【正文】 能性、隱蔽性，具有重要的研究價(jià)值和應(yīng)用前景。頭部中電池組與伺服電機(jī)各一個(gè)。機(jī)器魚身長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。 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。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。所以，體長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?？梢韵胍姡瑱C(jī)器魚無法實(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，可以用來設(shè)計(jì)微型的機(jī)器魚，魚體長度可縮減至幾厘米。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。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)。 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)。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 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)。 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，若將魚胸鰭簡化看為一個(gè)長方形薄片，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與正方形薄片中心線相連。 ES08A銀燕舵機(jī)參數(shù)表型號(hào)工作電壓/V扭矩/Kg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)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。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)，但是兩個(gè)舵機(jī)的并列放置無疑會(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。首先為了滿足減阻要求，機(jī)器魚外殼在身長方向上，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度方向的切片尺寸，按照比例將其整個(gè)魚身的長度調(diào)整至25cm至30cm。若選取垂直于Y，或者Z軸的截面作為分型面，則需要密封的輪廓線不規(guī)則，密封困難。 殼體各孔功能說明圖魚頭設(shè)計(jì)滿足美觀、減阻的要求，同時(shí)魚嘴中設(shè)有充電口，魚頭與魚身的結(jié)合面上設(shè)有凹槽，用于放置O型圈或放密封膠，魚頭的模型如下圖所示： 魚頭結(jié)構(gòu)說明圖魚眼與魚頭為一體結(jié)構(gòu)，魚眼內(nèi)部安裝三色LED燈，作為速度指示燈。由于殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而不適宜采用去除材料加工，所以采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，材料選用光敏樹脂材料，整個(gè)外殼一次性加工成型。裝配時(shí)可以先將轉(zhuǎn)軸與鋁套裝好，由于轉(zhuǎn)軸與鋁套間的密封件的彈力，可以實(shí)現(xiàn)鋁套與轉(zhuǎn)軸的自動(dòng)同心。密封說明：（1）704硅橡膠，固化后為軟質(zhì)材料；安特固AB膠固化后為硬質(zhì)材料，受熱軟化。（3）魚嘴處充電口密封：設(shè)計(jì)一個(gè)魚嘴蓋，其上有凹槽，用于安裝O型圈，凹槽的尺寸按照相應(yīng)的O型圈規(guī)格設(shè)計(jì)。尾鰭架短邊的一端有一方孔，用于與轉(zhuǎn)軸的方軸連接，尾鰭架的長邊有兩個(gè)螺栓孔。 尾鰭架模型 其他附件設(shè)計(jì) 美觀扣件設(shè)計(jì)為了使得機(jī)器魚外觀更加優(yōu)美，特設(shè)計(jì)兩個(gè)美觀扣件。機(jī)器魚運(yùn)行時(shí)與尾鰭架、尾鰭一起擺動(dòng)。魚身上部有三個(gè)子口，分別與背鰭上的三個(gè)圓柱凸臺(tái)緊配，以固定背鰭。因此，選用的電池輸出電壓應(yīng)該12V左右。其中電池的材質(zhì)沒有要求，即可充電鎳氫、鎳鎘、鋰電池均可。但是，由于市場中所現(xiàn)有的電池形狀不適宜放入曲面外殼中，因而我們決定自己按照魚殼外形設(shè)計(jì)制作一套電池組。鎳鎘電池可重復(fù)500次以上的充放電，經(jīng)濟(jì)耐用。鋰離子電池是目前比較先進(jìn)的電池，它具有能量密度高的特性，因此鋰電池具備重量輕、體積小、容量大、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)充電要求很高，需要專用的充電器，過充電可能會(huì)導(dǎo)致漏液和爆炸，并且價(jià)格較貴。所以供電模塊中必須使用穩(wěn)壓芯片。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選型方案一：采用L298N模塊驅(qū)動(dòng)，L298N是專用驅(qū)動(dòng)集成電路，屬于H橋集成電路，其輸出電流增大，功率增強(qiáng)。該芯片有兩個(gè)TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性。芯片引腳功能與應(yīng)用電路圖如下： L9110芯片引腳功能序號(hào)符號(hào)功能1OAA 路輸出管腳2VCC電源電壓3OBB 路輸出管腳4GND地線5IAA 路輸入管腳6IBB 路輸入管腳 應(yīng)用電路圖 遙控器的選擇因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是一種觀賞型機(jī)器魚，對(duì)人機(jī)互動(dòng)性有一定的需求，所以要求機(jī)器魚具有可遙控性。目前，比較成熟的遙控方式有很多，但是本機(jī)器魚的無線通信只需控制魚的游動(dòng)姿態(tài)，所以信號(hào)只需單向傳輸即可，但要求信號(hào)具有一定的水下傳輸能力，所以選用成熟的航模遙控器進(jìn)行遙控。由于該遙控器為航模遙控器，其接收機(jī)輸出信號(hào)可以直接控制舵機(jī)與電子調(diào)速器，每個(gè)通道信號(hào)脈寬0~2ms，變化范圍為1~2ms之間，1幀PPM信號(hào)長度為20ms。另外，還有共陽極三色LED燈作為速度指示燈，紅藍(lán)綠三色分別對(duì)應(yīng)低中高三檔速度，裝配時(shí)，該三色LED燈放入魚眼中，由于魚眼為兩個(gè)，所以需兩個(gè)LED燈，其相同作用的管腳直接并聯(lián)即可。根據(jù)單片機(jī)的控制任務(wù)，以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸限制，選用ATmega328芯片作為主控芯片，其資源如下：Atmega328P（處理速度可達(dá)20MIPS），工作電壓：+5V； 數(shù)字信號(hào)I/O 接口0～13：共14 個(gè)，其中6 個(gè)PWM 輸出接口（Pin1PinPinPinPinPin3）；模擬信號(hào)輸入接口0～5：共6 個(gè)； DC I/O 接口電流：40 mA； Flash 容量：32KB (其他2K 用于bootloader)； SRAM 靜態(tài)存儲(chǔ)容量：1KB；EEPROM 存儲(chǔ)容量：512 bytes；時(shí)鐘頻率：16MHz、支持USB 接口協(xié)議。 程序編寫工具本文中采用Arduino集成開發(fā)編譯環(huán)境。例如，讓單片機(jī)完成1ms的計(jì)時(shí)，若使用AVR C語言編寫則要根據(jù)單片機(jī)使用的晶振計(jì)算出定時(shí)計(jì)數(shù)器的初值，然后通過溢出中斷來實(shí)現(xiàn)1ms計(jì)時(shí)，但是在Arduino開發(fā)環(huán)境下，只需要調(diào)用函數(shù)“delay（1）”即可實(shí)現(xiàn)1ms的計(jì)時(shí)，大大減少了編程的工作量，而且程序直觀易懂。Arduino的函數(shù)庫中，“pulseIn(pin,HIGH)”用于測量某個(gè)引腳的外部高電平時(shí)間，其中pin表示是芯片的引腳編號(hào)；HIGH表示，當(dāng)該引腳所接的外部電平由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，單片機(jī)開始計(jì)時(shí)，直至高電平再次變?yōu)榈碗娖剑?jì)時(shí)結(jié)束。若速度采用正弦控制，尾鰭擺動(dòng)到左右兩個(gè)極限位置時(shí)，速度為零，相比勻速擺動(dòng)而言，可以一定程度上緩解機(jī)器魚艏搖問題，同時(shí)也能夠提高尾鰭推進(jìn)效率。根據(jù)式（）（）（），可以建立電機(jī)轉(zhuǎn)角與單片機(jī)輸出電壓之間的關(guān)系： 根據(jù)式（），可以求得一系列的差值點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以進(jìn)行機(jī)器魚直線巡游時(shí)尾鰭的控制程序編寫。由于單片機(jī)資源有限，不能夠?qū)崟r(shí)通過編碼器測速，所以速度環(huán)是開環(huán)，同時(shí)尾鰭的真實(shí)擺動(dòng)受阻力，齒輪回差等因素影響并不能夠嚴(yán)格地按照正弦速度擺動(dòng)，我們會(huì)在后期的實(shí)驗(yàn)調(diào)試中根據(jù)機(jī)器魚的實(shí)際游動(dòng)效果進(jìn)行程序上的修正。4 零部件裝配及調(diào)試 機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配調(diào)試本機(jī)器魚系統(tǒng)中，根據(jù)加工方法，零件主要分為兩類：需去除材料加工的零件，即機(jī)加工零件，主要是內(nèi)部結(jié)構(gòu)件，共有14個(gè)零件，除了兩個(gè)關(guān)鍵受力件，驅(qū)動(dòng)尾鰭的轉(zhuǎn)軸和尾鰭架為不銹鋼件，其他的零部件均為LY12CZ鋁合金。但是，光固化成型工藝，但是由于光敏樹脂在加工過程中受熱變形，導(dǎo)致零件的精度很低，所有樹脂零件的關(guān)鍵裝配尺寸全部超差，只能通過鉗工休整至能夠滿足裝配要求為止。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)組裝圖，下載成功后運(yùn)行程序，觀察程序運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)：遙控器的發(fā)射器與接收機(jī)信號(hào)傳輸正常，通過遙控器的發(fā)射器可以直接遙控舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，舵機(jī)存在一定的“抖舵”現(xiàn)象，但屬于正常現(xiàn)象。才導(dǎo)致了指示燈閃爍，以及電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度不穩(wěn)定的現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)程序設(shè)定，尾鰭擺動(dòng)到左側(cè)極限位置時(shí)檢測遙控脈寬信號(hào)，所以，尾鰭在擺動(dòng)到左側(cè)時(shí)需停頓并等待200ms，為了保證機(jī)器魚可以直線游動(dòng)，尾鰭在左右兩個(gè)極限位置的停頓時(shí)間必須相同，即亦需要停頓200ms，所以為了脈寬信號(hào)的正常檢測，尾鰭的擺動(dòng)周期額外增加了400ms。裝配順序如下。（4）將眼燈安入魚眼中，然后安裝好魚嘴充電口的插針，然后將魚頭與魚身裝配，通過6個(gè)螺栓擰緊。配重與機(jī)器魚在水中的平衡，以及游動(dòng)的穩(wěn)定性有十分密切的關(guān)系。經(jīng)多次調(diào)整，在頭部加配102g鉛皮，魚身在水面上呈水平狀態(tài)，但機(jī)器魚仍在水面漂浮，所以在魚身中部下方，即浮心的正下方配重鉛皮，在該位置配重不會(huì)影響到機(jī)器魚水中靜止時(shí)的俯仰狀態(tài)。根據(jù)以上分析，若將配重鉛皮放入魚殼內(nèi)部，頭部配重鉛皮應(yīng)該去掉1/102=，中部配重鉛皮應(yīng)該去掉1/70=，用電子天平稱出對(duì)應(yīng)質(zhì)量的鉛皮后，將剩余的鉛皮放入魚殼內(nèi)部對(duì)應(yīng)位置并粘牢。尾鰭薄片根部厚度為8mm，拔模角度為4176。機(jī)器魚的游動(dòng)2m。而尾鰭的運(yùn)動(dòng)模式為周期性往復(fù)擺動(dòng)，一直處于變加速度狀態(tài)，尾鰭的笨重導(dǎo)致其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，加、減速的慣性力大，該慣性力成為電機(jī)的額外負(fù)載，影響的尾鰭擺動(dòng)頻率的提升。鉛皮用膠粘在魚身下部，不再打開魚殼放入魚殼內(nèi)部。但是機(jī)器魚的前進(jìn)速度仍然不能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。 PVC尾鰭PVC尾鰭替換樹脂尾鰭，再次做直線巡游最大速度測試，機(jī)器魚的游動(dòng)2m。在程序調(diào)試階段，我們提到，單片需要延時(shí)200ms后才能正常檢測接收機(jī)的脈寬信號(hào)，所以機(jī)器魚尾鰭的擺動(dòng)周期額外增加了400ms。 機(jī)器魚游速測試實(shí)驗(yàn)4 s測試1測試2測試3平均時(shí)間/s877，故最大其游動(dòng)速度v為 速度已達(dá)到要求，故目前的問題是如何在能完成通信的情況下保證單片機(jī)無延遲的運(yùn)行，即如何使得尾鰭擺動(dòng)頻率提高后仍然受控。由于pulsIn函數(shù)是采用查詢的方式來讀取引腳狀態(tài)的，所以單片機(jī)在執(zhí)行pulsIn函數(shù)時(shí)，不能執(zhí)行其他函數(shù)，PPM信號(hào)20ms為一周期，每周期內(nèi)只有一個(gè)脈沖，所以執(zhí)行一次pulsIn函數(shù)的所耗的時(shí)間為20ms。由于機(jī)器魚直行速度只分為三檔，所以速度控制通道只需傳遞4個(gè)狀態(tài)，即停、慢、中、高速。為了美觀，我們將尾鰭換回樹脂尾鰭，在此測量機(jī)器魚游動(dòng)性能。（a）截圖1（b）截圖2（c）截圖3（d）截圖4（e）截圖5（f）截圖6（g）截圖7（h）截圖8（i）截圖9 機(jī)器魚轉(zhuǎn)彎過程截圖 本章小結(jié) 本章通過多次實(shí)驗(yàn)調(diào)試，減小尾鰭質(zhì)量、增大尾鰭面積及其擺動(dòng)頻率，機(jī)器魚最終達(dá)到了最大前進(jìn)速度200mm/s以上的目標(biāo)，轉(zhuǎn)彎半徑1倍體長，可以上浮/下潛。通過多次實(shí)驗(yàn)，得到了尾鰭的材質(zhì)、幾何參數(shù)、運(yùn)動(dòng)方式與推進(jìn)力的定性關(guān)系，該關(guān)系可簡述為：在一定范圍內(nèi)，尾鰭質(zhì)量越輕，面積越大，擺動(dòng)頻率越高，產(chǎn)生的推進(jìn)力越大。解決或者減小艏搖問題可能是提高機(jī)器魚游速的一個(gè)重要途徑。致謝首先，感謝父母賦予了我生命，使我有機(jī)會(huì)感受這個(gè)世界的精彩，也正是你們無微不至的愛與關(guān)懷呵護(hù)了我的成長，于是我才能像現(xiàn)在一樣，懷著一顆好奇的心去探求這個(gè)充滿奧秘的世