【正文】 pelled small robotic fish system. To meet the design specifications of the premise, it has a certain manmachine which is interactional and ornamental.The whole design process is divided into mechanical design, software and hardware design. The threedimensional design software Solidworks is used for mechanical structural modeling, interference check and motion simulation tests. Arduino integrating development environment is used for piling and writing controlling procedures and hardware circuit board is selected to plete motor control, remote munications and other tasks.After repeated experiments optimization, the high propulsive efficiency tail fin is designed at last and maximum sailing speed, radius of turning circle ,the maximum floating and diving speed of robotic fish under the promote of caudal fin is tested. At the same time, we use the appropriate choice of remote munication technologies to achieve free remote control of the machine fish when the depth of the water is certain.Additionally, the robot fish shell is landscaped and other items are tested, such as immersion test that under water for a long time and the test of the continuation of the journey. Testing shows that all items meet the requirements. Key words: Robotic fish, Ornamental, Remote control, Caudal fin propulsion目 錄1 緒論 1 課題背景及目的 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 國外研究現(xiàn)狀 1 國內(nèi)研究概況 2 課題研究方法 3 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容 32 機(jī)器魚機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 魚類推進(jìn)機(jī)理分析 5 驅(qū)動器的選擇 5 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇 6 驅(qū)動器的選型 8 電機(jī)的選型 8 舵機(jī)的選型 10 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 11 尾鰭驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 胸鰭驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 機(jī)器魚的外殼設(shè)計(jì) 13 外形設(shè)計(jì) 13 殼內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 密封設(shè)計(jì) 16 尾鰭設(shè)計(jì) 18 其他附件設(shè)計(jì) 18 美觀扣件設(shè)計(jì) 18 背鰭設(shè)計(jì) 19 本章小結(jié) 193 硬件電路設(shè)計(jì)與程序編寫 21 硬件電路設(shè)計(jì) 21 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 電機(jī)驅(qū)動模塊選型 23 遙控器的選擇 24 主控板選擇 25 程序設(shè)計(jì) 26 運(yùn)動模式分析 26 程序編寫工具 26 程序模塊劃分 27 本章小結(jié) 294 零部件裝配及調(diào)試 30 機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配調(diào)試 30 程序調(diào)試 30 系統(tǒng)總裝配調(diào)試 32 機(jī)器魚配重 32 最大直游速度測試與改進(jìn) 33 其他游動性能測試 38 本章小結(jié) 39結(jié)論 41致謝 42參考文獻(xiàn) 43北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 44 頁1 緒論 課題背景及目的在能源日益短缺的今天，各國都在尋找提高能源利用效率的方法。本文借助三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)建模，并對機(jī)械結(jié)構(gòu)做干涉檢驗(yàn)以及運(yùn)動仿真，借助Arduino集成開發(fā)編譯環(huán)境，編寫控制程序，并選用配套硬件電路板完成電機(jī)控制、遙控通信等任務(wù)。 Ⅳ、主要參考資料：[1][J].華中科技大學(xué)學(xué)報,2007, 35(11):117121. [2]劉軍考,[J].機(jī)器人,2000,22(5):427432 . [3]——魚類推進(jìn)機(jī)理[J].機(jī)器人ROBOT,2002,24(2):107112. [4] ——小型實(shí)驗(yàn)機(jī)器魚的研制[J].機(jī)器人ROBOT,2002,24(3):234239. 機(jī)械工程及自動化 學(xué)院（系） 機(jī)械制造 專業(yè)類 班學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時間： 2013 年 3 月 4日至 2013 年 6 月 11 日答辯時間： 年 月 日成 績： 指導(dǎo)教師： 兼職教師或答疑教師（并指出所負(fù)責(zé)部分）： 系（教研室） 主任（簽字）： 注：任務(wù)書應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的首頁。 對機(jī)器魚各功能單元進(jìn)行劃分和設(shè)計(jì)，完成機(jī)器魚機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維建模。：（1）完成前進(jìn)、左右轉(zhuǎn)彎和上浮下潛；（2）用遙控器控制，三檔調(diào)速；（3）電池可充電。2. 性能指標(biāo)：（1）體積：300mm100mm150mm；（2）最大前進(jìn)速度200mm/s；（3）最大下潛深度500mm；（4）續(xù)航能力2h；（5）轉(zhuǎn)彎半徑≤400mm。完成需加工零件的二維圖紙，并完成零部件加工。北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 V 頁本人聲明我聲明，本論文及其研究工作是由本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，最終開發(fā)出較高推進(jìn)效率的尾鰭，并測試高效尾鰭推進(jìn)下機(jī)器魚的最大航行速度、轉(zhuǎn)彎半徑、最大上浮/下潛速度等性能指標(biāo)，同時選用合適的遙控通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器魚在一定水深范圍內(nèi)的自由遙控控制。在船舶行業(yè)，螺旋槳推進(jìn)是當(dāng)下最普遍的推進(jìn)方式，但螺旋槳在水中轉(zhuǎn)動時，側(cè)面會產(chǎn)生渦流，增加動力消耗，降低游動速度。與人工的水中或水下航行器相比，魚類的游動具有推進(jìn)效率高、隱蔽性好、機(jī)動性好等優(yōu)點(diǎn)[1,2]。 國外研究現(xiàn)狀1. 2000年，日本國家海洋中心為了研究機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎原理，開發(fā)了PF300。 PF300機(jī)器魚 2. 2003年，英國Essex大學(xué)機(jī)器魚課題組開始研制一系列機(jī)器魚，主要工作集中在實(shí)現(xiàn)仿魚游動，特別是非穩(wěn)定游動方面。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。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)，對電機(jī)等部件進(jìn)行選型，然后展開設(shè)計(jì)。減小機(jī)器魚的體長面臨一些難點(diǎn)，例如對空間布置、能源、密封、水中的平衡和穩(wěn)定技術(shù)等等需要特殊考慮。本論文試圖通過對魚類體型與運(yùn)動模式的生物學(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)。借助現(xiàn)有的開發(fā)板、機(jī)驅(qū)動板模塊，搭建合理的硬件電路，并編寫控制程序。就推進(jìn)機(jī)理而言，根據(jù)魚類游動動力的產(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身體并同時擺動尾鰭的方式來產(chǎn)生推進(jìn)力，向前運(yùn)動的，稱此為BCF（Body and Caudal Fin）運(yùn)動模式；（2）另一些魚類，則是通過中間鰭和對鰭的運(yùn)動來產(chǎn)生推進(jìn)力的，稱此為MPF（Middle and Pectoral fins）運(yùn)動模式。由“擺動推進(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)動方式，整個身體保持不動，僅由尾鰭擺動產(chǎn)生前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎動力，同時，魚體由胸鰭產(chǎn)生上浮/下潛的動力。為了能夠選擇合適的驅(qū)動器，首先需要對各種驅(qū)動方式的優(yōu)劣加以比較。、傳統(tǒng)驅(qū)動方式成熟，驅(qū)動力比較大，機(jī)器魚游速較高。直流電機(jī)又可分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)，后者無需電刷結(jié)構(gòu)，壽命長，輸出力矩大。因此，必須將電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為尾鰭的擺動。 電機(jī)直驅(qū)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，電機(jī)通過一級2:1錐齒輪減速后直接帶動尾鰭的實(shí)現(xiàn)位置1與位置2之間的往復(fù)擺動。電機(jī)直接驅(qū)動密封部位為軸孔之間的轉(zhuǎn)動，密封表面外形簡單、規(guī)則，格萊圈就是一種技術(shù)成熟的水下動密封件，密封可靠、結(jié)構(gòu)簡潔、價格低廉，完全能滿足使用要求。另外轉(zhuǎn)動副個數(shù)越多，機(jī)構(gòu)的可靠性越低。m。可以計(jì)算中位全速擺動時，寬度為微段的尾鰭薄片所受水阻力為 該阻力對Z軸的轉(zhuǎn)矩為 于是整個尾鰭薄片對Z的轉(zhuǎn)矩為 式中x1=20mm,x2=70mm。m，滿足驅(qū)動力矩要求。選用ES08A銀燕舵機(jī)。其中，足以承受水流擾動產(chǎn)生的扭矩。夾角，因而選用圓錐直齒輪來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動的傳遞。由加工工藝學(xué)相關(guān)知識可知，若加工過程中兩個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。但是對于骨架以及電機(jī)固定板這兩個零件的兩個安裝銅套的孔的位置尺寸精度要求較高。 胸鰭驅(qū)動機(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骨架上，然后骨架與外殼裝配固定即可。因此在U型架中，與舵盤配合面上加工的子口，用于定位，只要保證子口與胸鰭軸安裝孔同軸度，則可保證靠近舵盤一側(cè)的胸鰭軸與舵機(jī)出軸的同軸度，而另外一側(cè)的胸鰭軸的安裝孔則靠U型架的加工精度保證其與舵機(jī)軸的同心度。 內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖 機(jī)器魚的外殼設(shè)計(jì) 外形設(shè)計(jì)外殼的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下原則：（1）必須滿足浮力要求，即外殼的外表面所包圍的體積要大于等于機(jī)器魚的自重（不加配重），然后通過加配重調(diào)整至重力與浮力相等；（2）外殼的外形美觀，同時必須有利于減阻；（3）外殼必須滿足防水要求；（4）滿足通信、充電需求。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） 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”。O形圈提供預(yù)緊力，可對PTFE方形環(huán)的磨損起補(bǔ)償作用。 尾鰭設(shè)計(jì)單關(guān)節(jié)機(jī)器魚的前進(jìn)動力全部由尾鰭提供，而尾鰭能夠產(chǎn)生的推力大小與其形狀，大小、材質(zhì)等特性有密切關(guān)系，因此，為了能夠在機(jī)器魚樣機(jī)搭建成功以后做多組不同尾鰭的實(shí)驗(yàn)，本機(jī)器魚樣機(jī)中設(shè)計(jì)了一個尾鰭架。若不加裝此組合件，則尾鰭架將變?yōu)橐粋€懸臂梁，不利于尾鰭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。裝配時，上下兩個美觀扣件通過螺栓分別與尾鰭固定在一起。