毕业设计（论文）-划水式仿生推进装置的设计和运动分析.doc

摘 要在经济飞速发展的今天，工业化进程越来越快，建设新世界所消耗的资源越来越多，对传统的陆地资源开发已经不能满足其要求，为了子孙的生存和发展，人们开始转战海洋资源。可以说，当今社会是海洋的时代，越先主动掌握水下技术，并且掌握的越好，才更能掌握经济的先机。我们国家已经注重开发临海的水下资源，进行一系列的探索和研究。水中生物经过千百年进化后游动的方式不尽相同，受水下生物启发而演变的仿生推进装置也纷繁多样，各有特点。本文研究的主要内容是海龟的游动方式。企鹅、海龟等动物在水下运动的主要方式便是利用划水法，该游动方法具有机动性能好、噪音低等优点。以此为切入点，研究海龟的游动方式后，根据其运动特点，进行机械结构设计，该研究成果对用于水中小型、低速的推进装置的设计和发展有着重要的意义和价值。在分析得到海龟的运动方式后，首先在三维软件中建立划水式仿生推进系统的三维模型，然后利用有限元分析对相关重要零件进行强度校核，最后导入机械专用动力学软件ADAMS中，建立推进装置的简化动力学模型，并对该模型进行了运动仿真，仿真结果表明该仿生推进机构能够较为合理的模拟海龟的“8字形”划水运动，实现了又一种水下低速的推进方式。关键词：仿生推进；划水运动；水下机器人 IAbstractIn the rapid economic development today, increasingly rapid process of industrialization, building new world consumed more and more resources, the traditional development of land resources has been unable to meet the the requirements, in order to survive and develop in the future, people began to moved to marine resources.Can say, in todays society is era of ocean and more to take the initiative to master the underwater technology, and grasp the better, just more can grasp the economic opportunities.Our country has beenfocusing onthewaterresources development in Linhai,conducteda series of exploration and research.Aquatic organisms after thousands of years of evolution swimming is not the same, by the underwater bio inspired and evolution of bionic propulsion device is numerous and diverse, each with its own characteristics.The main content of this paper isthe turtleswimming.The main way of penguins, sea turtles and other animals moving in the water then is by the method of the stroke, the walk method has good maneuverability and low noise.This as a starting point, after the turtle swimming, according to the motion characteristics, mechanical structure design, the results of the study for water small, low-speed propulsion device design and development has a important meaning and value.After analysis the movement of sea turtles, first in the 3D software establish pull type bionic propulsion system of 3D model, and then use the finite element analysis of related important parts for strength checking, finally into the special mechanical dynamics software ADAMS, establish a simplified dynamic model of propulsion device and the model were motion simulation. The simulation results show that the biomimetic propulsion mechanism can have more reasonable simulation turtle 8 shape water skiing, realized and a water under low-speed propulsion mode.Kyewords:Bionic propulsion;Water skiing；Underwaterrobot3目录1 绪 论11.1 研究背景和意义11.2 仿生推进理论研究现状11.2.1 国外理论和技术研究现状11.2.2 国内理论和技术研究现状31.3 划水法推进技术综述31.3.1 划水法推进技术现状41.3.2 划水法推进技术研究重点和难点41.4 本文的主要研究内容52 海龟划水法推进仿生分析62.1 海龟划水法游动的原理分析62.2 海龟划水法游动的机理分析62.3 海龟划水法推进原理的提出72.4 本章小结73 仿海龟划水法推进装置的机械设计93.1 仿海龟划水法推进装置的驱动方案设计93.1.1前肢水翼的驱动设计93.1.2后肢蹼翼的驱动设计103.2 仿海龟划水法推进装置的本体结构设计103.2.1水翼和蹼翼设计103.2.2水翼和蹼翼材料选取113.2.3推进体整体设计123.2.4推进体密封设计123.3 其他部分材料选取133.3.1电机类别选择133.3.2其他材料选择133.4 本章小结14III14 相关零件尺寸的计算与校核154.1 伺服电机型号选取154.2 锥齿轮的强度校核174.3 轴的强度校核194.4 海龟壳的强度校核214.5 本章小结22工作总结与展望23参考文献24致谢263131 绪论1 绪 论1.1 研究背景和意义在这个经济发展迅速的年代，人们对资源的追求是势头正旺。但是，人们已经意识到很多资源不能无限开发，资源越来越匮乏，环境也受到严重污染，所以新型能源被提到日程上来。我们国家是资源大国，但是作为发展中国家的我们，人均资源少之又少，此时越早转战海洋资源，对于我们的经济可持续发展越有利。因此，水下机器人顺势而生，并以其巨大的优势，在海洋开发中起着至关重要的作用1。水下机器人可以应用到海洋活动各方面，例如：水下环境监测、海洋资源勘察、水下动物观测等方面都有广阔的应用前景，引起了人们的极大兴趣2。水下生物的游动方式较多，大致可以分为摆动法、划水法和喷射法等3。在水下仿生推进研究领域，对于尾鳍/鱼体摆动法的研究开始较早，在摆动法游动机理的基础分析及其推进性能和操纵性能实用性研究等方面取得了大量的研究成果4。对于乌贼、水母等利用喷射法推进的仿生研究也相继展开，并取得了不错的进展5。目前，对于划水法推进技术的研究还远不如螺旋桨推进方式的研究深入透彻，在划水法仿生推进装置运动模式选取及运动参数规划方面，也没有通用的标准和可循的规律6。因此，本课题着眼于海龟的划水法推进方式，研究海龟的划水法推进原理，综合仿生学原理，研究新型水下机器人仿生动力，进而开发新型推进机械结构，对于未来水下中低速机器人的研究提供理论基础，具有一定的积极意义。1.2 仿生推进理论研究现状国内外学者在仿生推进机理分析、仿生推进装置设计等方面开展了大量的研究工作，为我们设计仿生装置提供了大量参考。下面分别针对国内外发展现状进行总结，为后续设计做好铺垫。1.2.1 国外理论和技术研究现状随着仿生学等学科的研究进展加快,学科间综合度越来越高， 海洋经济的不断开发和军事需要, 科学家们把研究方向转向水下的各种生物运动机理上。国外研究工作起步早，进步较快，目前已研制出的多种水下机器人，其中较为有代表性的有以下几种：1994年麻省理工7模仿蓝鳍金枪鱼制造的RoboTuna如图1-1所示。其长约1.2m, 由2843个零件组成,内部装有6台小马力的直流伺服电机、电路等。该机器鱼内部有多个处理器和高级推进系统，运动时通过摆动躯体和尾巴，完全仿照原型，而且运动速度并不低于原生物。机器梭子鱼RoboPike8, 如图1-2所示。主材料是玻璃纤维, 外面包裹弹力纤维,使机器梭子鱼坚固又灵活。它的硬件系统包括梭子鱼的各个器官，如，鱼头，鱼鳍等，驱动采用一台伺服电机，通过程序控制各个鱼鳍的运动。 图1-1 麻省理工研制的机器金枪鱼 图1-2麻省理工研制的机器梭子鱼图1-3是英格兰埃塞克斯大学华裔教授胡霍胜9和他的同事,从02年开始研究的自主控制机器鱼, 这是目前世界上第一条尺寸小于50mm、下潜深度大于3m的机器鱼。该机器设计的独特之处,在于鱼尾部结构仅用一台伺服电动机就可实现自主导航。 图1-3 英国研制的机器鱼 图1-4 机器龙虾美国海军研究局( TheofficeofNaval Research) 与东北大学船舶科学中心( The Marine Science Center ofNortheasternUniversity)经过10年的努力, 共同研制出一种水下仿生机器龙虾10, 如图1-4所示，机器龙虾有8条腿，身上布满了传感器，用来观察，还能闻气味。20世纪90年代，日本名古屋大学的 Toshio Fukuda 也进行了微型仿鱼推进器的研究，他先后研制出2款不同材料的微型机器鱼11,其性能和外观都十分理想，在日本造成不小的影响。1.2.2 国内理论和技术研究现状相比之下，国内的水下仿生推进技术略逊一筹,大约在二十世纪后期才刚刚兴起,好在发展较快,经过不懈努力也取得了一些可喜的研究成果。比较典型的如下：2004年，北京航空航天大学机器人研究所和中国科学院自动化研究所12共同合作，成功研制中国第一条可用于水下考古的仿生机器鱼“SPC-II仿生机器鱼”，如图1-5所示。该机器鱼表面印有“北京航空航天大学”的字迹，据介绍，该仿生鱼已经替代人工进行水下探测，效果还算理想，机器人的好处既可提高工作效率，又降低人在水下作业的危险。经过进一步完善，该鱼形机器人将在水下其他方面继续发挥重要作用。1999年，哈尔滨工程大学水下机器人研究室13以金枪鱼为仿生原型，研制了“仿生-号”机器人，如图1-6所示。该仿鱼机器人体积较大，驱动装置为两台小型伺服电机，分别用来控制尾鳍和胸鳍的运动，与国外不同，利用两台电机省去编程的麻烦，但是增加了体积。成功模拟了金枪鱼通过控制胸鳍和尾鳍的配合，使机器鱼能够实现直行、转弯和升降运动。 图1-5 SPC-II仿生机器鱼 图1-6 仿生-号1.3 划水法推进技术综述目前划水法推进机理的研究远不如鱼类的摆动法深入，大多通过观测生物原型运动，总结规律，利用数学模型进行模拟，有所进展后直接用于实际研究，只是突破较为困难，需要不断的进行尝试，随着科技的进步，以后也许会有更大的突破。1.3.1 划水法推进技术现状新加坡南洋理工大学Low等人在观察海龟游动的运动轨迹特征时发现，海龟前肢做“8字型”上下挥拍运动是为它提动力的主要来源，原理简单可以解释为在挥拍时与水的反作用力提供了前进力。Low等人提出海龟翼尖运动轨迹为上下对称的瘦长8字型，如图1-7所示，他们称这种对称的轨迹让海龟前行时前肢受力均匀连续，使得海龟运动时更具有稳定性14。瑞士联邦理工学院Stocker等人研究方法略有不同，他们通过对比绿海龟和淡水龟的运动方式，得出的结果证明了Low等人结论的正确性，即认可海龟游动时主动力源自水翼上下挥拍产生的前行力机制1516。但是不同点在于水翼“8字形”并不是对称的，如图1-8所示，该“8字型”上部分明显更大。对此，Stocker等人解释为1718，海龟前行推进时动力源主要来自水翼下拍前半程和上挥后半程，对称的结构并不能实现这种效果，这种运动模式才是最高效的前进方式。 图1-7 Low 等的海龟水翼运动示意图 图1-8 Stocker 等的海龟水翼运动示意图基于上述分析，再查阅相关资料，可以大致得出，海龟划水法从生物学角度来看更像是结合了飞行和游动的特点,区别在于，比飞行动物挥拍翅膀的频率低得多，与鱼类依靠鱼尾单独提供动力相比，海龟需要两只水翼同时挥拍提供动力19,所以专门针对这方面的研究还比较少。国内对于划水法的研究大多停留在理论阶段，少有实践。据悉，上海交大曾成功研制出水陆两栖仿生机器龟。该装置以两栖淡水龟为研究主体,前肢后肢采用相同的装置，对称分布即可,每个水翼利用一个电机控制，通过主程序控制，实现运动。据说可以实现水路两栖功能，但与我们所研究的仿海龟划水法还是差别很大的。1.3.2 划水法推进技术研究重点和难点目前,国内的仿海龟划水法刚刚兴起,还很不成熟，我们作为本科生进行探索和尝试时难以避免地遇到很多困难，个人认为重点需要解决的问题如下：1） 伺服电机的控制技术。国内较为成熟的水下推进器大多是仿鱼类，利用一个伺服电机足以实现功能，而划水法推进由于每个水翼有2个自由度，所以需要2个伺服电机进行配合，才能完成预定轨迹。这就增加了该方法动力源的协调控制难度，对于后期编程控制是很大的挑战。2） 水下动密封技术。该装置要在水下运行，不可避免的要解决动密封问题，尤其我们设计的输出轴一端在水中，另一端在密封装置内，使得我们需要动密封的地方更多，增加了制作难度，但作为初步研究，可以设置水下深度在浅水范围，这样可以适当降低设计难度。3）通过控制电机的转向变化实现机构的转向和沉浮4）计算机器人的重心使其在水中保持平衡1.4 本文的主要研究内容该课题以海龟为研究对象，参考国内外发展现状，探索海龟划水法推进机理，并设计了一种水下推进机构进行模拟，对模型进行了理论分析与检验。对未来的相关工作设计和研究提供了有力的参考依据。本文所做的具体工作如下：通过查阅相关资料，对海龟的运动模式初步了解后，进行仿海龟划水法的机理分析，运动特性总结。根据划水法推进原理,参照海龟原型的体态比例特征,建立了仿生推进机构的三维与二维模型，重点在于水翼和蹼翼的不同驱动结构设计；对相关零件进行材料选取，并详细校核了锥齿轮强度；通过计算选取了四个伺服电机的型号；解决了本课题的动密封问题。在SolidWorks中建立仿海龟推进器的简化三维模型后，对重要零部件进行有限元分析，校核其强度；在ADAMS中，建立了仿生推进装置的简化动力学驱动模型，并对该模型进行了运动仿真，得到其运动轨迹，结果表明该机构能够较好的模拟海龟“8字形”的特殊轨迹，证明设计合理。272 海龟划水法推进仿生分析2 海龟划水法推进仿生分析生物原型研究是仿生学研究的基础，以对生物形态与运动测量为主的仿生学基础研究方法为人们寻求仿生设计原型和归纳设计原则提供了一条捷径20。国内外学者们对海龟的外部形态、肢体构造及运动特性等方面进行了大量研究，为我们了解海龟生物及划水法推进运动，提供了理论依据，为分析划水法推进性能奠定了基础。2.1 海龟划水法游动的原理分析为了更好的对海龟划水法游动原理进行分析,首先建立建立如图2.1所示坐标系。海龟有两对翼，前面的一对大而有弹性，称为水翼，后面的一对相对较小，呈蹼足状，又称为蹼翼21。下面分析海龟的具体运动形式：前肢运动分为2部分,即水翼绕X轴旋转，实现水翼前沿上翘、下沉的运动形式，我们称之为位旋运动；水翼绕Y轴旋转,实现水翼整体上下拍动,称为拍动运动。同理，后肢的运动也分为2部分，蹼翼绕Z轴左右摆动称为摆旋运动,绕X轴旋转称为位旋运动。海龟划水的动力源基本上都来自水翼,而蹼翼只是起到协调平衡的作用,因此前后肢是海龟游动的主要器官。我们只对此进行研究即可得到想要的结果。图2.1 海龟四肢运动坐标示意图2.2 海龟划水法游动的机理分析海龟在水下的运动形式大致分为三种：直线，转弯和升降运动。本文根据国内外对海龟运动的监测结果，来研究海龟不同游动状态下四肢协同运动规律。1） 直线运动海龟做直线游动时，前肢水翼进行拍旋和位旋划动，后肢只需保持水平状态，节省体力，通过小幅摆动产生升力，克服水翼产生的垂向力及俯仰力矩22。海龟的直线运动是其最基本的运动方式，是进行其他运动的基础。其实，海龟的拍旋运动并不是绝对的上下挥拍，也会有小幅度的绕Z轴运动，利用反作用力进行推进，生物的这种特点更度和进化的规律。2） 转向运动海龟在转向运动中两前肢水翼提供动力，后肢充当转向舵。以向右转为例：其左后方蹼翼从当时的水平滑翔姿态,位旋至垂直滑翔姿态，而其右后方蹼翼除了从水平滑翔姿态转至垂直姿态外，整体还向左侧旋转一定角度，具体角度根据转弯的半径大小而定，半径越大幅度越小，半径越小幅度越大。左转亦同，只是方向相反。3） 升降运动海龟进行升沉运动时，并不是垂直进行的，需要在水平运动的基础上，此时水翼进行拍旋和位旋运动提供动力，蹼翼绕Y轴旋转一定角度，当海龟向上运动时，蹼翼上翘约30度；向下运动时蹼翼下摆约30度，即可实现。2.3 海龟划水法推进原理的提出通过对海龟运动的观察，分析其运动机理后，我们可以知道，海龟四肢协调的划水法游动具有鲜明的特点，与其他动物都不尽相同，更值得深入研究。根据上文对海龟划水法研究，得知海龟的水翼末端运动轨迹为“8字形”，如图2.2。图2.2 海龟水翼“8字形”运动示意图上文说过，海龟的主要动力源依靠水翼划水法，即拍旋和位旋的协调配合，所以只要我们能够模拟出海龟水翼的这种带有角度的上下拍动,就能研制出海龟划动游动的仿生装置。也就是说，只要模拟出海龟拍旋和位旋的运动形式，就可以仿真出海龟的划动装置。基于这种理念，我分别对拍旋和位璇单元进行了设计，然后再整体布局，用于初步的研究。2.4 本章小结本章根据国内外对海龟游动时水翼的运动做出具体分析，得到海龟“8字形”的推进运动方式，介绍了海龟不同运动状态时水翼的调整模式，进而提出海龟划水法推进的整体思路，为后续的机械结构设计提出理论基依据。3 仿海龟划水法推进装置的机械设计3 仿海龟划水法推进装置的机械设计3.1 仿海龟划水法推进装置的驱动方案设计 驱动方案是我们研究仿生推进装置的重要内容，其合理性是我们仿生能够成功的必要条件。3.1.1前肢水翼的驱动设计2113456经过前面的大量分析，我们设计了如下2自由度的机械结构作为水翼的驱动，对称分布在前肢左右两侧。 1-水翼模型 2-锥齿轮副 3-直齿轮副 4-位旋电机 5-拍旋电机 6-隔板图3.1 划水法推进装置水翼结构设计图 如图3.1所示，此结构由拍旋单元，位旋单元，水翼，隔板等组成。其中拍旋单元,由拍旋电机5、隔板6、和锥齿轮副2等零件组成。拍旋电机外面包裹电机罩，电机输出轴透过电机罩连接一个锥齿轮，电机罩在水中的一端上面设置支撑座，此支撑座上面安装连接轴固定水翼，连接轴上安装另一个锥齿轮，与电机输出轴上的锥齿轮啮合，带动水翼转动。在位旋单元中,由位旋电机4、直齿轮副3等零件组成。位旋电机由电机支架固定，输出轴上安装一只直齿轮，另一个直齿轮安装在拍旋电机罩上，这样，通过齿轮传动可以带动整个拍旋电机主体旋转，使得水翼模型1能够进行改变前沿上翘或下沉姿态的位旋运动。隔板6实际上就是海龟壳的一部分，隔板左侧零件全部位于水中，右侧则应该在干燥环境中。我们在三维建模时，单独画出此隔板，而在实际应用中隔板完全可由耐压壳体代替,减少密封工作。213453.1.2后肢蹼翼的驱动设计 1-摆旋电机 2-密封隔板 3-齿形带机构 4-蹼翼 5-位旋电机图3.2 划水法推进装置蹼翼结构设计图海龟后肢与前肢相同，我们在这里也保留2个自由度，即位旋和摆旋运动。至于后肢在海龟升沉运动时起到的升沉舵作用,则用位旋和摆旋动作的耦合来代替实现。 如图3.2所示，后肢装置大致可分为蹼翼模型、位旋单元、摆旋单元和密封隔板四个部分。位旋单元又由位旋电机、电机罩、蹼翼、实心转轴等组成。电机用连接块固定在电机罩上，电机罩全密封，保护电机处于干燥环境，蹼翼利用联轴器与电机输出轴相连接，电机罩用2根短轴与密封隔板连接。摆旋单元有摆旋电机、齿形带齿轮、齿形带等组成，齿轮一端与电机相连，通过齿形带，把动力传递给位旋电机，带动蹼翼实现左右摆动。3.2 仿海龟划水法推进装置的本体结构设计3.2.1水翼和蹼翼设计我们本次设计是模仿成年绿海龟，经过查阅资料，我们按比例设计出下图3.3和图3.4所示水翼和蹼翼。其中水翼展长360mm，展宽116mm，,前缘弧度0.8，后缘弧度0.4，采用硬铝材料，厚度约为2mm，质量约为0.15kg。图3.3 海龟水翼模型二维示意图图3.4 海龟蹼翼模型二维示意图海龟蹼翼同样根据比例，采用硬铝原料，投影展长120mm，弦长60mm，厚度也为2mm，后沿出处有一个半径约为36mm的过渡圆弧。3.2.2水翼和蹼翼材料选取我们选用铝制材料来做水翼和蹼翼，理由如下：1 密度小。金属铝的密度约为2.7g/cm3,相比铁铜材料轻得多。这样可以减轻自重，而且薄铝易于加工得到。2 强度高。铝制品经过冷加工和热处理后，其强度大为提升，更抗压抗拉，不易变形。3 耐蚀性好。铝的表面在空气中自然生成一层致密的AI2O3薄膜，在水下能够保护其不轻易被腐蚀。考虑到海龟的生物特性，水翼单纯选用铝制材料不能很好地模拟出海龟表皮的柔性，所以选择在其表面包裹一层柔性材料，这样可以提高其抗弯强度；而蹼翼相对较小，只是辅助作用，为了方便加工，可以只是单纯的选用铝制材料。柔性材料的选择也有多种，经过考虑，决定选用合成橡胶，理由如下：1 弹性好。橡胶的质感最接近海龟表皮，且易于包裹在铝的表面。2 防腐蚀性好。合成橡胶中加入防腐剂后，其防腐性能有了很大提高。3 粘度低，相对密度小。新鲜胶乳的密度一般都小于1，合成橡胶可以相近或者更低，附在表面并不会增加过多的重力。4 价格低，节约成本。和天然橡胶相比，价格更低廉，性能相似。3.2.3推进体整体设计如图3.5，可以看到，水翼和蹼翼分别对称分布在海龟壳体俩侧，壳体尺寸大致为400x400x180mm，这样可以使结构更紧凑；材料采用铝合金，便于加工，质量轻，成本低，由于在浅水运动，其强度也可以满足要求。不足之处在于其长方形形状，没有达到仿生效果，所以会增大其在水下的粘性阻力，后续可以完善，改变其形状，满足流线型要求，减小阻力。蓝色零件为电机，每个单元需要2个，共计8个电机，对控制程序要求较高。前肢水翼提供动力，后肢辅助转向以及升沉运动，符合前面分析要求。图3.5 海龟整体示意图3.2.4推进体密封设计水下机器人都会涉及到密封问题，本课题同样需要解决静密封和动密封问题。静密封相对来说容易解决， 相比之下，动密封技术要求更高。例如：轴在旋转运动时, 由于轴与机壳间存在间隙,，就会产生泄漏,，而且压力越高、轴的转速越快， 产生泄漏的概率越大。后肢位旋电机罩内部需要保持干燥，以保证电机工作正常，该部分采用静密封技术，经过比较分析，决定采用O形圈密封，理由如下：1、 零件已经标准化，互换性强，方便设计和加工；2、 适合多种不同的密封介质：液体、气体，混合物等；我们只是在水下密封，介质情况并不复杂；3、 O 形圈结构简单，有自密封作用，所以密封性能好。 4、 温度使用范围广。完全适应浅水下的工作环境。5、 价格便宜。前肢水翼拍旋电机罩与轴承需要采用动密封技术。经过多次比较，在电机的转速不高并且水压不大的实际情况下，同时考虑到设计的简洁，此处同样采用O 形圈，也可以达到满意的密封效果。3.3 其他部分材料选取3.3.1电机类别选择目前应用在水下机器人上的动力装置很多，大致总结如下：表3-1 各类型动力源优缺点优点缺点形状记忆合金驱动器水下微驱动方面应用较多技术上不够成熟，并且价格昂贵液压驱动器体积小，动力大，可用于恶劣的外部环境效率低，泄漏污染环境，对精度要求高气压驱动器结构简单，安全可靠，环境适应性好，无污染在水下获取气体介质不现实伺服电机驱动器技术成熟，应用广泛，各项指标均满足水下推进器要求 由表3.1可以看出，伺服电机最适合用于本课题的驱动装置，拟采用直流伺服电机，低速下容易实现电机变向转动，原理简单，价格便宜，易于控制。3.3.2其他材料选择表3.2 其他零件明细项目号零件号材料1位旋电机罩3042实心转轴3043联轴器3044后肢水翼连接块3045位旋电机固定座3046平键3047齿轮40Cr8轴承端盖3049套筒30410螺栓4511密封隔板轴挡圈30412位旋电机罩挡板30413螺钉Q23514后肢摆璇电机垫块30415齿形带橡胶16水翼连接处30417水翼支撑座板30418水翼支撑座30419密封隔板30420整体挡板小30421海龟壳密封板大3043.4 本章小结 本章详细介绍了划水式推进装置的机械结构设计，包括驱动方案的选择，推进器的内部整体布局，零件材料的选型，以及水下动静密封问题，为后续工作做好铺垫。4 相关零件寸的计算与校核4 相关零件尺寸的计算与校核4.1 伺服电机型号选取 将水翼模型投影得到0.36x0.ll6mm的矩形模型。由流体力学知识,物体在水下运动时受到的粘性阻力由摩擦阻力Df和形状阻力Dp共同组成。计算方法如下： （4-1）式（4-1）中为物面法线与水流方向的夹角，两者之和就是粘性阻力23,当水翼模型在水中做拍旋运动时,可近似看作一矩形平板,拍动幅度不大，所以翼面垂直与来流方向近似垂直,也就是与翼面法向方向相同,如下图所示,所以角始终为0,则式4-1中的摩擦阻力始终为0,水翼在运动时受到的粘性阻力此时只剩下形状阻力。如图4-1： 图4-1水翼拍动示意图 由水下物体受到的粘性阻力计算公式： (4-2)式(4-2)中是粘性阻力系数；是水流密度；U是来流速度；是特征面积,通常取物体的与水接触面积23。通过查阅资料，参考已知条件可知水翼模型在波峰和波谷的速度略有差别，波峰值Umax1为1.22rad/s，波谷值Umax2为1.53rad/s,假设其上下挥拍时速度相同，取其最大平均值U为1.38rad/s，取粘性阻力系数=l.2，代入上式得：再根据力矩和功率的计算式子，算出其平均最大力矩和功率： （4-3）考虑到重力的影响，如果将重力G加载到运动过程中，取传动效率为50%,保守估算出为水翼提供动力的电机所需最大力矩和最大功率得:这里算出的所需电机最大力矩和最大功率都是估算出来的，不是很精确，但是这个结果对于电机的选型还是有参考价值的。所选电机的类型如下表4-1：表4-1 电机型号选取电机位置电机型号参数水翼拍旋电机型号：2230-012s-23/1-246:1；DC=12V，P=3.5w,n=30r/min,M=8水翼位旋电机型号：XD-37GB555；DC=12V,P=15W， n=10.5r/min,M=15蹼翼摆旋电机型号：S221DTC;DC=12V,P=13W，n=60rad/min,M=35蹼翼位旋电机型号：2D20-12GN-18S；DC=12V,P=20W，n=30rad/min,M=104.2 锥齿轮的强度校核圆锥齿轮有一对，一个与水翼拍旋电机输出轴相连，另一个与传动轴连接动水翼运动。传动比为1，输入功率P=3.5W,转速为n=30r/min，工作寿命5年，（设每年300个工作日）。 1、选则齿轮材料、齿数和精度等级选用齿轮材料为45钢，硬度为220HBS，由于转速不高，所以选用7精度等级，齿数为20。2、按齿面接触疲劳强度设计 锥齿轮齿面接触疲劳强度计算公式为： （4-3）确定公式（4-3）内各计算数值：1） 试选载荷系数Kt=1.3。2） 小齿轮传递的转矩：3） 根据机械设计手册可知，齿宽系数：4） 区域系数:ZH=2.55） 弹性影响系数：ZE=189.8MPa1/26） 按齿面硬度查图得齿轮的接触疲劳强度极限7） 计算应力循环次数：8） 接触疲劳寿命系数：由，查机械设计手册可知，KHN1=KHN2=1.09） 接触疲劳许用应力：10） 齿轮分度圆直径为11） 齿宽中点分度圆的直径为：12） 齿宽中点圆周速度为：13） 计算载荷系数：查机械设计手册得： 故载荷系数14） 校核直径：15） 齿轮大端模数为取标准模数为1。2、 按齿根弯曲疲劳强度设计 查表可知齿根弯曲疲劳强度计算式为： （4-4） 确定公式（4-4）内各计算数值：1） 分锥角：2） 当量齿数：3） 齿形系数：查机械设计手册得，4） 应力校正系数：查机械设计手册得，5） 弯曲疲劳强度极限：查机械设计手册得,6） 弯曲疲劳寿命系数：7） 弯曲疲劳应力许用值：8） 校核齿根弯曲疲劳强度：所以齿根弯曲疲劳强度满足设计要求。所选用的圆锥齿轮的尺寸参数如下表4-2：表4-2 圆锥齿轮尺寸参数分度圆锥角齿根圆直径26.3齿顶高1齿顶角齿根高1.2齿根角全齿高2.2当量齿数28分度圆直径28齿宽6.6齿顶圆直径29.4分度圆齿厚1.57同理，我们经过复杂的计算，选用的直齿轮强度也满足要求。4.3 轴的强度校核轴的校核我们利用solidworks中的有限元分析来完成，输入扭矩等参数，自动分析其强度。我们选用的连接轴直径6mm，长度56mm，如下图4-2：图4-2 连接轴示意图根据计算，我们输入对轴受力点的扭力值，得到下面结果：图4-3 连接轴受力分析图4-4 连接轴安全系数在SolidWorks中进行有限元分析时，首先选择夹具，即轴的俩端添加轴承固定，在平键上指定扭力，选择零件材料，为304不锈钢，设定好这些参数后即可进行受力分析，由上图可以看出，轴所受到的应力最大值为3.112MPa，而材料304钢的屈服力极限为2069MPa，远远小于极限值，所以轴是安全的。4.4 海龟壳的强度校核 海龟壳的校核主要是在水下受到的水压，为均布力。假设推进器在水下5-10m左右游动，取最大压强值为1.01MPa，对海龟外壳进行强度校核，如下图：图4-5 海龟壳安全系数图4-6 海龟壳受力分析示意图由上图4-5中可知，海龟壳安全系数显示全部为蓝色，即足够安全；图4-6可以看出，在水下10m左右海龟壳表面受力最大为450MPa，而材料应力屈服值为620MPa左右，满足安全条件。所以海龟壳的设计也是合理的。4.5 本章小结 本章用了大量的计算，首先选取了伺服电机型号，又校核了一些重要的零部件，经计算都满足实际要求，最后分析了制作的推进体在水下的运动方式，很好的模拟了海龟的“8字形”运动方式，再次证明了设计的合理性。工作总结与展望本文的主要工作内容大致为以下几方面：1） 分析了国内外的水下机器人发展历程与现状，提出一种新型的水下仿生推进技术，即划水法。2） 本课题模仿的绿海龟运动方式。对其运动机理进行了详细的研究，根据海龟“8字形”划水法设计了一套小型水下推进装置。3） 在SolidWorks软件中进行了详细的三维建模，并进行运动仿真，模拟结果表明能实现划水法运动。4） 对零件进行选材，为实际制作做好基础；对设计的部分零件，如齿轮，轴等进行强度校核，都能满足设计需要。由于本人能力有限，加之时间较短，后续还有很多工作需要：1） 可以订制、购买零件，根据图纸，进行仿生推进器的实物制作；2） 由于没有实物，所以没有设计推进器的浮体，初步想法可以固定在海龟上表面，计算出海龟的重心及所需浮力即可，保持海龟本体能在水下悬浮。3） 在做实物之前可以在动力学软件中模拟水下真实环境，检测结构是否耐用、合理，保证制作实物的成功性。参考文献1 李立全. 水下机械手的静力学分析、静力状态下的路径规划及计算机仿真D. 哈尔滨工程大学, 2004.6：2-32 迟冬祥，颜国正. 仿生机器人的研究状况及其未来发展J. 机器人，2001.09，23（5）: 476-4803 钦俊德. 动物的运动M. 清华大学出版社，暨南大学出版社. 2000:15-324 Wei Zhao，Yonghui Hu，Long WangConstruction and Central Pattern Generator-Based Control of a Flipper-Actuated Turtle-Like Underwater Robot J Advanced Robotics2009，23：19-435 王振龙，李健，杭观荣，王杨威生物喷水推进机理及其在仿生喷水推进装置中的应用J机器人2009，31(3)：281-2886 曾 妮，杭观荣，曹国辉，王振龙. 仿生水下机器人研究现状及其发展趋势D. 机械工程师，2006（4）：18-217 Alexandra H.Techet, Franz S.Hover, Michael S.Triantafyllou. 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