【正文】 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 II 頁 單關(guān)節(jié)尾鰭推進式仿生機器魚的設(shè)計與 研究 學(xué) 生： 指導(dǎo)老師： 摘 要 本文模仿自然界中真實魚類尾鰭擺動模式， 自主 設(shè)計 研發(fā) 一套 單關(guān)節(jié)尾鰭推進式的小型機器魚系統(tǒng)， 滿足設(shè)計 功能和性能 指標， 其具人機 進行交互 性和 觀賞性 。 零部 件裝配， 調(diào)試 及測試 。 Ⅲ 、畢業(yè)設(shè)計（論文）工作內(nèi)容： 了解國內(nèi)外仿生機器魚的研究現(xiàn)狀，完成調(diào)研報告。 單位代碼 10006 學(xué) 號 1 分 類 號 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 單關(guān)節(jié)尾鰭推進式仿生機器魚的 設(shè)計與 研究 學(xué) 院 名 稱 機械工程及自動化學(xué)院 專 業(yè) 名 稱 機械制造 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 2020 年 6 月 北京航空航天大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè) 計 （論文 ） 任務(wù)書 Ⅰ 、畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 單關(guān)節(jié)尾鰭推進式 仿生機器魚的設(shè)計與 研究 Ⅱ 、畢業(yè)設(shè)計（論文）使用的原始資料（數(shù)據(jù)）及設(shè)計技術(shù)要求： 單關(guān)節(jié)尾鰭推進式仿生機器魚是由電機、舵機及其控制部分組成的機電一體化仿生設(shè)備。 進行市場調(diào)研，完成電機、電池、舵機、遙控器等部件的選型。 完成多種尾鰭外形 、多種頻率的驅(qū)動效率的實驗研究 。 整個設(shè)計過程分為機械結(jié)構(gòu)設(shè)計， 軟 /硬件設(shè)計 。測試表明， 所有功能和性能均 滿足 設(shè)計 要求 。水下螺旋槳推進式探測器 同樣 亦存在推進效率低，機動性差，隱蔽 性 差等缺陷，而且螺旋槳容易被水藻等水生植物纏繞，導(dǎo)致槳葉受損，甚至螺旋槳無法運轉(zhuǎn)。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外開展機器魚的研究 由來已久 ，不過 從仿生學(xué)的角度設(shè)計機器魚實體 ， 方始于上世紀九十年代。另一個伺服電機位于尾部。 圖 為 機器魚 G9 的實物圖。 圖 北京大學(xué)機器魚 2. 哈爾濱工程大學(xué)郭書祥教授課題組于 2020 年攻克了水中微型機器人 的核心技術(shù) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 3 頁 ——離子聚合物 ICPF 的制作工藝，成功研制出生物型驅(qū)動器 ，并應(yīng)用于機器魚中 。 程序設(shè)計部分借助 Arduino 集成開發(fā)環(huán)境來進行程序的編寫與調(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。所以，體長 50cm 以上的機器魚（電機驅(qū)動）通常比較好做。 本文主要在以下幾個方面開展研究： 1，機器魚機械結(jié)構(gòu)，主要包括傳動機構(gòu)的設(shè)計，以及防水結(jié)構(gòu)的設(shè)計。 4，下水實驗，觀察和測試游動效果，獲得實驗數(shù)據(jù)，并針對問題加以改進，最后對實驗結(jié)果進行分析。 其中， 中間鰭有背鰭和臀鰭；對鰭包括胸鰭和腹鰭。 可以想見 ， 機器魚 無法實現(xiàn) 后退。 功能材料一般體積都較小，驅(qū)動力 /重量比較大，可以用來設(shè)計微型的機器魚，魚體長度可縮減至幾厘米。三種 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 6 頁 傳統(tǒng)的驅(qū)動方式中，電機驅(qū)動精 度高、響應(yīng)快，與液壓 /氣動相比最容易實現(xiàn)小型化，因而電機驅(qū)動適 合 本機器魚的驅(qū)動需求。 但需要專用的驅(qū)動電路，且 體積較大。 有兩種方式 實現(xiàn)轉(zhuǎn)化 ，第一是機械方式，采用曲柄搖桿機構(gòu)，曲柄作為原動件，由電機驅(qū)動， 搖桿與尾鰭 固連， 于是尾鰭做擺動運動；第二是 電氣控制方式， 即通過 控制 電機正反轉(zhuǎn)， 實現(xiàn)尾鰭的擺動。 兩種驅(qū)動機構(gòu)的 比較 如表 。 圖 清楚地描述出搖桿運動掃過的扇形區(qū)。 綜上所述，電機直接驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)簡單可靠，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)的機器魚游動調(diào)試帶來 很大的方便，因而本文選用電機直接驅(qū)動尾鰭的驅(qū)動機構(gòu)。 對于尾鰭所受的阻力矩，按照如下方法進行估算。 將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入 式 （ ） 得 2 4 2311 | 0 . 0 6 7 N m 6 7 m N m8 xdxM h C x??? ? ? ( .6) 由 以上 計算分析 得到 1 2 3 0 2 0 6 7 8 7 m N mmM M M M? ? ? ? ? ? ? () 根據(jù) mM 的大小 選用 FAULHABER 1524B009SR 直流 電機，參數(shù)如表 。 舵機的選型 舵機的作用是使得胸鰭與前進方向產(chǎn)生一定的角度，以產(chǎn)生上浮或下潛的力，若將魚胸鰭簡化看為一個長方形薄片，舵機轉(zhuǎn)動軸與正方形薄片中心線相連，如圖 所示。選用 ES08A 銀燕舵機，其參數(shù)如表 所示 。同時，胸鰭受到的彎矩由軸與外殼的配合處的軸承承受，舵機不承受胸鰭所受彎矩。 轉(zhuǎn)軸與 電機座和骨架的轉(zhuǎn)動 副并不選取軸承，因為 轉(zhuǎn) 軸較 細 ， 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，即用滑動配合代替滾動配合。若采用一次走刀加工兩個孔，則要求電機固定板與骨架為一體結(jié)構(gòu)，即先加工一個長通孔，然后銑掉多余材料。 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，同時采用緊定螺釘固定，以免各零件沿軸向躥動 胸鰭驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計 舵機的作用是產(chǎn)生胸鰭轉(zhuǎn)動的 力矩，由于機器魚兩側(cè)各有一個胸鰭，因而需要兩個舵機驅(qū)動，如圖 所示，但是兩個舵機的并列放置無疑會增加機器魚的寬度方向的尺寸。所以采用骨架結(jié)構(gòu)有利于裝配， 同時由于舵機，電機固定于同一骨架上，其相裝配時的相對位置精度較高。注意到， 為了 U 型架上與舵盤配合的子口 加工方便， U 型架被拆做兩個零件加工，然后裝配起來。 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 14 頁 首先為了 滿足 減阻要求，機器魚外殼在身長方向上，需設(shè)計成流線型，為了確定外形輪廓參數(shù)，我們參考鯉魚沿 魚身長度方向的切片 尺寸，按照比例將其整個魚身的長度調(diào)整至 25cm 至 30cm。 選取與 X 軸垂直的截面作為分型面的原因是分型面形狀近似 圓形， 較為規(guī)則， 方便使用 O 型圈密封，或者使用膠密封。尾部有一 Φ6通孔 ，用作裝配工藝孔和觀察孔，機器魚水下運行一段時間后 ，打開觀察孔，看其內(nèi)部是否漏水。 魚身 內(nèi)部設(shè)有安裝槽，用于骨架的定位，保證骨架上各軸中心線與外殼上孔的相對 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 16 頁 位置。 因此，在殼體上開一個尺寸較大的孔，殼體與轉(zhuǎn)軸通過一個鋁套來連接，鋁套先與轉(zhuǎn)動軸裝配完成，再與外殼固定（膠粘） 如 圖 所示 鋁 套外 殼1 m m 間 隙轉(zhuǎn) 軸 圖 鋁套密封設(shè)計 轉(zhuǎn)軸與鋁套之間的密封件選用性價比 高 、密封可靠 的 “格萊圈 ”。 機器魚需密封部位匯總見表 。 O形圈提供預(yù)緊力，可對 PTFE 方形環(huán)的磨損起補償作用。充電插針凹槽的設(shè)計是為了避免插針與魚嘴蓋的干涉。 螺 紋 孔螺 栓 孔方 孔安 裝 槽 圖 尾鰭模型 尾鰭架與轉(zhuǎn)軸通過方孔配合定位，然后用緊定釘固定，尾鰭架的下端的 ? 的螺栓孔用于與尾鰭架組合件連接，尾鰭架組合件的另外一段加工有 ? 的通孔，與殼體上 4? 的圓柱凸臺配合，起到輔助支撐的作用，如圖 所示。凹槽用于安放尾鰭架，曲面是為了與魚身實現(xiàn)光滑 過渡 ，以減小阻力 ，同時保持整個外形的美觀。背鰭分為前后兩片，前背鰭中有一方孔，用于安放開關(guān)，后背鰭固定于魚身上即可。零件在合理的運動范圍內(nèi)無干涉發(fā)生，可以正常運轉(zhuǎn)，證明機械設(shè)計部分基本無問題，最后繪制需要機加工零件的二維設(shè)計工程 圖紙，需要光固化成型加工的零件繪制了 STL 格式的圖形文件，并全部交付加工。 電池容量要求： 根據(jù)電池電量計算公式： PtC U?? () 式中， C—電池容量 ； P—電池供電功率 ； U—電池輸出電壓 ； t—放電時間 。 就目前的技術(shù)水平而言，充電電池做到 12V， 730mA h? 非常容易，但其形狀一般為規(guī)則的長方體，如 圖 所示 （ a） 鎳氫電池 （ b） 鋰電池 圖 通用電池形狀 根據(jù)機器魚的仿生設(shè)計要求，機器魚外殼為光滑的曲面，而非 規(guī)則的長方體。電池組 由10 節(jié) 7 號 充電電池 拼裝 ，尺寸為 ?? ， 電池組的外形如圖 所示 電 機 電 池 組 1電 池 組 2 圖 電池形狀說明 電池組 1 的電池單元環(huán)繞電機布置，但是空間有限，只能布置 7 節(jié)，剩余 3 節(jié)電池組成電池組 2，置于電池組 1 前，然后用導(dǎo)線將 10 節(jié)電池單元串聯(lián)起來，組成一個 12V的電池組，每節(jié)電池單元電池容量為 900mAh，所以整個電池組的容量為 900mAh。其內(nèi)部抵制力小，既內(nèi)阻很小，可快速充電，又可為負載提供大電流，而且放電時電壓變化很小，是一種非常理想的直流供電電池。 綜上比較可知，鎳氫電池性能優(yōu)越，價格便宜，與其他兩種充電電池相比，屬于性價比最高的電池，而且充電方便，因而選用鎳氫電池單元作為供電電池組的基本單元。 穩(wěn)壓芯片根據(jù)工作 原理主要有兩種類型：串聯(lián)型穩(wěn)壓和 DCDC 穩(wěn)壓。其輸出電流為 2A，最高電流 4A，最高工作電壓 50V，可以驅(qū)動感性負載，如大功率直流電機，步進電機，電磁閥等，特別是其輸入端可以與單 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 24 頁 片機直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機控制。同時該驅(qū)動模塊較小，適宜放入魚殼內(nèi)部。 其 遙控功能的實現(xiàn)可以通過有線或者無線的方式?？刂迫蝿?wù)為 機器魚的前進啟停，轉(zhuǎn)彎，上浮下潛，僅需要遙控器 3 通道即可完成控制任務(wù)。若接收機 與單片機通信，則要求單片機可以測量信號的脈寬，即每個周期的高電平持續(xù)時間。 由以上分析可知，與單片機連接的外圍器件有，電機驅(qū)動板，遙控器接收機， 編碼器，中位傳感器， 三色燈。 由編碼器、中位傳感器、遙控器、主控板以及電機驅(qū)動板組成的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 所示 。 Arduino 由一個基于單片機并且開放源碼 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 27 頁 的硬件平臺，和一套為 Arduino 硬件平臺 編寫程序的開發(fā)環(huán)境組成。 同時，Arduino 支持在線燒寫程序，以及單片與電腦實時通信，因此極大的方便了程序的調(diào)試。該函數(shù)的返回值是 以微秒為單位的無符號長整型，單片機需要測量的引腳信號的范圍是 02ms，即 0 到2020us，包含在 pulseIn 函數(shù)的返回值數(shù)值類型范圍內(nèi)，因此，我們可以將接收機與單片機共地，然后將接收機的信號線與單片機的某個數(shù)字引腳相連，然后調(diào)用 pulseIn 函數(shù)來測量接收機輸出信號的脈寬。 1 、 通信程序模塊 主要任務(wù)是讀取接收機的 2 個通道的信號，上文已經(jīng)介紹過，每個通道的信號均為以 20ms 為周期的 PPM 信號，脈寬為 02ms，即要求單片機可以測量每個通道的脈寬。 Arduino 語言是建立在 C/C++基礎(chǔ)上的 編程語言 ，把 AVR 單片機（微控制器）相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置都函數(shù)化，用戶可以不用去了解他的底層。 由于本機器魚為單關(guān)節(jié)尾鰭驅(qū)動，身體僵硬，轉(zhuǎn)彎時不能身體不能彎曲，轉(zhuǎn)彎的動力來源于尾鰭的不對稱擺動。 其中接 收機與舵機相連， 提供電源和轉(zhuǎn)動信號，電機驅(qū)動板與電機相連，完成電機的驅(qū)動任務(wù)。 主控板選擇 為了完成電機的閉環(huán)控制，電機的尾部裝有霍爾式 IE2512 增量式編碼器，同時 骨架中心線上安裝有中位傳感器，檢測機器魚尾鰭是否擺動到中位，作為回零傳感器，以避免編碼器讀數(shù)的積累誤差。 遙控器分為發(fā)射器與接收機， 采用比例遙控控制，發(fā)射器與接收機 通過 PPM（ Pulse Position Modulation）信號實現(xiàn)通信 。所以， 本文中采用無線遙控 。 L9110 芯片的工作特性如下 ： 低靜態(tài)工作電流；寬電源電壓范圍： ；每通道具有 800mA 連續(xù)電流輸出能力；較低的飽和壓降； TTL/CMOS 輸出電平兼容，可直接連 CPU；輸出內(nèi)置鉗位二極管，適用于感性負載；控制和驅(qū)動集成于單片 IC 之中；具備管腳高壓保護功能；工作溫度： 0℃ 80℃ 。 方案二： 采用 L9110 模塊驅(qū)動， L9110 是