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仿生水母机器人.docx
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2023-07-11
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仿生水母机器人.docx
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摘要
本文在继承和改进 Jellyfish G 和 Jellyfish S 水母机器人方案的基础上设计出了
Jellyfish B 水母机器人方案,它继承了前者的柔性体腔运动系统,同时融合了水下
滑翔机的浮力驱动运动方案。它在长距离运动过程中采用浮力驱动方式,在水下纵
剖面内实现锯齿滑翔运动,通过控制浮力大小、浮心位置和柔性体腔四个方向上骨
架的张角来调节滑翔姿态。其中浮心位置和浮力大小是关联的,而四个骨架的张角
可分别独立控制。水下滑翔机这种运动方式是目前水下航行器长距离航行最高效节
能的方式。但目前的水下滑翔机的一个普遍弱点是机动性不足,转弯半径较大,不
够灵活;而 Jellyfish B 通过其继承下来的柔性体腔运动系统很好的克服了这一弱点,
在小范围类能实现很好的灵活机动。这两种运动方式的结合使得 Jellyfish B 拥有了
既相对节能又不失机动性的运动方式,为长期执行水下观察监测任务提供了保障。
另外,Jellyfish B 还拥有一套太阳能充电系统,当机器人电能不足时,浮力驱动器
就会自动调节到最大浮力位置并利用电动推杆的自锁特性,不耗能地锁定在该位置,
使水母机器人以头部朝上的姿态漂浮在水面上,直到获得足够电能,再潜入水中继
续工作。
关键词:仿生水母机器人;浮力驱动器;柔性体腔运动系统;高效节能
Biomimetic Jellyfish Robot
Abstract
Based on the inheritance and improvement of Jellyfish G and Jellyfish S ,the thesis
designed the biomimetic jellyfish robot which is named Jellyfish B .It inherits the flexible
body movement of the former system, at the same time combines the underwater glider
buoyancy driven movement scheme. It is driven by buoyancy in the process of long
distance movement way, within the profile of sawtooth underwater gliding movement, by
controlling the size of buoyancy, buoyancy location and flexible body cavity skeleton
opening Angle to adjustment in the four directions gliding posture. Buoyancy of the
position and size of buoyancy is associated, and four skeleton opening Angle can be
controlled individually. Underwater glider this way of sports is the long-distance voyage
underwater vehicle's high efficiency and energy saving way. But the current of the
underwater glider a common weakness is lack of maneuverability, turning radius is
bigger, inflexible; Jellyfish B inherited through its flexible body cavity movement
overcomes the weakness of the system well in such a small scale to achieve very good
flexibility. The combination of the two movements makes Jellyfish B have relative
movement way of energy saving and mobility, provides the guarantee for the long-term
monitoring underwater observation mission. In addition, Jellyfish B owns a solar
charging system, when the robot electricity shortage, buoyancy drive will automatically
adjust to the largest buoyancy position and using self-locking feature of electric draw
stem, no energy to lock in this position, make jellies to head up the attitude of the floating
on the surface of the water, until get enough power, into the water again continue to
work.
Keywords:Biomimetic Jellyfish Robot ;Buoyancy Drives; Flexible body cavity
movement system; High efficiency and energy saving
目 录
摘要 ....................................................I
Abstract ...............................................II
1 绪论.................................................1
1.1 选题背景 ................................................1
1.1.1 国外研究现状 ........................................1
1.1.2 国内研究现状 ........................................3
1.1.3 本文所设计的机器水母的功能概述和创新点..................5
1.2 本文内容概述 ............................................6
2 机械结构设计.........................................7
2.1 总体设计 ................................................7
2.2 浮力驱动器的设计 ........................................7
2.2.1 浮力驱动器概述 ......................................7
2.2.2 设计条件 ............................................8
2.2.3 设计过程 ............................................8
2.3 密封舱的设计 ............................................9
2.3.1 设计条件: ..........................................9
2.3.2 设计过程 ............................................9
2.4 柔性体腔运动系统的设计 ..................................9
2.4.1 防水舵机基本参数介绍 ................................9
2.5 膜骨架设计 .............................................10
3 硬件电路设计........................................11
3.1.1 总体设计 ...........................................11
3.1.2 电源板 .............................................12
3.1.3 电池 ...............................................12
3.1.4 电源变换 ...........................................13
3.1.5 H 桥 ................................................14
3.1.6 检测和保护 .........................................15
3.1.7 主控电路板 .........................................16
3.1.8 主控单片机 .........................................17
3.1.9 传感器 .............................................17
3.1.10 通信 ..............................................18
3.1.11 摇杆控制器 ........................................19
4 软件设计............................................20
4.1 总体设计 ...............................................20
4.2 下位机程序 .............................................21
4.2.1 基础功能的实现 .....................................21
4.2.2 数据的收和发送 .....................................22
4.2.3 舵机控制 ...........................................24
4.2.4 电机控制 ...........................................25
4.2.5 数据采集 ...........................................26
4.3 上位机程序 .............................................27
4.3.1 Qt 介绍 .............................................27
4.3.2 上位机界面介绍 .....................................27
4.3.3 WIFI 数据的接收和发送 ...............................28
4.3.4 摄像头视频的接收 ...................................28
4.3.5 蓝牙数据的接收 .....................................29
5 总结与致谢..........................................30
参考文献 ...............................................31
附录 ...................................................32
1 绪论
1.1 选题背景
海洋中蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和能源。占地球表面积 49%的海洋是
国际海底区域,该区域内的资源不属于任何国家,而属于全人类。如今,海洋已成
为国际上战略竞争的焦点,也是高技术研究的重要领域。
水下机器人作为人类探索海洋的重要的工具之一,被人们普遍的关注,在人类
进军海洋的征程中起着至关重要的作用,发展水下机器人的意义是重要且深远的。
水母仿生机器人作为仿生机器人和水下机器人两大科研热点的结合,具有较高的科
研价值和广阔的应用前景。
目前,全世界的水母机器人可分为两大类,一类依靠高分子智能材料、形状记
忆合金等“人造肌肉”驱动,另一类依靠电机和传统机构驱动。
1.1.1 国外研究现状
国外水母机器人的研究以德国费斯通公司和美国弗吉尼亚理工学院为代表。
德国费斯通公司研制的 AquaJelly 机器水母如图 1-1 所示,它的身体是一个用激
光烧结而成的球形密封舱。
它的 8 根触须的结构依据鱼鳍设计。根据“鳍条效应”,每根触须有一根软硬适
图 1-2 RoboJelly 水母机器人
图 1-1 AquaJelly 水母机器人
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oligaga
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