【正文】 一系列機(jī)器魚，主要工作集中在實(shí)現(xiàn)仿魚游動(dòng)，特別是非穩(wěn)定游動(dòng)方面。機(jī)器魚身長(zhǎng)52cm，采用多電機(jī)—多關(guān)節(jié)尾部結(jié)構(gòu)，通過對(duì)多電機(jī)協(xié)調(diào)控制，使得該機(jī)器魚的游動(dòng)姿態(tài)與真魚極其相似。 Essex大學(xué)G9機(jī)器魚 國(guó)內(nèi)研究概況，魚體長(zhǎng)約45cm，整個(gè)魚身有四個(gè)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，可以更真實(shí)的模擬魚的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。前側(cè)魚鰭控制機(jī)器魚沉浮。魚體中安裝了攝像頭與壓力傳感器，便于進(jìn)行控制與信息采集。 北京大學(xué)機(jī)器魚2. 哈爾濱工程大學(xué)郭書祥教授課題組于2008年攻克了水中微型機(jī)器人的核心技術(shù)——離子聚合物ICPF的制作工藝，成功研制出生物型驅(qū)動(dòng)器，并應(yīng)用于機(jī)器魚中。該機(jī)器魚的特點(diǎn)之一是控板充當(dāng)魚骨架，魚分成魚身、尾鰭、胸鰭三部分；特點(diǎn)之二是該魚尺度小，體長(zhǎng)僅約9cm，寬約5cm，厚約3cm，重約60g，可以逼真的模擬魚的游動(dòng)姿態(tài)。 哈工程機(jī)器魚結(jié)構(gòu)示意圖 哈工程機(jī)器魚實(shí)物圖 課題研究方法本課題的機(jī)械設(shè)計(jì)主要借助Solidworks三維建模工具來實(shí)現(xiàn)。主要研究思路是首先提出總體方案，根據(jù)性能指標(biāo)參數(shù)并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)電機(jī)等部件進(jìn)行選型，然后展開設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)部分借助Arduino集成開發(fā)環(huán)境來進(jìn)行程序的編寫與調(diào)試，利用Arduino集成開發(fā)環(huán)境中現(xiàn)有的資源可以極大的提高編程與調(diào)試速度，提高編程效率。課題的研究充分體現(xiàn)了機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，即在給定參數(shù)下，粗略計(jì)算主要參數(shù)后開始設(shè)計(jì)，然后再對(duì)原來的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)其修改完善，在一個(gè)設(shè)計(jì)——修改——再設(shè)計(jì)——再修改的循環(huán)中，不斷完善設(shè)計(jì)，最終達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。 論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容須要指出，由于空間的限制，觀賞機(jī)器魚一般以小型為宜。減小機(jī)器魚的體長(zhǎng)面臨一些難點(diǎn)，例如對(duì)空間布置、能源、密封、水中的平衡和穩(wěn)定技術(shù)等等需要特殊考慮。所以，體長(zhǎng)50cm以上的機(jī)器魚（電機(jī)驅(qū)動(dòng)）通常比較好做。，所以體長(zhǎng)較短。北航機(jī)器人研究所研究機(jī)器魚已有十年以上的歷史，尚無(wú)制作小型機(jī)器魚的實(shí)踐。本論文試圖通過對(duì)魚類體型與運(yùn)動(dòng)模式的生物學(xué)仿真，設(shè)計(jì)并制作小型機(jī)器魚的本體，再配以控制系統(tǒng)軟硬件、裝配調(diào)試、下水實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)，積累小型仿生機(jī)器魚制作方面的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。本文主要在以下幾個(gè)方面開展研究：1，機(jī)器魚機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及防水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。2，機(jī)器魚外觀，包括頭部、魚身、魚鰭的外觀設(shè)計(jì)，達(dá)到所需的流線曲線，起到降低航行阻力、逼真美觀的效果。3，硬件電路搭建和程序編寫。借助現(xiàn)有的開發(fā)板、機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊，搭建合理的硬件電路，并編寫控制程序。4，下水實(shí)驗(yàn)，觀察和測(cè)試游動(dòng)效果，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并針對(duì)問題加以改進(jìn)，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。2 機(jī)器魚機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 魚類推進(jìn)機(jī)理分析自然界中魚類的推進(jìn)機(jī)理對(duì)于機(jī)器魚的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到了決定性作用。在本章開篇，首先對(duì)魚類的推進(jìn)機(jī)理做簡(jiǎn)要分析。就推進(jìn)機(jī)理而言，根據(jù)魚類游動(dòng)動(dòng)力的產(chǎn)生部位不同，可以分為兩類[6]：（1）大多數(shù)的魚類通常是通過扭動(dòng)身體并同時(shí)擺動(dòng)尾鰭的方式來產(chǎn)生推進(jìn)力，向前運(yùn)動(dòng)的，稱此為BCF（Body and Caudal Fin）運(yùn)動(dòng)模式；（2）另一些魚類，則是通過中間鰭和對(duì)鰭的運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生推進(jìn)力的，稱此為MPF（Middle and Pectoral fins）運(yùn)動(dòng)模式。其中，中間鰭有背鰭和臀鰭；對(duì)鰭包括胸鰭和腹鰭。重點(diǎn)關(guān)注BCF推進(jìn)模式，又包括4種波動(dòng)推進(jìn)模式（鰻鱺模式、亞鲹科模式、鲹科模式、金槍魚模式）和1種擺動(dòng)推進(jìn)模式。唯獨(dú)擺動(dòng)推進(jìn)模式保持整個(gè)身體不動(dòng)，只通過硬尾鰭如時(shí)鐘般的擺動(dòng)來產(chǎn)生推力。由“擺動(dòng)推進(jìn)模式”得到仿生機(jī)理的啟發(fā)，本機(jī)器魚采用單關(guān)節(jié)尾鰭驅(qū)動(dòng)方式，整個(gè)身體保持不動(dòng)，僅由尾鰭擺動(dòng)產(chǎn)生前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎動(dòng)力，同時(shí)，魚體由胸鰭產(chǎn)生上浮/下潛的動(dòng)力?？梢韵胍姡瑱C(jī)器魚無(wú)法實(shí)現(xiàn)后退。 驅(qū)動(dòng)器的選擇將上述仿生機(jī)理抽象和簡(jiǎn)化，實(shí)際上，機(jī)器魚僅需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，分別用于尾鰭和胸鰭的驅(qū)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)魚類“擺動(dòng)推進(jìn)模式”運(yùn)動(dòng)。尾鰭提供主要?jiǎng)恿Γ运尿?qū)動(dòng)器的選型為本節(jié)的重點(diǎn)。為了能夠選擇合適的驅(qū)動(dòng)器，首先需要對(duì)各種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)劣加以比較。功能材料一般體積都較小，驅(qū)動(dòng)力/重量比較大，可以用來設(shè)計(jì)微型的機(jī)器魚，魚體長(zhǎng)度可縮減至幾厘米。但是對(duì)于功能材料的研究還處于比較初級(jí)的階段。另外，新功能材料驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚游速低，造價(jià)也高。、傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式成熟，驅(qū)動(dòng)力比較大，機(jī)器魚游速較高。三種傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)精度高、響應(yīng)快，與液壓/氣動(dòng)相比最容易實(shí)現(xiàn)小型化，因而電機(jī)驅(qū)動(dòng)適合本機(jī)器魚的驅(qū)動(dòng)需求。 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式比較驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)成熟、精度較高、成本低轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為尾鰭擺動(dòng)有些難度液壓驅(qū)動(dòng)輸出力矩/重量比大、反應(yīng)靈敏、承載能力大需要恒壓泵，移動(dòng)件容易漏油，污染環(huán)境氣壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高速直線運(yùn)動(dòng)，空氣可壓縮性容易實(shí)現(xiàn)力與緩沖控制高精度位置與速度控制都困難，剛性較差；排氣噪音較大，產(chǎn)生大量氣泡。 新功能材料驅(qū)動(dòng)方式比較驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)力/重量比大、變形量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)電壓低重復(fù)多次記憶效應(yīng)會(huì)退化、對(duì)該材料的研究尚屬初步、材料難獲取、價(jià)格貴壓電陶瓷變形精度、響應(yīng)極快形變?cè)龃?，輸出力矩變小、?duì)外界干擾力敏感、變形量小于千分之一、驅(qū)動(dòng)電壓超過100V人造肌肉能耗低、無(wú)噪聲、變形量大輸出力矩小、頻率低顯然，在機(jī)器魚系統(tǒng)中，交流電源難以獲取，只能選擇直流電機(jī)。直流電機(jī)又可分為有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)，后者無(wú)需電刷結(jié)構(gòu)，壽命長(zhǎng)，輸出力矩大。但需要專用的驅(qū)動(dòng)電路，且體積較大?？紤]上述因素，本文選用直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)尾鰭，至于胸鰭由于屬于間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，剩下來只需保持某個(gè)角度即可，因而選用較為廉價(jià)的舵機(jī)。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇確定驅(qū)動(dòng)器為直流有刷電機(jī)，其輸出運(yùn)動(dòng)為圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，而機(jī)器魚尾鰭的運(yùn)動(dòng)方式為往復(fù)擺動(dòng)。因此，必須將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為尾鰭的擺動(dòng)。有兩種方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，第一是機(jī)械方式，采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，曲柄作為原動(dòng)件，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，搖桿與尾鰭固連，于是尾鰭做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)；第二是電氣控制方式，即通過控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)尾鰭的擺動(dòng)。、。 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，電機(jī)通過一級(jí)2:1錐齒輪減速后帶動(dòng)曲柄a轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而搖桿c（即尾鰭）實(shí)現(xiàn)兩個(gè)極限位置1與2之間的往復(fù)擺動(dòng)。 電機(jī)直驅(qū)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，電機(jī)通過一級(jí)2:1錐齒輪減速后直接帶動(dòng)尾鰭的實(shí)現(xiàn)位置1與位置2之間的往復(fù)擺動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)比較驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)密封件曲柄搖桿機(jī)構(gòu)電機(jī)整軸轉(zhuǎn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工相對(duì)困難，尾鰭的擺幅不可調(diào)定做風(fēng)琴套，價(jià)格略高電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尾鰭擺幅可調(diào)控制復(fù)雜，對(duì)控制電路要求較高多款格萊圈可選，價(jià)格便宜。，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)擺桿的動(dòng)密封部分是一個(gè)扇形窗口，需要用到風(fēng)琴套。，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)密封部位為軸孔之間的轉(zhuǎn)動(dòng)，密封表面外形簡(jiǎn)單、規(guī)則，格萊圈就是一種技術(shù)成熟的水下動(dòng)密封件，密封可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、價(jià)格低廉，完全能滿足使用要求。只有在機(jī)器魚殼體上預(yù)留出相應(yīng)大小形狀的窗口，在運(yùn)動(dòng)過程中搖桿才不至于與殼體發(fā)生干涉，為此較為可靠和美觀的密封方案就是用風(fēng)琴套將殼體尾部與尾鰭整個(gè)包覆密封，不少機(jī)器魚都采用這樣的設(shè)計(jì)但是市場(chǎng)中沒有合適規(guī)格的風(fēng)琴套，只能開模具定做，價(jià)格貴且加工周期長(zhǎng)。再看曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，它有4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，在加工和裝配中要求各轉(zhuǎn)動(dòng)副中心距保持高精度，否則搖桿擺動(dòng)的兩個(gè)極限位置可能與魚身的中心線發(fā)生偏離，從而導(dǎo)致尾鰭劃動(dòng)的推進(jìn)力與魚身中心線形成不重合，結(jié)果機(jī)器魚無(wú)法完成直線巡游。另外轉(zhuǎn)動(dòng)副個(gè)數(shù)越多，機(jī)構(gòu)的可靠性越低。 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)密封部位示意圖 電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)密封部位示意圖綜上所述，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，加工方便，成本低，密封可靠，尾鰭的擺幅可調(diào)，給后續(xù)尚有變數(shù)的機(jī)器魚游動(dòng)調(diào)試帶來很大的方便，因而本文選用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)尾鰭的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 驅(qū)動(dòng)器的選型 電機(jī)的選型采用電機(jī)直驅(qū)尾鰭方式，則電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 式中：—電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩； —錐齒輪傳動(dòng)阻力矩； —密封件轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩； —尾鰭擺動(dòng)阻力矩。錐齒輪傳動(dòng)效率較高，傳動(dòng)阻力較小，故可忽略（）中的；根據(jù)密封件廠家提供的數(shù)據(jù)，估計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)密封件的阻力矩=20mN m。對(duì)于尾鰭所受的阻力矩，按照如下方法進(jìn)行估算。 根據(jù)機(jī)器魚的整體尺寸，90mm（寬高）的剛性尾鰭薄片。 剛性尾鰭薄片尾鰭薄片繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可沿X軸取一微段（寬為，高為h），它在運(yùn)動(dòng)到中位位置時(shí)速度最大，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)電機(jī)經(jīng)減速器以及2:1錐齒輪減速后，輸出最大轉(zhuǎn)速為150r/min，即，根據(jù)流體力學(xué)阻力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式 式中：F—運(yùn)動(dòng)物體所受阻力； ρ—水的密度； u—物體在靜水中的運(yùn)動(dòng)速度； S—物體沿速度方向的投影面積； Cd—阻力系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值為1。可以計(jì)算中位全速擺動(dòng)時(shí)，寬度為微段的尾鰭薄片所受水阻力為 該阻力對(duì)Z軸的轉(zhuǎn)矩為 于是整個(gè)尾鰭薄片對(duì)Z的轉(zhuǎn)矩為 式中x1=20mm,x2=70mm。將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式（）得 由以上計(jì)算分析得到 根據(jù)的大小選用FAULHABER 1524B009SR直流電機(jī)。 FAULHABER 1524B009SR直流電機(jī)參數(shù)額定功率額定電壓額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)矩尺寸（mm）重量9V10100r/minm21g選用減速比19:1的行星減速箱，加一級(jí)2:1的錐齒輪減速，驅(qū)動(dòng)尾巴的扭矩可達(dá)95mN m，滿足驅(qū)動(dòng)力矩要求。 舵機(jī)的選型舵機(jī)的作用是使得胸鰭與前進(jìn)方向產(chǎn)生一定的角度，以產(chǎn)生上浮或下潛的力，若將魚胸鰭簡(jiǎn)化看為一個(gè)長(zhǎng)方形薄片，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與正方形薄片中心線相連。在理想的水流狀況下，即水流速沿胸鰭方向均勻分布，當(dāng)胸鰭與機(jī)器魚前進(jìn)方向有一定角度時(shí)，即與水流方向存在一定攻角時(shí)，水流對(duì)胸鰭的阻力對(duì)轉(zhuǎn)軸中心的阻力矩為零。 胸鰭結(jié)構(gòu)示意圖因此，我們不再校核舵機(jī)的輸出扭矩，僅根據(jù)魚的設(shè)計(jì)尺寸選擇合適大小的舵機(jī)。選用ES08A銀燕舵機(jī)。 ES08A銀燕舵機(jī)參數(shù)表型號(hào)工作電壓/V扭矩/Kgcm速度尺寸/mm重量/gES08A（）176。3224其中，足以承受水流擾動(dòng)產(chǎn)生的扭矩。同時(shí)，胸鰭受到的彎矩由軸與外殼的配合處的軸承承受，舵機(jī)不承受胸鰭所受彎矩。 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 尾鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)由目標(biāo)要求可知，機(jī)器魚長(zhǎng)寬高三個(gè)尺寸分別為300mm150mm100mm；，而電機(jī)的全長(zhǎng)（算編碼器、減速器及其出軸在內(nèi)），而機(jī)器魚外殼按照仿生原理設(shè)計(jì)成流線型，魚尾部的高度小于100mm，受尺寸限制，不允許電機(jī)立放，因而電機(jī)采用水平放置。當(dāng)電機(jī)采用水平放置時(shí)，電機(jī)軸與尾鰭擺動(dòng)的中心軸線將存在90176。夾角，因而選用圓錐直齒輪來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的傳遞。轉(zhuǎn)軸與電機(jī)座和骨架的轉(zhuǎn)動(dòng)副并不選取軸承，因?yàn)檗D(zhuǎn)軸較細(xì)，若選用滾珠軸承，則其尺寸也較小，損壞，不易裝配，選用銅套代替軸承，即用滑動(dòng)配合代替滾動(dòng)配合。銅套外徑與電機(jī)固定板、骨架采用過盈配合，其內(nèi)徑與轉(zhuǎn)軸為間隙配合，方便轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。顯然，若使尾鰭自如擺動(dòng)，則首先轉(zhuǎn)軸必須能夠自如轉(zhuǎn)動(dòng)，這就要求上、下兩個(gè)銅套同心度要好。由加工工藝學(xué)相關(guān)知識(shí)可知，若加工過程中兩個(gè)孔采用一次走刀或采用同一定位基準(zhǔn)加工，則其同心度高。若采用一次走刀加工兩個(gè)孔，則要求電機(jī)固定板與骨架為一體結(jié)構(gòu)，即先加工一個(gè)長(zhǎng)通孔，然后銑掉多余材料。但若電機(jī)固定板與骨架為一體結(jié)構(gòu)，裝配時(shí)銅套與轉(zhuǎn)軸安裝困難。所以，采用固定板與骨架分離式結(jié)構(gòu)，裝配方便，而且節(jié)省材料。但是對(duì)于骨架以及電機(jī)固定板這兩個(gè)零件的兩個(gè)安裝銅套的孔的位置尺寸精度要求較高。轉(zhuǎn)軸、尾鰭軸套、尾鰭架之間的連接均采用方孔與方軸配合連接，相比圓孔與圓軸連接可以更好的傳遞扭矩，同時(shí)采用緊定螺釘固定，以免各零件沿軸向躥動(dòng) 胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)舵機(jī)的作用是產(chǎn)生胸鰭轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，由于機(jī)器魚兩側(cè)各有一個(gè)胸鰭，因而需要兩個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，但是兩個(gè)舵機(jī)的并列放置無(wú)疑會(huì)增加機(jī)器魚的寬度方向的尺寸。為了使得機(jī)器魚胸鰭能產(chǎn)生盡可能大的俯仰力，必須使其尺寸在機(jī)器魚要求的尺寸范圍內(nèi)盡可能的大，所以應(yīng)盡量縮小機(jī)器魚胸腹部寬度。故去掉一個(gè)舵機(jī)，只采用一個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)兩片胸鰭，通過U型架來連接兩個(gè)胸鰭軸，使得舵機(jī)可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩片胸鰭的轉(zhuǎn)動(dòng)。 胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖舵機(jī)與電機(jī)均固定于機(jī)器魚骨架上，該機(jī)械結(jié)構(gòu)布置方式，機(jī)器魚的內(nèi)部零件，甚至包括硬件電路均固定于同一個(gè)骨架上，然后骨架與外殼裝配固定即可。所以采