【正文】 能性、隱蔽性，具有重要的研究價值和應(yīng)用前景。頭部中電池組與伺服電機各一個。機器魚身長52cm，采用多電機—多關(guān)節(jié)尾部結(jié)構(gòu)，通過對多電機協(xié)調(diào)控制，使得該機器魚的游動姿態(tài)與真魚極其相似。 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2008年攻克了水中微型機器人的核心技術(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?？梢韵胍?，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。 曲柄搖桿機構(gòu)密封部位示意圖 電機直接驅(qū)動密封部位示意圖綜上所述，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 由以上計算分析得到 根據(jù)的大小選用FAULHABER 1524B009SR直流電機。 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。 ES08A銀燕舵機參數(shù)表型號工作電壓/V扭矩/Kg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，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。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。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)計滿足美觀、減阻的要求，同時魚嘴中設(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，整個外殼一次性加工成型。裝配時可以先將轉(zhuǎn)軸與鋁套裝好，由于轉(zhuǎn)軸與鋁套間的密封件的彈力，可以實現(xiàn)鋁套與轉(zhuǎn)軸的自動同心。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)計一個魚嘴蓋，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。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螺栓孔。 尾鰭架模型 其他附件設(shè)計 美觀扣件設(shè)計為了使得機器魚外觀更加優(yōu)美，特設(shè)計兩個美觀扣件。機器魚運行時與尾鰭架、尾鰭一起擺動。魚身上部有三個子口，分別與背鰭上的三個圓柱凸臺緊配，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)濟耐用。鋰離子電池是目前比較先進的電池，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，但對充電要求很高，需要專用的充電器，過充電可能會導(dǎo)致漏液和爆炸，并且價格較貴。所以供電模塊中必須使用穩(wěn)壓芯片。 電機驅(qū)動模塊選型方案一：采用L298N模塊驅(qū)動，L298N是專用驅(qū)動集成電路，屬于H橋集成電路，其輸出電流增大，功率增強。該芯片有兩個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芯片引腳功能序號符號功能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 遙控器的選擇因為本設(shè)計是一種觀賞型機器魚，對人機互動性有一定的需求，所以要求機器魚具有可遙控性。目前，比較成熟的遙控方式有很多，但是本機器魚的無線通信只需控制魚的游動姿態(tài)，所以信號只需單向傳輸即可，但要求信號具有一定的水下傳輸能力，所以選用成熟的航模遙控器進行遙控。由于該遙控器為航模遙控器，其接收機輸出信號可以直接控制舵機與電子調(diào)速器，每個通道信號脈寬0~2ms，變化范圍為1~2ms之間，1幀PPM信號長度為20ms。另外，還有共陽極三色LED燈作為速度指示燈，紅藍綠三色分別對應(yīng)低中高三檔速度，裝配時，該三色LED燈放入魚眼中，由于魚眼為兩個，所以需兩個LED燈，其相同作用的管腳直接并聯(lián)即可。根據(jù)單片機的控制任務(wù)，以及機械結(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20MIPS），工作電壓：+5V； 數(shù)字信號I/O 接口0～13：共14 個，其中6 個PWM 輸出接口（Pin1PinPinPinPinPin3）；模擬信號輸入接口0～5：共6 個； DC I/O 接口電流：40 mA； Flash 容量：32KB (其他2K 用于bootloader)； SRAM 靜態(tài)存儲容量：1KB；EEPROM 存儲容量：512 bytes；時鐘頻率：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，讓單片機完成1ms的計時，若使用AVR C語言編寫則要根據(jù)單片機使用的晶振計算出定時計數(shù)器的初值，然后通過溢出中斷來實現(xiàn)1ms計時，但是在Arduino開發(fā)環(huán)境下，只需要調(diào)用函數(shù)“delay（1）”即可實現(xiàn)1ms的計時，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)”用于測量某個引腳的外部高電平時間，其中pin表示是芯片的引腳編號；HIGH表示，當該引腳所接的外部電平由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，單片機開始計時，直至高電平再次變?yōu)榈碗娖?，計時結(jié)束。若速度采用正弦控制，尾鰭擺動到左右兩個極限位置時，速度為零，相比勻速擺動而言，可以一定程度上緩解機器魚艏搖問題，同時也能夠提高尾鰭推進效率。根據(jù)式（）（）（），可以建立電機轉(zhuǎn)角與單片機輸出電壓之間的關(guān)系： 根據(jù)式（），可以求得一系列的差值點數(shù)據(jù)，進而可以進行機器魚直線巡游時尾鰭的控制程序編寫。由于單片機資源有限，不能夠?qū)崟r通過編碼器測速，所以速度環(huán)是開環(huán)，同時尾鰭的真實擺動受阻力，齒輪回差等因素影響并不能夠嚴格地按照正弦速度擺動，我們會在后期的實驗調(diào)試中根據(jù)機器魚的實際游動效果進行程序上的修正。4 零部件裝配及調(diào)試 機械結(jié)構(gòu)裝配調(diào)試本機器魚系統(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，即機加工零件，主要是內(nèi)部結(jié)構(gòu)件，共有14個零件，除了兩個關(guān)鍵受力件，驅(qū)動尾鰭的轉(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，下載成功后運行程序，觀察程序運行情況，發(fā)現(xiàn)：遙控器的發(fā)射器與接收機信號傳輸正常，通過遙控器的發(fā)射器可以直接遙控舵機的轉(zhuǎn)動，舵機存在一定的“抖舵”現(xiàn)象，但屬于正?，F(xiàn)象。才導(dǎo)致了指示燈閃爍，以及電機轉(zhuǎn)動速度不穩(wěn)定的現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)程序設(shè)定，尾鰭擺動到左側(cè)極限位置時檢測遙控脈寬信號，所以，尾鰭在擺動到左側(cè)時需停頓并等待200ms，為了保證機器魚可以直線游動，尾鰭在左右兩個極限位置的停頓時間必須相同，即亦需要停頓200ms，所以為了脈寬信號的正常檢測，尾鰭的擺動周期額外增加了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個螺栓擰緊。配重與機器魚在水中的平衡，以及游動的穩(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，在該位置配重不會影響到機器魚水中靜止時的俯仰狀態(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=，用電子天平稱出對應(yīng)質(zhì)量的鉛皮后，將剩余的鉛皮放入魚殼內(nèi)部對應(yīng)位置并粘牢。尾鰭薄片根部厚度為8mm，拔模角度為4176。機器魚的游動2m。而尾鰭的運動模式為周期性往復(fù)擺動，一直處于變加速度狀態(tài)，尾鰭的笨重導(dǎo)致其轉(zhuǎn)動慣量較大，加、減速的慣性力大，該慣性力成為電機的額外負載，影響的尾鰭擺動頻率的提升。鉛皮用膠粘在魚身下部，不再打開魚殼放入魚殼內(nèi)部。但是機器魚的前進速度仍然不能達到設(shè)計指標。 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，機器魚的游動2m。在程序調(diào)試階段，我們提到，單片需要延時200ms后才能正常檢測接收機的脈寬信號，所以機器魚尾鰭的擺動周期額外增加了400ms。 機器魚游速測試實驗4 s測試1測試2測試3平均時間/s877，故最大其游動速度v為 速度已達到要求，故目前的問題是如何在能完成通信的情況下保證單片機無延遲的運行，即如何使得尾鰭擺動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，所以單片機在執(zhí)行pulsIn函數(shù)時，不能執(zhí)行其他函數(shù)，PPM信號20ms為一周期，每周期內(nèi)只有一個脈沖，所以執(zhí)行一次pulsIn函數(shù)的所耗的時間為20ms。由于機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，在此測量機器魚游動性能。（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 機器魚轉(zhuǎn)彎過程截圖 本章小結(jié) 本章通過多次實驗調(diào)試，減小尾鰭質(zhì)量、增大尾鰭面積及其擺動頻率，機器魚最終達到了最大前進速度200mm/s以上的目標，轉(zhuǎn)彎半徑1倍體長，可以上浮/下潛。通過多次實驗，得到了尾鰭的材質(zhì)、幾何參數(shù)、運動方式與推進力的定性關(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，擺動頻率越高，產(chǎn)生的推進力越大。解決或者減小艏搖問題可能是提高機器魚游速的一個重要途徑。致謝首先，感謝父母賦予了我生命，使我有機會感受這個世界的精彩，也正是你們無微不至的愛與關(guān)懷呵護了我的成長，于是我才能像現(xiàn)在一樣，懷著一顆好奇的心去探求這個充滿奧秘的世