【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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 1 國(guó)內(nèi)研究概況 2 課題研究方法 3 論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容 32 機(jī)器魚(yú)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 魚(yú)類推進(jìn)機(jī)理分析 5 驅(qū)動(dòng)器的選擇 5 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 6 驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 胸鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 機(jī)器魚(yú)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(xiě) 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(dòng)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(dòng)模式分析 26 程序編寫(xiě)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(yú)配重 32 最大直游速度測(cè)試與改進(jìn) 33 其他游動(dòng)性能測(cè)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(yè)1 緒論 課題背景及目的在能源日益短缺的今天，各國(guó)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(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)做干涉檢驗(yàn)以及運(yùn)動(dòng)仿真，借助Arduino集成開(kāi)發(fā)編譯環(huán)境，編寫(xiě)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(bào),2007, 35(11):117121. [2]劉軍考,[J].機(jī)器人,2000,22(5):427432 . [3]——魚(yú)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(yú)的研制[J].機(jī)器人ROBOT,2002,24(3):234239. 機(jī)械工程及自動(dòng)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(shí)間： 2013 年 3 月 4日至 2013 年 6 月 11 日答辯時(shí)間： 年 月 日成 績(jī)： 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(shū)應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的首頁(yè)。 對(duì)機(jī)器魚(yú)各功能單元進(jìn)行劃分和設(shè)計(jì)，完成機(jī)器魚(yú)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(yè)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(shí)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(kāi)發(fā)出較高推進(jìn)效率的尾鰭，并測(cè)試高效尾鰭推進(jìn)下機(jī)器魚(yú)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(shí)選用合適的遙控通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器魚(yú)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(dòng)時(shí)，側(cè)面會(huì)產(chǎn)生渦流，增加動(dòng)力消耗，降低游動(dòng)速度。與人工的水中或水下航行器相比，魚(yú)類的游動(dòng)具有推進(jìn)效率高、隱蔽性好、機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)[1,2]。 國(guó)外研究現(xiàn)狀1. 2000年，日本國(guó)家海洋中心為了研究機(jī)器魚(yú)的轉(zhuǎn)彎原理，開(kāi)發(fā)了PF300。 PF300機(jī)器魚(yú) 2. 2003年，英國(guó)Essex大學(xué)機(jī)器魚(yú)課題組開(kāi)始研制一系列機(jī)器魚(yú)，主要工作集中在實(shí)現(xiàn)仿魚(yú)游動(dòng)，特別是非穩(wěn)定游動(dòng)方面。魚(yú)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(duì)電機(jī)等部件進(jìn)行選型，然后展開(kāi)設(shè)計(jì)。減小機(jī)器魚(yú)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。本論文試圖通過(guò)對(duì)魚(yú)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(yú)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(yú)制作方面的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。借助現(xiàn)有的開(kāi)發(fā)板、機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊，搭建合理的硬件電路，并編寫(xiě)控制程序。就推進(jìn)機(jī)理而言，根據(jù)魚(yú)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(yú)類通常是通過(guò)扭動(dòng)身體并同時(shí)擺動(dòng)尾鰭的方式來(lái)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(yú)類，則是通過(guò)中間鰭和對(duì)鰭的運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生推進(jìn)力的，稱此為MPF（Middle and Pectoral fins）運(yùn)動(dòng)模式。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(yú)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(yú)體由胸鰭產(chǎn)生上浮/下潛的動(dòng)力。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。、傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式成熟，驅(qū)動(dòng)力比較大，機(jī)器魚(yú)游速較高。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。因此，必須將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為尾鰭的擺動(dòng)。 電機(jī)直驅(qū)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，電機(jī)通過(guò)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)。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。另外轉(zhuǎn)動(dòng)副個(gè)數(shù)越多，機(jī)構(gòu)的可靠性越低。m?？梢杂?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。m，滿足驅(qū)動(dòng)力矩要求。選用ES08A銀燕舵機(jī)。其中，足以承受水流擾動(dòng)產(chǎn)生的扭矩。夾角，因而選用圓錐直齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的傳遞。由加工工藝學(xué)相關(guān)知識(shí)可知，若加工過(guò)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。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。 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(yú)骨架上，該機(jī)械結(jié)構(gòu)布置方式，機(jī)器魚(yú)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。因此在U型架中，與舵盤(pán)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(pán)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(yú)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(yú)的自重（不加配重），然后通過(guò)加配重調(diào)整至重力與浮力相等；（2）外殼的外形美觀，同時(shí)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(yú)水下運(yùn)行一段時(shí)間后，打開(kāi)觀察孔，看其內(nèi)部是否漏水。魚(yú)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)位置。因此，在殼體上開(kāi)一個(gè)尺寸較大的孔，殼體與轉(zhuǎn)軸通過(guò)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） 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”。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。 尾鰭設(shè)計(jì)單關(guān)節(jié)機(jī)器魚(yú)的前進(jìn)動(dòng)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(yú)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(yú)樣機(jī)中設(shè)計(jì)了一個(gè)尾鰭架。若不加裝此組合件，則尾鰭架將變?yōu)橐粋€(gè)懸臂梁，不利于尾鰭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。裝配時(shí)，上下兩個(gè)美觀扣件通過(guò)螺栓分別與尾鰭固定在一起。