【正文】 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 II 頁(yè) 單關(guān)節(jié)尾鰭推進(jìn)式仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)與 研究 學(xué) 生： 指導(dǎo)老師： 摘 要 本文模仿自然界中真實(shí)魚類尾鰭擺動(dòng)模式， 自主 設(shè)計(jì) 研發(fā) 一套 單關(guān)節(jié)尾鰭推進(jìn)式的小型機(jī)器魚系統(tǒng)， 滿足設(shè)計(jì) 功能和性能 指標(biāo)， 其具人機(jī) 進(jìn)行交互 性和 觀賞性 。 零部 件裝配， 調(diào)試 及測(cè)試 。 Ⅲ 、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作內(nèi)容： 了解國(guó)內(nèi)外仿生機(jī)器魚的研究現(xiàn)狀，完成調(diào)研報(bào)告。 單位代碼 10006 學(xué) 號(hào) 1 分 類 號(hào) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 單關(guān)節(jié)尾鰭推進(jìn)式仿生機(jī)器魚的 設(shè)計(jì)與 研究 學(xué) 院 名 稱 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè) 名 稱 機(jī)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(jì) （論文 ） 任務(wù)書 Ⅰ 、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 單關(guān)節(jié)尾鰭推進(jìn)式 仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)與 研究 Ⅱ 、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用的原始資料（數(shù)據(jù)）及設(shè)計(jì)技術(shù)要求： 單關(guān)節(jié)尾鰭推進(jìn)式仿生機(jī)器魚是由電機(jī)、舵機(jī)及其控制部分組成的機(jī)電一體化仿生設(shè)備。 進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，完成電機(jī)、電池、舵機(jī)、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(dòng)效率的實(shí)驗(yàn)研究 。 整個(gè)設(shè)計(jì)過程分為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 軟 /硬件設(shè)計(jì) 。測(cè)試表明， 所有功能和性能均 滿足 設(shè)計(jì) 要求 。水下螺旋槳推進(jìn)式探測(cè)器 同樣 亦存在推進(jìn)效率低，機(jī)動(dòng)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(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)外開展機(jī)器魚的研究 由來(lái)已久 ，不過 從仿生學(xué)的角度設(shè)計(jì)機(jī)器魚實(shí)體 ， 方始于上世紀(jì)九十年代。另一個(gè)伺服電機(jī)位于尾部。 圖 為 機(jī)器魚 G9 的實(shí)物圖。 圖 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 2020 年攻克了水中微型機(jī)器人 的核心技術(shù) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 3 頁(yè) ——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 。 程序設(shè)計(jì)部分借助 Arduino 集成開發(fā)環(huán)境來(lái)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。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。 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)。 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。 其中， 中間鰭有背鰭和臀鰭；對(duì)鰭包括胸鰭和腹鰭。 可以想見 ， 機(jī)器魚 無(wú)法實(shí)現(xiàn) 后退。 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(lái)設(shè)計(jì)微型的機(jī)器魚，魚體長(zhǎng)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(jì) (論文 ) 第 6 頁(yè) 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。 但需要專用的驅(qū)動(dòng)電路，且 體積較大。 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)。 兩種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的 比較 如表 。 圖 清楚地描述出搖桿運(yùn)動(dòng)掃過的扇形區(qū)。 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(lái) 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)。 對(duì)于尾鰭所受的阻力矩，按照如下方法進(jìn)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(jì)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(jī)，參數(shù)如表 。 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，如圖 所示。選用 ES08A 銀燕舵機(jī)，其參數(shù)如表 所示 。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。 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)?轉(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。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。 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)，如圖 所示，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。所以采用骨架結(jié)構(gòu)有利于裝配， 同時(shí)由于舵機(jī)，電機(jī)固定于同一骨架上，其相裝配時(shí)的相對(duì)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(gè)零件加工，然后裝配起來(lái)。 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 14 頁(yè) 首先為了 滿足 減阻要求，機(jī)器魚外殼在身長(zhǎng)方向上，需設(shè)計(jì)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(zhǎng)度方向的切片 尺寸，按照比例將其整個(gè)魚身的長(zhǎng)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(jī)器魚水下運(yùn)行一段時(shí)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(duì) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 16 頁(yè) 位置。 因此，在殼體上開一個(gè)尺寸較大的孔，殼體與轉(zhuǎn)軸通過一個(gè)鋁套來(lái)連接，鋁套先與轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì) 轉(zhuǎn)軸與鋁套之間的密封件選用性價(jià)比 高 、密封可靠 的 “格萊圈 ”。 機(jī)器魚需密封部位匯總見表 。 O形圈提供預(yù)緊力，可對(duì) PTFE 方形環(huán)的磨損起補(bǔ)償作用。充電插針凹槽的設(shè)計(jì)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(tái)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(shí)現(xiàn)光滑 過渡 ，以減小阻力 ，同時(shí)保持整個(gè)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(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)無(wú)干涉發(fā)生，可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，證明機(jī)械設(shè)計(jì)部分基本無(wú)問題，最后繪制需要機(jī)加工零件的二維設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(zhǎng)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(jī)器魚的仿生設(shè)計(jì)要求，機(jī)器魚外殼為光滑的曲面，而非 規(guī)則的長(zhǎng)方體。電池組 由10 節(jié) 7 號(hào) 充電電池 拼裝 ，尺寸為 ?? ， 電池組的外形如圖 所示 電 機(jī) 電 池 組 1電 池 組 2 圖 電池形狀說(shuō)明 電池組 1 的電池單元環(huán)繞電機(jī)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(lái)，組成一個(gè) 12V的電池組，每節(jié)電池單元電池容量為 900mAh，所以整個(gè)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(fù)載提供大電流，而且放電時(shí)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(jià)格便宜，與其他兩種充電電池相比，屬于性價(jià)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(dòng)感性負(fù)載，如大功率直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，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(jì) (論文 ) 第 24 頁(yè) 片機(jī)直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機(jī)控制。同時(shí)該驅(qū)動(dòng)模塊較小，適宜放入魚殼內(nèi)部。 其 遙控功能的實(shí)現(xiàn)可以通過有線或者無(wú)線的方式?？刂迫蝿?wù)為 機(jī)器魚的前進(jìn)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(jī) 與單片機(jī)通信，則要求單片機(jī)可以測(cè)量信號(hào)的脈寬，即每個(gè)周期的高電平持續(xù)時(shí)間。 由以上分析可知，與單片機(jī)連接的外圍器件有，電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，遙控器接收機(jī)， 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(jī)驅(qū)動(dòng)板組成的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 所示 。 Arduino 由一個(gè)基于單片機(jī)并且開放源碼 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 27 頁(yè) 的硬件平臺(tái)，和一套為 Arduino 硬件平臺(tái) 編寫程序的開發(fā)環(huán)境組成。 同時(shí)，Arduino 支持在線燒寫程序，以及單片與電腦實(shí)時(shí)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(wú)符號(hào)長(zhǎng)整型，單片機(jī)需要測(cè)量的引腳信號(hào)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(jī)與單片機(jī)共地，然后將接收機(jī)的信號(hào)線與單片機(jī)的某個(gè)數(shù)字引腳相連，然后調(diào)用 pulseIn 函數(shù)來(lái)測(cè)量接收機(jī)輸出信號(hào)的脈寬。 1 、 通信程序模塊 主要任務(wù)是讀取接收機(jī)的 2 個(gè)通道的信號(hào)，上文已經(jīng)介紹過，每個(gè)通道的信號(hào)均為以 20ms 為周期的 PPM 信號(hào)，脈寬為 02ms，即要求單片機(jī)可以測(cè)量每個(gè)通道的脈寬。 Arduino 語(yǔ)言是建立在 C/C++基礎(chǔ)上的 編程語(yǔ)言 ，把 AVR 單片機(jī)（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(jī)器魚為單關(guān)節(jié)尾鰭驅(qū)動(dòng)，身體僵硬，轉(zhuǎn)彎時(shí)不能身體不能彎曲，轉(zhuǎn)彎的動(dòng)力來(lái)源于尾鰭的不對(duì)稱擺動(dòng)。 其中接 收機(jī)與舵機(jī)相連， 提供電源和轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)板與電機(jī)相連，完成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)任務(wù)。 主控板選擇 為了完成電機(jī)的閉環(huán)控制，電機(jī)的尾部裝有霍爾式 IE2512 增量式編碼器，同時(shí) 骨架中心線上安裝有中位傳感器，檢測(cè)機(jī)器魚尾鰭是否擺動(dòng)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(jī)， 采用比例遙控控制，發(fā)射器與接收機(jī) 通過 PPM（ Pulse Position Modulation）信號(hào)實(shí)現(xiàn)通信 。所以， 本文中采用無(wú)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(fù)載；控制和驅(qū)動(dòng)集成于單片 IC 之中；具備管腳高壓保護(hù)功能；工作溫度： 0℃ 80℃ 。 方案二： 采用 L9110 模塊驅(qū)動(dòng)， L9110 是