴线顺时针摆动一定的角度（下潜位置），由于水压的作用，机器鱼的头部向下倾斜，从而向水底游动。
平动：当机器鱼的胸鳍保持在中间状态时，机器鱼在水面上游动，我们把这种运动定义为平动。
直行：机器鱼的三个摆动关节以头尾轴为中心摆动时，机器鱼沿直线运动（严格意义上，应该是类直线），这种运动定义为直行。
加速：机器鱼从较低的速度等级切换到较高的速度等级。
减速：机器鱼从较高的速度等级切换到较低的速度等级。
左转：当给尾部三个电机施加向左的几何偏移量时，机器鱼向左转弯。
右转：当给尾部三个电机施加向右的几何偏移量时，机器鱼向右转弯。
图3-3 胸鳍的三种基本状态（原理图）
3.3 仿生机器鱼的智能控制策略
3.3.1 规则库的设计
本文中设计的自主仿生机器鱼智能控制系统采用了基于规则的产生式系统。产生式规则的左半部一般为若干事实的逻辑积，确定了可应用的先决条件，右半部描述了规则的先决条件得到满足时所采取的行动或得出的结论。产生式规则的一般形式为“条件→行动”或“前提→结论”，即用“输入-输出”语句表示每一个知识项。
为了简化规则库的设计，我们在五个方向上都只采用了一个传感器。根据五个输入量F IR、L IR、R IR、T IR、B IR和8个基本运动UP、DOWN、HORIZON、ACCE、DECE、L_TURN、R_TURN、STRAIGHT 之间的因果关系，机器鱼的控制规则被划分为两个子规则库：规则库1（包含避障规则）和规则库2（包含上升下潜规则），如表3-3、表3-4 所示。
表3-3 规则库 1
3.3.2 推理机的设计
规则库定义了传感器状态与机器鱼运动之间的映射关系，给出了运动的定性描述，但是没有给出运动的定量描述，即转弯等级，转弯模式和速度级别等。推理机正是为完成运动的定量描述而设计的。
所谓推理就是依据一定的规则从已有的事实推出结论的过程，按照推理方向可把推理分为正向推理、反向推理和混合推理。本系统采用正向推理策略，推理工作周期为读红外传感器数据，检测并计算有规则条件，冲突消解，规则执行，推导机器鱼的速度等级，转弯模式，转弯等级等。
推理机的功能包括分析当前的碰撞情况，估计碰撞的危险度，规划机器鱼的速度等级、转弯等级、转弯模式等。
下面定义两个重要参数：碰撞危险度(Risk Factor)和上升下潜意愿强度(Awareness Intensity)。推理机根据Risk Factor的大小确定机器鱼的减速等级、避障时的转弯等级和转弯模式，根据Awareness Intensity 决定机器鱼的加速等级。
我们规定：当所有传感器的输出为0，即(F IR、L IR、R IR、T IR、B IR) = (0，0，
0，0，0)时，机器鱼的速度等级为4，规则库中的加速和减速运动都是以这个速度等级为基准的。因此，加速等级取值范围为{5，6，7}；减速等级取值范围为{0，1，2，3}。
根据Risk Factor 的值决定转弯模式、转弯等级、减速等级的指导原则是：Risk Factor 越大，碰撞的危险性越大，转弯半径越小，转弯等级越大，速度等级越小，越容易避开障碍，反之亦然。同理，Awareness Intensity 越大，机器鱼的加速等级越高。
4. 控制系统硬件设计
机器鱼的硬件设计是控制的基础，通过各种传感器采集外界数据和自身状态数据，实现对机器鱼的有效控制。合理的硬件设计可以充分发挥系统功能，避免调试的困难，达到较高的控制精度。
4.1 控制系统硬件设计思想
为将整个控制系统硬件部分说清楚，决定将硬件控制系统分成若干子系统，此种分离方式就是为了理清思路说明问题，实际上整个系统是互相作用，互相配合，不可分离的。机械鱼的硬件控制系统主要包括以下子系统：
1. 舵机驱动电路子系统：利用单片机内部定时器中断产生，具有特定控制意义的PWM 波形来驱动舵机转动。
2. 全局传感器子系统：本系统的传感器是一个全局摄像头，既能定位鱼本身位置又能定位障碍物的位置，将所有机器鱼需要的外界数据采集到并分析出有效的控制策略。
图4-1 硬件控制系统框图
4.2 主控制芯片及控制系统
机器鱼下位机系统选用ATmega128L 单片机作为主要控制芯片，ATmgeal28L 是ATMEL 公司推出的一款新型A VR 单片机。具有先进的RISC 架构，采用低功耗CMOS 技术，而且在软件上支持 C 语言及汇编语言。芯片内部集成了很多大容量的存储器和丰富且功能强大的硬件接口电路，此款单片机的片内资源给控制系统的设计及后续程序的升级和维护提供了非常大的方便。可由硬件直接产生PWM 信号，节约系统硬件资源，降低软件设计复杂性。
4.3 舵机的构造及控制方法
舵机主要是由外壳、一个小型直流电动机、一组减速齿轮、一个用于转角位置检测的电位器和一块控制电路板所构成。其中，快速转动的小型直流电动机提供了舵机的动力，经减速齿轮组减速后，通过输出轴对外提供大的力矩，齿轮组的减速比愈大，伺服电动机的输出力矩也就愈大。本次设计的机器鱼的驱动装置使用舵机的原因是其力矩较大，可直接驱动尾鳍及关节，不需要特殊的机械机构来将转动转换为摆动，而且控制信号是PWM 信号，控制信号简单，易于利用单片机等芯片来实现控制。
一般的舵机具有三条导线：信号线，电源线，地线。电源线和地线之间的电压提供舵机运动的能源，信号线是控制舵机摆动角度的输入端口，输入的是脉宽可调的PWM 信号。舵机的转轴和输入信号的脉宽成正比。
5. 结论
本项目基于红外传感器网络，设计了一种具有自主运动能力的仿生机器鱼，提出了一种基于规则推理的智能避障控制方法，并进行了试验，实验结果表明了这种方法的有效性。
由于红外传感器探测信息有限（只能探测障碍物的有无，无法得到距离信息），必须为机器鱼集成多种传感器，才能使机器鱼具备自主路径规划和自主导航功能。在对多元环境信息处理的基础上，机器鱼就能通过智能决策选择最佳的游动路径与最有效的游动方式。这也是我们下一步要开展的工作。
6. 参考文献
[1] 曹福成.仿生学推动潜艇驶入新世纪.[J]..国防技术基础，.2001，.4:.18..
[2] 梁建宏，王田苗，魏宏兴.仿生机器鱼技术研究进展及关键问题探讨[J]. 机器人技术与应用，2003，3: 14-19.
[3] 公茂法，黄鹤松，杨学蔚等.MCS-51/52单片机原理与实践.北京：北京航空航天大学出版社，2009.
[4] 向忠祥，张向明，刘令勋. 尾鳍推进装置的研究[J]. 武汉造船，1994，99(6): 23-26.
[5].喻俊志，陈尔奎，王硕，梁建宏，谭民. 一种多仿生机器鱼协作系统的设计与初步实现[J]. 系统仿真学报，2002，14(10):1316-1320.
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。
“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
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。
“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
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 -
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。
“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
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
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，
研究报告成绩 哈尔滨工业大学创新研修课 研究报告 报告题目仿生机器鱼的国内外研究进展 课程名称仿生机器鱼水下推进技术 学生姓名刘砚文 学号6110810539 专业机械设计制造及自动化 学院英才学院 任课教师刘军考刘英想 二O一二年十一月制
仿生机器鱼的国内外研究进展 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。 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。军事方面，由于仿生机器鱼在声纳上的表现形式和生物鱼类几乎相同，具有噪声低，对环境扰动小，敌方不容易发现等特点，这极有利于隐蔽鉴于仿生机器鱼的诸多优点，国内外学者越来越重视新型仿生机器鱼的研究与开发，取得了很多阶段性的成果，设计了各种各样的机器鱼样机，机器鱼的理论和实验研究已渐显规模。 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。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。 仿生机器鱼研制现状将首先对国外和国内进行对比说明机器鱼的发展动向：1.国外研制现状： 随着高新技术的发展, 1994年MIT研究组成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生金枪鱼, 开启了机器鱼研制的先河。此后, 结合仿生学、材料学、机械学和自动控制的新发展, 机器鱼研制渐成热点, 表 2 给出了国外一些典型的机器鱼研究项目.其中美国和日本进行的机器鱼研究比较多, 取得的成果也比较多。 1.1美国 1995年，MIT推出了Robotuna的改进版机器鱼“Pike”，旨在研究鱼的机动性和静止状态下的加速性。1998年，MIT推出的Robotuna最高版本VCUUV是仿黄鳍金枪鱼研制的，长8英尺，重300磅，其目的在于开发一种利用涡流控制推进的自主水下机器人。 1.2英国 Essex大学机器鱼课题组于2005年5月开始研制一系列的机器鱼，主要工
课程设计说明书 学生姓名:王超学号：1015070229 学院:机械工程学院 班级: 机械102班 题目: 慧鱼组合机器人的组装设计 指导教师：陈国君苏天一职称: 副教授 2013 年 12 月 23 日
目录 1．引言 1 1.1内容摘要 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.工业机器人10 4.1工业机器人仿真图11 4.2业机器人结构简图11 4.3工业机器人仿真程序12 5.寻光机器人14 5.1寻光机器人仿真模型14 5.2连线图和结构简图15
慧鱼组合机器人的组装设计 摘要：慧鱼创意组合模型是一种技术含量很高的工程技术类拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具。本设计是以德国慧鱼创意积木所组成的仿生模拟机器人为其基本架构，透过圈形式人机介面LLWin，经由智慧型微电脑介面板去驱动机器人，使机器人细部动作很容易达到我们需求，进而取代以往由硬体描述语言所驱动架构，通过慧鱼模型的组装，程序的编制，任务的完成，阐述机械机构之间的配合关系，各种传感器的安装和使用，以及软件程序的编制思维，实现对伺服电机，电磁线圈的控制,不但操作简易，更可使我们了解机械运作的原理。 关键词：慧鱼组合模型；机器人；传感器；机械原理； 引言 由于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。 1.慧鱼机器人简介 1.1 课程内容与实验目的 本项目课程以德国慧鱼公司生产的机电产品模型为对象，学生通过装配机电设备模型，对设备进行较为细致的观察和分析，从而完成综合性的设计训练过程。虽然用模型学生可装配出各种各样的产品，但学生学习的重点是选定其中一个产品进行分析研究；对产品进行编程运行，检验其功能、性能等效果；初步掌握开发、设计一个产品的有关过程；学习查阅资料，为自己的设计和分析提供理论依据。加强实践教学，培养学生的动手能力，在一定程度上改变工科教学重理论教学，轻实践环节的现状，使学生生动活泼地进行学习，较全面地掌握各类机械机构，机电一体化机构、计算机编程等基本知识。 本课程的任务是，在简明扼要的介绍各类装置之后，对指定装置进行测绘，学生完成所有零件图、部件图、最后完成总装图设计。根据学生的能力，还可进行相关的改进设计、动画设计等。在设计过程中，学生还可接触到机械装备的控制、驱动、传动的技术，学习机械制造中的工艺、工装、测量等知识。