【正文】 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。 轉軸、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 胸鰭驅動機構設計 舵機的作用是產(chǎn)生胸鰭轉動的 力矩，由于機器魚兩側各有一個胸鰭，因而需要兩個舵機驅動，如圖 所示，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。 轉軸與 電機座和骨架的轉動 副并不選取軸承，因為 轉 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。選用 ES08A 銀燕舵機，其參數(shù)如表 所示 。 將相應數(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，參數(shù)如表 。 綜上所述，電機直接驅動的機械結構簡單可靠，加工方便，成本低 ，密封可靠，尾鰭的擺幅可調，給后續(xù)尚有變數(shù)的機器魚游動調試帶來 很大的方便，因而本文選用電機直接驅動尾鰭的驅動機構。 兩種驅動機構的 比較 如表 。 但需要專用的驅動電路，且 體積較大。 功能材料一般體積都較小，驅動力 /重量比較大，可以用來設計微型的機器魚，魚體長度可縮減至幾厘米。 其中， 中間鰭有背鰭和臀鰭；對鰭包括胸鰭和腹鰭。 本文主要在以下幾個方面開展研究： 1，機器魚機械結構，主要包括傳動機構的設計，以及防水結構的設計。 程序設計部分借助 Arduino 集成開發(fā)環(huán)境來進行程序的編寫與調試，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試速度，提高編程效率。 圖 為 機器魚 G9 的實物圖。 國內外研究現(xiàn)狀 國內外開展機器魚的研究 由來已久 ，不過 從仿生學的角度設計機器魚實體 ， 方始于上世紀九十年代。測試表明， 所有功能和性能均 滿足 設計 要求 。 完成多種尾鰭外形 、多種頻率的驅動效率的實驗研究 。 單位代碼 10006 學 號 1 分 類 號 畢業(yè)設計 (論文 ) 單關節(jié)尾鰭推進式仿生機器魚的 設計與 研究 學 院 名 稱 機械工程及自動化學院 專 業(yè) 名 稱 機械制造 學 生 姓 名 指 導 教 師 2020 年 6 月 北京航空航天大學 本科生畢業(yè)設 計 （論文 ） 任務書 Ⅰ 、畢業(yè)設計（論文）題目： 單關節(jié)尾鰭推進式 仿生機器魚的設計與 研究 Ⅱ 、畢業(yè)設計（論文）使用的原始資料（數(shù)據(jù)）及設計技術要求： 單關節(jié)尾鰭推進式仿生機器魚是由電機、舵機及其控制部分組成的機電一體化仿生設備。 零部 件裝配， 調試 及測試 。 此外 ，對機器魚外殼做了美化處理，并對 其他項目指標進行 測試，如浸泡 密封 測試 、續(xù)航時間測試 等 。 伴隨 仿生學和機器人技術的發(fā)展，仿生機器魚的研制與開發(fā)已具備了先決的技術條件， 目前， 仿生機器 魚已成為水下航行器的一大重要研究方向，其良好的機動性 、節(jié)能性、隱蔽性 ，具有重要的研究價值和應用前景。 機器魚身長 52cm， 采用多電機 —多關節(jié)尾部結構，通過對多 電機協(xié)調控制， 使得 該機器魚 的 游動姿態(tài) 與 真魚極其相似。主要研究思路是首先提出總體方案，根據(jù)性能指標參數(shù)并結合工程經(jīng)驗，對電機等部件進行選型，然后展開設計。本論文試圖通過對魚類體型與運動模式的生物學仿真，設計并制作小型機器魚的本體，再配以控制系統(tǒng)軟硬件、裝配調試、下水實驗等環(huán)節(jié)，積累小型仿生機器魚制作方面的技術經(jīng)驗。 就推進機理而言， 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)生推進力 ， 向前運動的， 稱 此 為 BCF（ Body and Caudal Fin）運動模式； （ 2） 另 一些 魚類 ， 則是通過中間鰭和對鰭的運動來產(chǎn)生推 進 力的， 稱此為 MPF（ Middle and Pectoral fins）運動模式 。 為了能夠選擇合適的驅動器，首先 需要對各種驅動方式的優(yōu)劣加以比較，如 表 。直流電機又可分為有刷電機和無刷電機， 后者無需電刷結構，壽命長，輸出力矩 大。 21尾 鰭電 機轉 軸魚 身 中軸 線 圖 電機直驅機構運動簡圖 在圖 中， 電機通過一級 2:1 錐齒輪減速后 直接帶動尾鰭的 實現(xiàn)位置 1 與 位置 2之間的 往復 擺動 。另外轉動副個數(shù)越多，機構的可靠性越低。 可以計算 中位全速擺動時， 寬度為 x? 微段 的尾鰭薄片所受水阻力為 2211 ()22ddF u S C x xh C? ? ?? ? ? () 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 10 頁 該阻力 對 Z 軸 的轉矩為 21 ()2 dM F x x xh C x??? ? ? ? () 于是 整個尾鰭薄片對 Z 的轉矩為 2 2 2 4 2311 11( ) |28x xd d xxM x h C x x h C x? ? ? ?? ? ?? () 式中 x1=20mm,x2=70mm。 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 11 頁 胸 鰭舵 機前 進方 向胸 鰭輸 出轉 軸外 殼水 流水 流 圖 胸鰭結構示意圖 轉 軸中 心水 流水 流胸 鰭 圖 胸鰭受力分析圖 因此，我們不再校核舵機的輸出扭矩，僅根據(jù)魚的設計尺寸選擇合適大小的舵機 。夾角，因而選用 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 12 頁 圓錐直齒輪 來實現(xiàn)轉動的傳遞。 但是對于骨架以及電機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 。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的胸鰭軸與舵機出軸的同軸度，而另外一側的胸鰭軸的安裝孔則靠 U 型架的加工精度保證其與舵機軸的同心度。 XZ截 面 輪 廓??Y分 型 面 圖 魚殼截面輪廓 本機器魚外殼形狀，并非完全仿照自然界中的真實鯉魚的外形，而是 X 方向上的尺寸略短， Y 方向尺寸略長，目的是為了減短機器魚的體長，同時 Y 向尺寸的加大 ，以給內部機 械結構留有足夠的安裝空間，為了便于機器魚 內部機械部分可以裝入殼內，因而在選取殼體的一個面積較大的截面作為分型面，將以上魚殼分為兩部分， 魚頭 和魚身 。 殼內結構 設計 魚 身 壁厚 3mm，采用樹脂材料，為了讓殼體擁有更高的強度，殼內沿魚身長度方向以及周向方向加有加強筋，殼體采用樹脂材料，密度 為 ，強度較 高， 且樹脂材質 （相比金屬材料） 對 電磁波信號的傳輸幾乎無影響。鋁套外徑與外殼孔內徑相差 1mm，作為裝配時的調整間隙。 表 機器魚密封部位匯總表 密封類型 密封部位 密封方法 材質 或規(guī)格 靜密封 殼體上所有螺栓孔 膠封 704 硅橡膠 觀察孔 膠封 704 硅橡膠 天線孔 膠封 安特固 AB 膠 充電接頭安裝孔 膠封 安特固 AB 膠 開關線孔 膠封 安特固 AB 膠 充電接頭 O 型圈 O 型橡膠圈 動密封 胸鰭出軸處（兩側） 尾鰭出軸處 轉動密封 孔用旋轉格萊圈 外徑 10? 圖 格萊圈實物圖 軸 套鋁 套轉 軸凹 槽 圖 格萊圈安裝槽示意圖 O 型 圈凹 槽繩 索 孔充 電 插 針凹 槽 圖 充電口防水帽 為了美觀，充電針安裝位置比較靠里，因而插入魚嘴蓋后，空間比較狹小，不能直 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 18 頁 接徒手拔出，所以設計繩鎖孔， 如圖 所示， 繩索孔中穿 入一根線并打結，作為拔出魚嘴蓋的引線， 方便魚嘴蓋拔出。 美 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 19 頁 觀扣件分上下兩個，兩件只是凹槽形狀不 同，其他均相同。 本章小 結 本章通過分析計算，確定了主要部件的尺寸及型號，比如電機、 舵機、格萊圈（密封件）的 選擇；并通過 Solidworks 軟件對整個機器魚 系統(tǒng) 所有需加工件進行了 造型， 然后對其裝配體進行了 干涉性檢查并對胸鰭，尾鰭等部位做出了 運動仿真 。其中電池的材質沒有要求，即可充電鎳氫、鎳鎘、鋰電池均可 。 鎳鎘電池可重復 500 次以上的充放電，經(jīng)濟耐用。所以供電模塊中必須使用穩(wěn)壓芯片。該芯片有兩個 TTL/CMOS 兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性。 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 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 25 頁 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。 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。 程序編寫工具 本文中 采用 Arduino 集成開發(fā)編譯環(huán)境。 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?，計時結束。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。 根據(jù)單片機的控制任務，以及機械結構的尺寸限制，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～ 北京航空航天大學畢業(yè)設計 (論文 ) 第 26 頁 13：共 14 個，其中 6 個 PWM 輸出接口（ Pin1 Pin Pin Pin Pin Pin3）；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。 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 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。 芯片引腳功能與應用電路圖如下： 表 L9110芯片引腳功能 序號 符號 功能 1 OA A 路輸出管腳 2 VCC 電源電壓 3 OB B 路輸出管腳 4 GND 地線 5 IA A 路輸入管腳 6 IB B 路輸入管腳 正 轉 信 號反 轉 信 號直 流電 機V C CL 9 1 1 0G N DI AI BO BO A 圖 應用電路圖 遙控器的選擇 因為本設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 。 電機驅動 模塊選型 方案一：采用 L298N 模塊驅動， L298N 是專用驅動集成電路，屬于 H 橋集成電路，其輸出電流增大，功率增強。 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