【正文】 對應電機的額定電壓9V，并且近似認為與電機輸入電壓之間成正比關系，則根據(jù)以上關系可以求解出電機轉速時電機需要的輸入電壓的大小。同時，Arduino支持在線燒寫程序，以及單片與電腦實時通信，因此極大的方便了程序的調試。由編碼器、中位傳感器、遙控器、。若接收機與單片機通信，則要求單片機可以測量信號的脈寬，即每個周期的高電平持續(xù)時間。其遙控功能的實現(xiàn)可以通過有線或者無線的方式。其輸出電流為2A，最高電流4A，最高工作電壓50V，可以驅動感性負載，如大功率直流電機，步進電機，電磁閥等，特別是其輸入端可以與單片機直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機控制。綜上比較可知，鎳氫電池性能優(yōu)越，價格便宜，與其他兩種充電電池相比，屬于性價比最高的電池，而且充電方便，因而選用鎳氫電池單元作為供電電池組的基本單元。尺寸為， 電池形狀說明電池組1的電池單元環(huán)繞電機布置，但是空間有限，只能布置7節(jié)，剩余3節(jié)電池組成電池組2，置于電池組1前，然后用導線將10節(jié)電池單元串聯(lián)起來，組成一個12V的電池組，每節(jié)電池單元電池容量為900mAh，所以整個電池組的容量為900mAh。電池容量要求：根據(jù)電池電量計算公式： 式中，C—電池容量； P—電池供電功率； U—電池輸出電壓； t—放電時間。（a） 美觀扣件反面（b） 美觀扣件正面 美觀扣件模型 背鰭設計仿照真實鯉魚背鰭外形設計背鰭，作用：1，可以輔助保持機器魚的翻轉穩(wěn)定性；2，美化機器魚外形。而所有的尾鰭中均有對應的槽和螺紋孔，正好可以與尾鰭架配對，方便多組尾鰭實驗的進行。兩者均絕緣、防水，且所粘零件可拆卸。 密封設計電機與舵機的轉動要通過軸從殼體內部傳出，轉動配合部位需要動密封。外殼需要預留幾個孔用于充電線、開關線、無線遙控器天線的引出，還有三個轉動密封孔。同時U型架均采用鋁合金材料，壁厚為2mm，因此，若兩個胸鰭軸的同心度不高，U型架可以通過自身的變形來滿足轉動要求。為了使得機器魚胸鰭能產生盡可能大的俯仰力，必須使其尺寸在機器魚要求的尺寸范圍內盡可能的大，所以應盡量縮小機器魚胸腹部寬度。銅套外徑與電機固定板、骨架采用過盈配合，其內徑與轉軸為間隙配合，方便轉軸的轉動。cm速度尺寸/mm重量/gES08A（）176。 FAULHABER 1524B009SR直流電機參數(shù)額定功率額定電壓額定轉速額定轉矩尺寸（mm）重量9V10100r/min 驅動器的選型 電機的選型采用電機直驅尾鰭方式，則電機的負載轉矩 式中：—電機負載轉矩； —錐齒輪傳動阻力矩； —密封件轉動阻力矩； —尾鰭擺動阻力矩。 驅動機構比較驅動機構優(yōu)點缺點密封件曲柄搖桿機構電機整軸轉動，控制簡單機械結構復雜，加工相對困難，尾鰭的擺幅不可調定做風琴套，價格略高電機直接驅動機械結構簡單，尾鰭擺幅可調控制復雜，對控制電路要求較高多款格萊圈可選，價格便宜?？紤]上述因素，本文選用直流有刷電機驅動尾鰭，至于胸鰭由于屬于間歇轉動，剩下來只需保持某個角度即可，因而選用較為廉價的舵機。但是對于功能材料的研究還處于比較初級的階段。重點關注BCF推進模式，又包括4種波動推進模式（鰻鱺模式、亞鲹科模式、鲹科模式、金槍魚模式）和1種擺動推進模式。2，機器魚外觀，包括頭部、魚身、魚鰭的外觀設計，達到所需的流線曲線，起到降低航行阻力、逼真美觀的效果。課題的研究充分體現(xiàn)了機械設計的特點，即在給定參數(shù)下，粗略計算主要參數(shù)后開始設計，然后再對原來的設計進行驗算，對其修改完善，在一個設計——修改——再設計——再修改的循環(huán)中，不斷完善設計，最終達到預期的設計目的。 Essex大學G9機器魚 國內研究概況，魚體長約45cm，整個魚身有四個關節(jié)串聯(lián)而成，可以更真實的模擬魚的運動姿態(tài)。 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 2013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。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。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。其中，中間鰭有背鰭和臀鰭；對鰭包括胸鰭和腹鰭。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。但需要專用的驅動電路，且體積較大。 曲柄搖桿機構密封部位示意圖 電機直接驅動密封部位示意圖綜上所述，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。將相應數(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。 ES08A銀燕舵機參數(shù)表型號工作電壓/V扭矩/Kg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。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，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。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。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。由于殼體內部結構復雜，因而不適宜采用去除材料加工，所以采用選擇性激光燒結技術，材料選用光敏樹脂材料，整個外殼一次性加工成型。密封說明：（1）704硅橡膠，固化后為軟質材料；安特固AB膠固化后為硬質材料，受熱軟化。尾鰭架短邊的一端有一方孔，用于與轉軸的方軸連接，尾鰭架的長邊有兩個螺栓孔。機器魚運行時與尾鰭架、尾鰭一起擺動。因此，選用的電池輸出電壓應該12V左右。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計制作一套電池組。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，過充電可能會導致漏液和爆炸，并且價格較貴。 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。芯片引腳功能與應用電路圖如下： 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。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。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0～13：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。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。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。由于單片機資源有限，不能夠實時通過編碼器測速，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試中根據(jù)機器魚的實際游動效果進行程序上的修正。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，導致零件的精度很低，所有樹脂零件的關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。才導致了指示燈閃爍，以及電機轉動速度不穩(wěn)定的現(xiàn)象發(fā)生。裝配順序如下。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系。根據(jù)以上分析，若將配重鉛皮放入魚殼內部，頭部配重鉛皮應該去掉1/102=，中部配重鉛皮應該去掉1/70=，用電子天平稱出對應質量的鉛皮后，將剩余的鉛皮放入魚殼內部對應位置并粘牢。機器魚的游動2m。鉛皮用膠粘在魚身下部，不再打開魚殼放入魚殼內部。 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。 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。（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 機器魚轉彎過程截圖 本章小結 本章通過多次實驗調試，減小尾鰭質量、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，轉彎半徑1倍體長，可以上浮/下潛。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