亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚的設(shè)計(jì)優(yōu)化

        2018-01-03 05:46:17花如祥徐小力吳國(guó)新朱紅秀
        設(shè)備管理與維修 2017年12期
        關(guān)鍵詞:尾鰭叉子魚體

        花如祥,徐小力,吳國(guó)新,朱紅秀

        (北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100192)

        電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚的設(shè)計(jì)優(yōu)化

        花如祥,徐小力,吳國(guó)新,朱紅秀

        (北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100192)

        仿生機(jī)器魚有運(yùn)動(dòng)效率高、機(jī)動(dòng)性好等特點(diǎn),逐漸成為了仿生機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)機(jī)器魚的驅(qū)動(dòng)方式主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)等,體積較大、材料容易磨損,難以用來(lái)設(shè)計(jì)微型機(jī)器魚。采用新型動(dòng)力源,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),噪聲、振動(dòng)和機(jī)械損耗都比較小。基于此驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)出機(jī)器魚采用6個(gè)關(guān)節(jié)來(lái)運(yùn)動(dòng),優(yōu)化了機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)的流利程度和多樣性。

        仿生機(jī)器魚;電磁驅(qū)動(dòng);外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);關(guān)節(jié)鏈接

        10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.48

        0 引言

        魚類特殊的游動(dòng)方式,為研究高性能的水下推進(jìn)器提供了新思路。工業(yè)設(shè)備和軍事等領(lǐng)域的需求推動(dòng)了仿生機(jī)器學(xué)研究。目前,仿生機(jī)器魚已成為仿生科研領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。其中,仿鲹科加新月形尾鰭推進(jìn)模式的機(jī)器魚,由于具備能源利用率高、推進(jìn)速度快等特點(diǎn),成為研究重點(diǎn)[1]。

        仿生機(jī)器魚水下推進(jìn)技術(shù)對(duì)海洋考察、救生以及軍事領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值和巨大的應(yīng)用前景。在海洋設(shè)備檢測(cè)方面,仿生機(jī)器魚可以用于水下進(jìn)行設(shè)備的檢測(cè)。效率高,且成本較低。在軍事方面,可以應(yīng)用在隱蔽性較強(qiáng)的場(chǎng)合。由于仿生機(jī)器魚在聲納上的表現(xiàn)形式和生物魚類幾乎相同,并且具有噪聲低,對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小的特點(diǎn),這極利于隱蔽。

        機(jī)器魚設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜而企且技巧性較強(qiáng)的工作,魚體的外形參數(shù)的不同,關(guān)節(jié)鏈接的方法不一,會(huì)使仿真效率存在著很大區(qū)別。采用電磁驅(qū)動(dòng)方式可使機(jī)器魚整體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。魚體采用6個(gè)關(guān)節(jié),各個(gè)關(guān)節(jié)的鏈接方式的優(yōu)化提高了控制運(yùn)動(dòng)的多樣性,使之能滿足在水中高效率的推進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

        1 機(jī)器魚體運(yùn)動(dòng)的受力分析

        目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立的機(jī)器魚多種多樣,本文選取關(guān)節(jié)機(jī)器魚進(jìn)行研究,其中最簡(jiǎn)單的2關(guān)節(jié)機(jī)器魚結(jié)構(gòu)由魚體、尾柄、尾鰭和胸鰭組成(圖1)。通過(guò)尾柄和尾鰭的擺動(dòng)擊水產(chǎn)生向前的推進(jìn)力。2關(guān)節(jié)機(jī)器魚是多關(guān)節(jié)機(jī)器魚的最簡(jiǎn)形式,其分析理論具有普遍意義。為了簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)分析,對(duì)2關(guān)節(jié)機(jī)器魚作4點(diǎn)假設(shè)。

        (1)魚體、尾柄、尾鰭具有足夠的剛度,在慣性力和水作用力下發(fā)生的變形很小,可以忽略不計(jì);

        圖1 2關(guān)節(jié)機(jī)器魚結(jié)構(gòu)示意

        (2)不考慮尾柄、尾鰭擺動(dòng)引起的機(jī)器魚的重心和浮力作用點(diǎn)的變化;

        (3)機(jī)器魚處于無(wú)限大、無(wú)流動(dòng)的水域當(dāng)中;

        (4)機(jī)器魚潛水深度不變,且無(wú)側(cè)傾和俯仰運(yùn)動(dòng)。

        阻礙機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)的力主要有摩擦阻力、形體阻力和渦流損耗。相比于形體阻力,摩擦阻力和形體損耗很小,可以忽略不計(jì)。根據(jù)萊特希爾細(xì)長(zhǎng)體理論,見(jiàn)式(1)。

        式中 ρ——流體的密度,kg/m3

        v———物體的速度,m/s

        S———橫截面面積,m2

        CD——魚體中間最大的橫截面積,m2CD可由式(2)計(jì)算得到。

        式中 a——魚體最大橫截面積的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度,m

        b——魚體最大橫截面積的短軸長(zhǎng)度,m

        S可由式(3)計(jì)算得到。

        式中 an——魚體第n段的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度,m

        bn——魚體第n段的短軸長(zhǎng)度,m

        由上式計(jì)算可得,S 為 25.2 cm2,f為 1.512v2。

        機(jī)器魚的質(zhì)量主要有:尾鰭的質(zhì)量已知為0.45 g;電池的質(zhì)量,選擇鋰—二氧化錳中的CR1225電池,且需要 2節(jié)串聯(lián),即1.80 g。

        機(jī)器魚受到的驅(qū)動(dòng)力如圖所示。

        由圖2和資料可以計(jì)算出最大力矩Tmax。

        圖2 驅(qū)動(dòng)力簡(jiǎn)圖

        式中 f——魚體所受的阻力,N

        r——所取截面距離魚體和尾鰭連接面的距離,m

        A——魚體在所取截面中心所受阻力與x軸的夾角,°

        f與力矩的關(guān)系為(5)式。

        式中 l——魚體的總長(zhǎng),m

        由式(5)可以得出,f=9.47×10-3N。

        由驅(qū)動(dòng)力和阻力的計(jì)算可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的理論分析:①v=0.01 m/s時(shí),f=1.512×10-4N<fmax,魚可以游動(dòng)。②v=0.02 m/s時(shí),f=6.048×10-4N<fmax,魚可以游動(dòng)。③v=0.05 m/s時(shí),f=3.780×10-3N≥fmax,魚不能游動(dòng)??傻贸?,魚體在0.02~0.05 m/s時(shí)可以游動(dòng)。

        2 機(jī)器魚外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

        選取真實(shí)的鲹科魚——藍(lán)圓鲹的形體參數(shù)作為初始仿真參數(shù),主要原因:①藍(lán)圓鲹數(shù)量巨大,生存能力強(qiáng),在自然進(jìn)化過(guò)程當(dāng)中,魚體外形和游動(dòng)規(guī)律相比于其他魚類更的優(yōu)越性;②身體橫截面呈橢圓型,在仿真過(guò)程當(dāng)中能減少運(yùn)算量、提高仿真精度。

        選取一條真實(shí)的鲹科魚類,測(cè)量其總長(zhǎng)并擬合魚體外形曲線,可得l為260mm。魚體縱向曲線函數(shù)R(x),魚體橫向曲線函數(shù)(rx),分別見(jiàn)式(6)和式(7)。

        在機(jī)器魚關(guān)節(jié)數(shù)量的選取上,關(guān)節(jié)數(shù)越多,游動(dòng)曲線與已知的魚體波方程貼合度越高,魚體柔性越大,越接近于真實(shí)魚類的游動(dòng)。但也應(yīng)考慮串聯(lián)結(jié)構(gòu)的累積誤差和尺寸約束,n并非越大越好。通常機(jī)器魚關(guān)節(jié)數(shù)n取值區(qū)間為2~10。本文中所設(shè)計(jì)的機(jī)器魚關(guān)節(jié)數(shù)取n=6,使柔性和誤差積累最優(yōu)化。

        2.1 機(jī)器魚整體外形設(shè)計(jì)

        在各關(guān)節(jié)長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)上,由于魚體的擺動(dòng)主要集中在魚體體長(zhǎng)的后1/2,因此可視為魚體前130不作擺動(dòng)。又根據(jù)實(shí)際測(cè)量可知魚尾長(zhǎng)為47mm,根據(jù)柴志坤[7]提出的關(guān)節(jié)尺寸參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,其余 5關(guān)節(jié)比例應(yīng)為83:67:59:53:48。計(jì)算取整后各個(gè)關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度:關(guān)節(jié)1長(zhǎng)22mm;關(guān)節(jié)2長(zhǎng)18mm;關(guān)節(jié)3長(zhǎng)16mm;關(guān)節(jié)4長(zhǎng)14mm;關(guān)節(jié)5長(zhǎng)13;關(guān)節(jié)6長(zhǎng)47mm。

        根據(jù)上面的測(cè)量數(shù)據(jù),得到機(jī)器魚軀干的14組數(shù)據(jù),每組高4,自頭部至尾鰭連接處的橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)和短軸長(zhǎng)分別為:(0,0),(12,7.2),(17,10.2),(20,12.0),(21,12.6),(22,13.2),(22,13.2),(21,12.6),(20,12.0),(19,11.4),(18,10.8),(17,10.2),(15,9.0),(10,6.0)。單位為mm。

        在UG中先根據(jù)上面得出來(lái)的14組數(shù)據(jù)繪制曲線,然后利用樣條曲線和通過(guò)曲線網(wǎng)格構(gòu)建曲面的出魚體外殼的三維視圖(圖3)。

        2.2 機(jī)器魚各部分設(shè)計(jì)

        電磁驅(qū)動(dòng)的原理:有電流流過(guò)時(shí),在導(dǎo)線的外部就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),根據(jù)“右手螺旋法則”,如果大拇指指向電流流動(dòng)方向,那么其他四根手指的指向就是磁場(chǎng)方向。將這個(gè)導(dǎo)線纏繞在紙管(非鐵磁材料管)上,載流導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)疊加,再根據(jù)右手螺旋法則,如果四根手指指向電流流動(dòng)方向,那么大拇指的指向就是磁場(chǎng)的磁力線方向,規(guī)定磁力線的流出方向?yàn)镹(磁北極),流入方向?yàn)镾(磁南極)。鐵磁材料在磁場(chǎng)中會(huì)受到磁場(chǎng)作用,所以把永久磁鐵鑲嵌在魚體內(nèi)表面上,當(dāng)線圈通電時(shí)就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),與永久磁鐵產(chǎn)生力的作用,使機(jī)器魚的各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng),當(dāng)控制線圈的電流大小和方向,就會(huì)使關(guān)節(jié)產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)。

        基于上述的轉(zhuǎn)動(dòng)方法,本文設(shè)計(jì)出電磁驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)(圖4)。圖4中定軸是與機(jī)器魚上下內(nèi)壁相連,叉子圍繞定軸可左右擺動(dòng),而上下對(duì)稱的限制結(jié)構(gòu)是用來(lái)限制叉子只可左右擺動(dòng),不可上下運(yùn)動(dòng)。左右對(duì)稱的魚壁是抽象用來(lái)表示魚體的內(nèi)壁,左右對(duì)稱的磁鐵是指用來(lái)鑲嵌在魚體內(nèi)壁上的永久磁鐵。線圈纏繞在叉子上(圖5)。當(dāng)線圈通電時(shí),叉子產(chǎn)生磁場(chǎng)。如果此時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)相當(dāng)于磁鐵的S極,則會(huì)與內(nèi)壁上一邊的N極相吸,帶著叉子向N極擺動(dòng),周期性改變電流的方向即可使魚體左右擺動(dòng)??刂齐娏鞲淖兊念l率即可控制魚尾擺動(dòng)的頻率,而電流的頻率可以用單片機(jī)控制。

        分析認(rèn)為,魚體之所以能夠前進(jìn),是由于脊椎曲線帶動(dòng)它所包絡(luò)的流體向后噴出,產(chǎn)生推力。鲹科魚類在游動(dòng)過(guò)程中通過(guò)尾鰭擺動(dòng)產(chǎn)生90%以上的推進(jìn)力。因此,尾部運(yùn)動(dòng)是研究機(jī)器魚的一個(gè)關(guān)鍵。尾部運(yùn)動(dòng)可以看作平動(dòng)和擺動(dòng)的合成。

        根據(jù)目前所公開(kāi)的研究成果[8],可用4個(gè)參數(shù)為主要設(shè)計(jì)參考。

        (1)尾鰭最大擊水角度 δmax,15°<δmax<25°;

        (2)尾鰭擺動(dòng)—平動(dòng)相位差 φ,φ=90°;

        (3)尾鰭擺動(dòng)軸平動(dòng)運(yùn)動(dòng)幅值 H,H=(0.075~0.100)l;

        (4)尾鰭擺動(dòng)后緣最大 擺 幅 ATmax,ATmax≈0.100lB。

        根據(jù)以上數(shù)據(jù)和前面提到的尾部長(zhǎng)度47mm,在UG軟件中,用魚體的外形進(jìn)行修剪,從X軸的213mm截到260mm,則得出魚尾部分,然后對(duì)其進(jìn)行抽殼,殼體厚度設(shè)為15mm。

        圖3 機(jī)器魚三維圖

        圖4 電磁驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)圖

        圖5 叉子的三維簡(jiǎn)圖

        因?yàn)樾铦M足后文的鏈接要求,所以把鏈接的叉子部分與魚尾設(shè)計(jì)到一起去,使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和滿足鏈接要求。UG簡(jiǎn)圖如圖6所示。

        通過(guò)計(jì)算控制結(jié)構(gòu)1的長(zhǎng)度和魚尾部所鏈接的上一關(guān)節(jié)部分的內(nèi)部大小,使其滿足上述的各項(xiàng)參數(shù)。

        圖6 魚體尾部三維簡(jiǎn)圖

        對(duì)于魚體的其他部分,第一段是0~130mm魚頭部分,用于放置電路板和胸鰭。

        圖7前面是所加入的舵機(jī),用于控制胸鰭的運(yùn)動(dòng),圖8中的2個(gè)十字架形狀結(jié)構(gòu)用于粘貼電路板,因?yàn)榭偣残枰隰~體內(nèi)部安裝4塊電路板,2個(gè)十字架形狀結(jié)構(gòu)有4個(gè)面,用于一個(gè)面粘貼一個(gè)電路板。在130mm的尾部也需要放置一個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝置,用于控制下一段的運(yùn)動(dòng)。魚頭部分的三維簡(jiǎn)圖如圖9所示。

        因?yàn)槭?個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器魚,所以除了魚頭和魚尾的部分,剩下還有魚體的中間5個(gè)部分。這5個(gè)部分結(jié)構(gòu)相同,尺寸不同,各個(gè)部分的具體尺寸需根據(jù)具體的位置計(jì)算得出。

        如圖10所示,前面叉子的部分就是圖2所示的結(jié)構(gòu),和魚壁相連。此部分的結(jié)構(gòu)1和上一部分的后面結(jié)構(gòu)2相鏈接,構(gòu)成魚體的各個(gè)部分的鏈接機(jī)構(gòu)。裝配鏈接后形如圖4。此鏈接方式簡(jiǎn)單有效,很好的貼合電磁驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式。各個(gè)部分的鏈接強(qiáng)度和剛度也能滿足要求。較傳統(tǒng)的鏈接方式更容易實(shí)現(xiàn),減小了操作的難度。在各個(gè)部分的左面壁上,留有2個(gè)直徑為5mm的孔洞,可用于在最后總體安裝時(shí)候,留給線路板上的線與各個(gè)部分的電磁驅(qū)動(dòng)裝置連接。

        圖7 胸鰭部分三維簡(jiǎn)圖

        圖8 電路板的放置簡(jiǎn)圖

        圖9 魚頭部分三維簡(jiǎn)圖

        圖10 魚體中間一部分的三維簡(jiǎn)圖

        當(dāng)各個(gè)關(guān)節(jié)部分設(shè)計(jì)完成后,利用UG進(jìn)行各個(gè)部分的裝配(圖11)。

        圖11 6關(guān)節(jié)機(jī)器魚總體裝配三維簡(jiǎn)圖

        3 結(jié)語(yǔ)

        仿生機(jī)器魚相比于一般的AUV(水下自主航行器),具有機(jī)動(dòng)性好、運(yùn)動(dòng)效率高、利于隱身和無(wú)污染等優(yōu)勢(shì),其在目前和將來(lái),在海洋探測(cè)、海洋設(shè)備的檢測(cè)和軍事等領(lǐng)域?qū)⒂芯薮蟮膽?yīng)用前景。

        基于鲹科月牙形尾鰭推進(jìn)裝置的微型仿生機(jī)器魚的研究,通過(guò)初始參數(shù)的選擇與計(jì)算,得出了模擬仿真的參數(shù),為數(shù)字化仿真打下了基礎(chǔ)。通過(guò)利用新型動(dòng)力源,采用不同的鏈接方式,增加了可操作性。并且優(yōu)化了各個(gè)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),為今后的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)和建議。

        [1]謝超平.仿生機(jī)器魚路徑規(guī)劃研究[D].柳州:廣西工學(xué)院,2010.

        [2]王磊,王衛(wèi)兵,劉巧.仿生機(jī)器魚胸鰭的三維設(shè)計(jì)及數(shù)控加工[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)報(bào)),2009.

        [3]劉英想.兩關(guān)節(jié)機(jī)器魚本體及動(dòng)力學(xué)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

        [4]李曉冬.仿生機(jī)器魚研究進(jìn)展分析[J].黑龍江科技信息,2008(9):23-24.

        [5]郝棟偉,王文全.某型仿生魚自主直線巡游速度的影響因素研究[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué),2014,35(6):674-683.

        [6]陳宏.仿生機(jī)器魚巡游和機(jī)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2006.

        [7]柴志坤.機(jī)器魚柔性脊骨的仿真和實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

        [8]韓路輝,陳維山,劉軍考,夏丹.基于FLUENT的擺動(dòng)尾鰭水動(dòng)力特性研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010(5):204-206.

        TH12

        B

        〔編輯 吳建卿〕

        國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2015AA043702),國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目51275052。

        猜你喜歡
        尾鰭叉子魚體
        基于雙向流固耦合仿真的新月形尾鰭水動(dòng)力學(xué)特性研究
        尾鰭驅(qū)動(dòng)型水下機(jī)器人發(fā)展綜述
        包裝工程(2023年18期)2023-09-27 09:18:38
        Let??s Eat!
        軸流泵內(nèi)魚體的運(yùn)動(dòng)行為與撞擊損傷分析
        淡水魚水平往復(fù)振動(dòng)頭尾定向輸送方法
        塘養(yǎng)建鯉背鰭、尾鰭和腹鰭指數(shù)的線性體重表征
        淡水魚腹背定向裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)
        無(wú)中生有的味覺(jué)叉子
        叉子可以讓人嘗咸淡
        “電子味覺(jué)叉子” 無(wú)中生有各種味道
        東西南北(2016年23期)2017-01-12 00:13:29
        产美女被爽到高潮免费a| 中文字幕无码免费久久99| 国产免费视频一区二区| 精品久久综合日本久久综合网| 国产精品久久久久免费观看| 中文字幕人妻中文av不卡专区| 三级全黄的视频在线观看| 日本黄色一区二区三区| 日韩人妻熟女中文字幕a美景之屋| 国产精品对白刺激久久久| 日韩精品国产自在久久现线拍| 中文字幕一区二区三区97| 激情五月我也去也色婷婷| 亚洲人成色7777在线观看不卡| 国产一区二区波多野结衣| 日本人妻少妇精品视频专区| 99精品国产综合久久麻豆| 日韩精品久久久久久免费| japanese无码中文字幕| 国产精品亚洲美女av网站| 国产精品黑丝美腿美臀| 妺妺窝人体色www聚色窝| 91精品国产综合成人| 亚洲免费一区二区三区视频| 99麻豆久久精品一区二区| 亚洲av片无码久久五月| 国产女主播喷水视频在线观看| 免费看欧美日韩一区二区三区| 一区二区国产视频在线| 妺妺跟我一起洗澡没忍住| 青草国产精品久久久久久| 欧美日韩亚洲综合久久久| 久久精品国产精品亚洲艾| 风情韵味人妻hd| 国产精品亚洲成在人线| 精品国产福利一区二区三区| 刚出嫁新婚少妇很紧很爽| 日本丰满熟妇videossex8k| 亚洲综合中文字幕乱码在线| 中文字幕亚洲精品高清| 日本护士xxxxhd少妇|