李 建,葉 艷

(1.景德鎮(zhèn)學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院,江西 景德鎮(zhèn) 333400;2.景德鎮(zhèn)二中,江西 景德鎮(zhèn) 333000)

0 引言

隨著仿生技術(shù)的發(fā)展,仿生機(jī)械已從傳統(tǒng)的純機(jī)械式向智能化轉(zhuǎn)變,其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在執(zhí)行任務(wù)的多樣化、完成動(dòng)作的仿形化、控制水平的精確化等,這有利于產(chǎn)品更加合理地模仿生物所具備的生理機(jī)能,可安全、精準(zhǔn)、高效地完成任務(wù)[1]。外形與所模仿生物的高度相似性,也是仿生機(jī)械的特點(diǎn)之一,這有助于其在偵察、掩護(hù)等應(yīng)用場景更加隱蔽、安全地完成任務(wù)[2-3]。目前,仿生機(jī)械的使用場景逐漸趨向于大眾化,這種需求對(duì)其結(jié)構(gòu)及性能提出了更高的要求。將驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、傳感器、控制板和電源等部件進(jìn)行高度集成,可提升仿生機(jī)械的整體協(xié)調(diào)及穩(wěn)定性,并能最大程度地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品低成本的批量生產(chǎn)[4-5]。

本文結(jié)合仿生機(jī)械在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用,設(shè)計(jì)一款仿生鴨,模仿鴨子在水中游動(dòng),通過控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)仿生鴨的速度及方向進(jìn)行連續(xù)控制,使其能在一定的水上區(qū)域活動(dòng),實(shí)現(xiàn)其外形、運(yùn)動(dòng)等方面的仿生化。從應(yīng)用角度看,仿生鴨在外表上具有生物的自然元素,可作為公園景觀為環(huán)境添加點(diǎn)綴;也能以其逼真的外形、操縱的娛樂性等作為兒童玩具;還能用于水上作業(yè),如在鴨尾裝上掛鉤器,實(shí)現(xiàn)布網(wǎng),為漁業(yè)提供生產(chǎn)力;裝上探測儀,還可用于探測水中的污染物,了解河水的污染分布區(qū)塊等[6-7]。該產(chǎn)品具有一定的應(yīng)用前景。

1 總體方案設(shè)計(jì)

仿生鴨外形尺寸長35 cm,寬15 cm,高15 cm,由樹脂材料制作而成,設(shè)計(jì)前進(jìn)最大速度15 km/h,其結(jié)構(gòu)包括鴨身、艙蓋、蓋扣、吊艙、燈眼、蓄電池、電機(jī)、舵機(jī)、傳動(dòng)軸、拉桿、螺旋槳、尾舵等。采用電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳驅(qū)動(dòng)鴨體向前行駛,利用舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向。由無線信號(hào)對(duì)電機(jī)和舵機(jī)進(jìn)行控制,以實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)向的控制,控制距離不小于100 m。

為了實(shí)現(xiàn)仿生鴨子在水面的游動(dòng)功能,該裝置設(shè)計(jì)由以下部分構(gòu)成:

(1)仿生鴨體:包括鴨身、艙蓋、蓋扣、吊艙、燈眼等。

(2)動(dòng)力及傳動(dòng)裝置:包括電池、電機(jī)、傳動(dòng)軸、螺旋槳等。

(3)方向控制機(jī)構(gòu):包括舵機(jī)、拉桿、拉桿密封件、尾舵等組成。

(4)控制器:包括信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)接收器等。

2 仿生鴨體設(shè)計(jì)

仿生鴨體由鴨身、鴨艙、艙蓋、蓋扣、吊艙、燈眼等組成。鴨身外形長35 cm,寬15 cm,高15 cm。鴨體內(nèi)部為鴨艙,是一個(gè)空腔,用于安裝電池、電機(jī)、舵機(jī)等驅(qū)動(dòng)及控制部件等,并能確保整體在浮力的作用下浮于水面并保持穩(wěn)定。鴨艙上部設(shè)計(jì)一艙蓋,用于對(duì)鴨艙進(jìn)行密封。在鴨艙尾部設(shè)計(jì)一個(gè)蓋扣,用于加強(qiáng)對(duì)艙蓋的固定。在鴨身底部設(shè)有吊艙,主要作用是配重,提升行駛的平衡穩(wěn)定性。鴨身左右眼部各設(shè)一個(gè)發(fā)光二極管,在通電后發(fā)光,主要用于裝飾美化、娛樂等功能。

仿生鴨體采用吹塑工藝制作,其原理是熱塑性樹脂經(jīng)擠出或注射成型得到的塑料型坯,加熱到軟化狀態(tài)置于對(duì)開模中,閉模后立即在型坯內(nèi)通入壓縮空氣,使塑料型坯吹脹而緊貼在模具內(nèi)壁上,再經(jīng)冷卻脫模,即得到制品。加工過程如下:首先,中空塑料管擠出原料。沿預(yù)設(shè)縱向延伸的吹塑噴嘴,將氣體介質(zhì)施加到塑料型胚上以使其膨脹。將氣體介質(zhì)通過連接管道輸送到吹塑成型設(shè)備的連接裝置,從介質(zhì)的流動(dòng)方向觀察控制塊,其在連接裝置和吹塑活塞之間,在膨脹過程中控制壓力實(shí)現(xiàn)輸送。其次,模具閉合,夾緊模具并切斷型胚。另外,調(diào)整開口并在冷卻期間保持一定的壓力,打開模具,卸下被吹得零件。最后,修整飛邊得到成品。將吹塑制品冷凍,同時(shí)滾去飛邊,自然升溫至室溫取出即可。由于低溫,塑料的韌性大幅下降,變?yōu)榇嘤矤顟B(tài),此時(shí)飛邊處強(qiáng)度低,容易在碰撞中脫落,因而達(dá)到修整目的。

鴨身及艙蓋結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示:

圖1 鴨身結(jié)構(gòu)形狀圖

圖2 艙蓋結(jié)構(gòu)形狀圖

2 動(dòng)力及傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

仿生鴨動(dòng)力裝置主要用于提供鴨體前進(jìn)所需能量和動(dòng)力,包括電池、電機(jī)、傳動(dòng)組件、螺旋槳等。

為使前進(jìn)最大速度達(dá)到15 km/h,保證一次充電使用時(shí)間15 min以上,選用7.4 V、700 mA·h鋰離子電池為儲(chǔ)能元件。其正極材料為鈷酸鋰,負(fù)極材料為碳材,電池通過正極的鋰離子在負(fù)極碳材鍵入與遷出實(shí)現(xiàn)電池的充放電。鋰離子電池能量密度大,平均輸出電壓高,單體的工作電壓可達(dá)3.7～3.8 V,自放電小,室溫下充滿電月自放電率約2%,低于Ni-Cd的25%～30%,Ni-MH的30%～35%。沒有記憶效應(yīng),工作溫度范圍寬,在-20℃～60℃,循環(huán)性能優(yōu)越,可快速充放電,輸出功率大,使用壽命長[8-9]。選用180微型直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件,其傳動(dòng)效率較高,達(dá)到相同的輸出功率,其體積比較小,對(duì)于安裝位置有限的情況下,選用該電機(jī)比較合適。并且,電機(jī)可以根據(jù)負(fù)載大小,自動(dòng)降速,來達(dá)到較大的起動(dòng)力矩,其還能較容易吸收負(fù)載大小的突變,轉(zhuǎn)速可以自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載大小[10-11]。電機(jī)主要含定子和轉(zhuǎn)子兩部分,定子包括主磁極、機(jī)座、換向極、電刷等。轉(zhuǎn)子包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器軸、風(fēng)扇等。直流電源供給的電流方向不變,電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng),由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用,保證了每個(gè)極下線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向,從而形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩,使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。電機(jī)額定電壓7.2 V,額定電流0.48 A,額定轉(zhuǎn)速為100400 r/min、最大扭矩42.4 N·m,其性能穩(wěn)定,動(dòng)力能夠滿足要求。

電機(jī)軸通過聯(lián)軸器與單花軸相連,單花軸尾部連接螺旋槳,用螺母軸向定位,防止其軸向移動(dòng)。單花軸外部有套管,并從鴨身尾部穿過,為防止漏水,軸套和鴨身用熱熔膠密封,其連接如圖3所示。

圖3 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 方向控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

方向控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)由舵機(jī)、舵機(jī)拉桿、拉桿密封件、尾舵等組成,實(shí)現(xiàn)仿生鴨換向功能。

舵機(jī)是一種帶有反饋環(huán)節(jié)的伺服電機(jī),體積緊湊,便于安裝,輸出力矩大,穩(wěn)定性好[11]。其主要由直流電機(jī)、舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、控制板等組成?？刂瓢褰邮諄碜孕盘?hào)線的控制信號(hào),控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),電機(jī)帶動(dòng)齒輪組減速后傳動(dòng)至輸出舵盤。舵機(jī)作為一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器,其輸出軸和位置反饋電位計(jì)相連,舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí),帶動(dòng)位置反饋電位計(jì),電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板,進(jìn)行反饋。控制電路板根據(jù)其所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度,直至達(dá)到目標(biāo)停止。舵機(jī)的控制信號(hào)是周期為20 ms的PWM信號(hào),脈沖寬度0.5 ms～2.5 ms,相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為0°～180°,呈線性變化。當(dāng)輸入一定的脈寬,輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度,直到提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路,產(chǎn)生周期20 ms,寬度1.5 ms的基準(zhǔn)信號(hào),另有一個(gè)比較器,將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相比較,判斷出方向和大小,從而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。

轉(zhuǎn)向拉桿一端鉤于舵機(jī)轉(zhuǎn)子孔上,順著另一邊從鴨身尾部穿出。穿孔處粘合一密封橡膠圈,以防漏水。螺旋槳上方固定一轉(zhuǎn)向翼座,在轉(zhuǎn)向翼左側(cè)開一個(gè)小孔,與舵機(jī)拉桿的另一頭連接。舵機(jī)、拉桿、轉(zhuǎn)向翼構(gòu)成一曲柄搖桿機(jī)構(gòu),其連接如圖4所示。

圖4 方向控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

5 控制器設(shè)計(jì)

電機(jī)內(nèi)部的電控單元主要由51單片機(jī)進(jìn)行控制,其控制系統(tǒng)傳遞線路如圖5所示:

圖5 控制系統(tǒng)傳遞線路圖

該系統(tǒng)通過高頻2.4G無線遙控,使用的是STC12C5A60S2單片機(jī),用NRF24L01作為收發(fā)模塊。電路的主要制作元件包括12 M晶振一個(gè)、30 p陶瓷電容一個(gè)、AMS117 3.3和AMS1117 5.0穩(wěn)壓芯片各一個(gè)、NRF24L01模塊一個(gè)、搖桿電位器一個(gè)、10 K及20 K電阻(1%精度)、按鍵7個(gè)、100 uf 16 V電容三個(gè)、104瓷片電容一個(gè)、耳機(jī)插座(用于輸入輸出PPM模擬信號(hào))一個(gè)、蜂鳴器一個(gè)、二段開關(guān)三個(gè)、三段開關(guān)二個(gè)、電位器(旋鈕開關(guān))三個(gè)。

當(dāng)接收到遙控器傳來的無線信號(hào),控制器將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)傳給舵機(jī)和電機(jī)。舵機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)拉桿運(yùn)動(dòng),控制尾舵局部擺動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)換向。電機(jī)帶動(dòng)單花軸,驅(qū)動(dòng)尾部螺旋槳旋轉(zhuǎn)。單片機(jī)能根據(jù)輸入的正反轉(zhuǎn)代碼控制電機(jī)轉(zhuǎn)向,因此,可帶動(dòng)螺旋槳順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)仿生鴨子的前進(jìn)或后退功能。

6 性能測試

根據(jù)設(shè)計(jì)方案,將驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、控制等零件安裝于仿生鴨體,其形狀如圖6所示。將仿生鴨放于水池中進(jìn)行測試(如圖7所示),其能較好實(shí)現(xiàn)水上運(yùn)動(dòng),控制響應(yīng)快,速度連續(xù)性較好,最高可達(dá)15km/h,并且轉(zhuǎn)向操縱平穩(wěn),性能可靠,密封好,艙內(nèi)無漏水,仿生鴨總體符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 仿生鴨外觀圖

圖7 仿生鴨水上測試圖