【正文】 以及轉(zhuǎn)彎時(shí)的不對(duì)稱擺動(dòng)。經(jīng)試驗(yàn)，延時(shí)200ms，單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘即可穩(wěn)定，讀取脈寬信號(hào)正常。將機(jī)器魚(yú)尾鰭撥至與魚(yú)身共線位置，防止尾鰭的位置的歪斜導(dǎo)致機(jī)器魚(yú)整體在水中的歪斜，然后將機(jī)器魚(yú)放入水中，等其靜止后發(fā)現(xiàn)，未加配重的機(jī)器魚(yú)漂浮于水面，同時(shí)魚(yú)頭上翹，原因是未加配重時(shí)機(jī)器魚(yú)的排水量大于重力，同時(shí)由于電機(jī)、電池等零件布置靠后，導(dǎo)致重心靠后，所以頭部會(huì)上翹。分析原因大致有以下兩條：（1）尾鰭過(guò)渡段為光滑的過(guò)渡的曲面，在擺動(dòng)過(guò)程中，由于其型面過(guò)渡光滑，水對(duì)其產(chǎn)生的阻力很小，即過(guò)渡段在擺動(dòng)過(guò)程中，對(duì)水產(chǎn)生的反作用力也很小，即過(guò)渡段幾乎不能夠產(chǎn)生推進(jìn)力，即尾鰭中實(shí)際產(chǎn)生推進(jìn)力的部分只有尾鰭薄片段。如果再加大尾鰭的面積，機(jī)器魚(yú)游動(dòng)過(guò)程中艏搖將過(guò)大，游動(dòng)姿態(tài)不穩(wěn)定也不美觀，所以若繼續(xù)增加機(jī)器魚(yú)的前進(jìn)速度，有兩個(gè)可能的提高速度方法，1是提升尾鰭擺動(dòng)頻率，2是使用新材料做尾鰭。因此，兩個(gè)控制板之間通信只需要傳遞以上7個(gè)狀態(tài)，理論上只要三位數(shù)據(jù)線即可完成，但是為了防止信號(hào)檢測(cè)出錯(cuò)，轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù)通道與速度控制通道分離，即各占兩位數(shù)據(jù)線，共需4位數(shù)據(jù)線即可完成通信。減小轉(zhuǎn)彎半徑，提高機(jī)器魚(yú)的轉(zhuǎn)彎靈活性可能要從模仿真實(shí)魚(yú)類的全柔性軀體入手，這是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。但本機(jī)器魚(yú)仍然存在一些亟待解決的問(wèn)題，這也是后續(xù)研究需要探討的內(nèi)容。那么，單片機(jī)讀取兩個(gè)通道的信號(hào)并經(jīng)過(guò)濾波處理，即單片機(jī)將有200ms以上的控制滯后。為了節(jié)省成本，更大的機(jī)器魚(yú)尾鰭采用PVC板手工裁剪的方法制作。采用速度最大的檔位，進(jìn)行機(jī)器魚(yú)最快直游速度測(cè)試，機(jī)器魚(yú)總長(zhǎng)度270mm，測(cè)試環(huán)境為長(zhǎng)寬高分別為3m2m，水溫20℃。（6）安裝背鰭、尾鰭。原因分析：?jiǎn)纹瑱C(jī)需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)施控制，包括正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速控制，由于調(diào)速采用調(diào)壓調(diào)速，所以對(duì)應(yīng)的單片機(jī)引腳只能通過(guò)調(diào)整PWM波的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的電壓值，進(jìn)而通過(guò)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)供給電機(jī)的不同電壓，以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。編碼器為增量式編碼器，只能記錄位置變化量，所以當(dāng)電機(jī)多次正反轉(zhuǎn)后，可能有積累誤差的出現(xiàn)，所以程序設(shè)定單片每電機(jī)運(yùn)行半個(gè)周期（一次正反轉(zhuǎn)為一個(gè)周期）后讀取中位傳感器數(shù)據(jù)，并對(duì)增量式編碼器參數(shù)進(jìn)行校正。Arduino硬件平臺(tái)可以讀取大量的開(kāi)關(guān)和傳感器信號(hào)，并且可以控制各式各樣的電燈、電機(jī)和其他物理設(shè)備。本文選6通遙控器來(lái)實(shí)現(xiàn)遙控控制，剩余的通道留作后期開(kāi)發(fā)備用。并且能耗比較大，不過(guò)穩(wěn)壓后的電壓平穩(wěn)無(wú)雜波，且芯片價(jià)格便宜；而DCDC型穩(wěn)壓基本沒(méi)有壓降，能耗少，但穩(wěn)壓后的電壓有輕微的高頻干擾，并且芯片價(jià)格稍貴。同時(shí)，骨架上端雖然不安放零件，剩余很大空間，但是電池一般較重，放到魚(yú)體的上部會(huì)使其重心上移，不利于其穩(wěn)定性。凹槽用于安放尾鰭架，曲面是為了與魚(yú)身實(shí)現(xiàn)光滑過(guò)渡，以減小阻力，同時(shí)保持整個(gè)外形的美觀。鋁套外徑與外殼孔內(nèi)徑相差1mm，作為裝配時(shí)的調(diào)整間隙。 魚(yú)殼截面輪廓本機(jī)器魚(yú)外殼形狀，并非完全仿照自然界中的真實(shí)鯉魚(yú)的外形，而是X方向上的尺寸略短，Y方向尺寸略長(zhǎng)，目的是為了減短機(jī)器魚(yú)的體長(zhǎng)，同時(shí)Y向尺寸的加大，以給內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)留有足夠的安裝空間，為了便于機(jī)器魚(yú)內(nèi)部機(jī)械部分可以裝入殼內(nèi)，因而在選取殼體的一個(gè)面積較大的截面作為分型面，將以上魚(yú)殼分為兩部分，魚(yú)頭和魚(yú)身。所以，采用固定板與骨架分離式結(jié)構(gòu)，裝配方便，而且節(jié)省材料。 胸鰭結(jié)構(gòu)示意圖因此，我們不再校核舵機(jī)的輸出扭矩，僅根據(jù)魚(yú)的設(shè)計(jì)尺寸選擇合適大小的舵機(jī)。再看曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，它有4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，在加工和裝配中要求各轉(zhuǎn)動(dòng)副中心距保持高精度，否則搖桿擺動(dòng)的兩個(gè)極限位置可能與魚(yú)身的中心線發(fā)生偏離，從而導(dǎo)致尾鰭劃動(dòng)的推進(jìn)力與魚(yú)身中心線形成不重合，結(jié)果機(jī)器魚(yú)無(wú)法完成直線巡游。 新功能材料驅(qū)動(dòng)方式比較驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)力/重量比大、變形量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)電壓低重復(fù)多次記憶效應(yīng)會(huì)退化、對(duì)該材料的研究尚屬初步、材料難獲取、價(jià)格貴壓電陶瓷變形精度、響應(yīng)極快形變?cè)龃?，輸出力矩變小、?duì)外界干擾力敏感、變形量小于千分之一、驅(qū)動(dòng)電壓超過(guò)100V人造肌肉能耗低、無(wú)噪聲、變形量大輸出力矩小、頻率低顯然，在機(jī)器魚(yú)系統(tǒng)中，交流電源難以獲取，只能選擇直流電機(jī)。在本章開(kāi)篇，首先對(duì)魚(yú)類的推進(jìn)機(jī)理做簡(jiǎn)要分析。 哈工程機(jī)器魚(yú)結(jié)構(gòu)示意圖 哈工程機(jī)器魚(yú)實(shí)物圖 課題研究方法本課題的機(jī)械設(shè)計(jì)主要借助Solidworks三維建模工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。反觀魚(yú)類，作為自然界最早出現(xiàn)的脊椎動(dòng)物，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的物競(jìng)天擇，進(jìn)化出非凡的水中運(yùn)動(dòng)能力。 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。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。 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。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。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。因此，必須將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為尾鰭的擺動(dòng)。m。其中，足以承受水流擾動(dòng)產(chǎn)生的扭矩。 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。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。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。由于背鰭較薄，材料為樹(shù)脂材料，較脆，易損壞，所以背鰭設(shè)計(jì)為可插拔式，若損壞，直接更換一個(gè)新的背鰭即可。電池單元可選用鎳氫電池，鎳鎘電池，鋰電池。方案二：采用L9110模塊驅(qū)動(dòng)，L9110是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件。 主控板選擇為了完成電機(jī)的閉環(huán)控制，電機(jī)的尾部裝有霍爾式IE2512增量式編碼器，同時(shí)骨架中心線上安裝有中位傳感器，檢測(cè)機(jī)器魚(yú)尾鰭是否擺動(dòng)到中位，作為回零傳感器，以避免編碼器讀數(shù)的積累誤差。1 、通信程序模塊主要任務(wù)是讀取接收機(jī)的2個(gè)通道的信號(hào)，上文已經(jīng)介紹過(guò)，每個(gè)通道的信號(hào)均為以20ms為周期的PPM信號(hào)，脈寬為02ms，即要求單片機(jī)可以測(cè)量每個(gè)通道的脈寬。胸鰭的轉(zhuǎn)動(dòng)由接收機(jī)直接控制，即機(jī)器魚(yú)俯仰不受單片機(jī)控制。但在延時(shí)的200ms中，單片機(jī)無(wú)法再給電機(jī)發(fā)送指令，電機(jī)處于失控狀態(tài)，所以在單片機(jī)進(jìn)入延時(shí)之前，電機(jī)必須先停車(chē)。根據(jù)以上現(xiàn)象，做出配重調(diào)整，配重物為寬度為（2）由于在項(xiàng)目前期，尾鰭設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到光固化成型加工工藝不成熟，樹(shù)脂薄片尾鰭強(qiáng)度可能不夠，所以，對(duì)于尾鰭的厚度進(jìn)行了加厚設(shè)計(jì)，導(dǎo)致尾鰭的笨重。由于具體使用何種材料需要做多組實(shí)驗(yàn)，存在一定難度，所以我們首先通過(guò)提升機(jī)器魚(yú)尾鰭擺動(dòng)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)其速度的提升?？刂瓢?的四個(gè)引腳輸出不同的高低電平組合，控制板2讀對(duì)應(yīng)的引腳高低電平狀態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，由于單片機(jī)僅讀取引腳電平高低，內(nèi)部時(shí)鐘的準(zhǔn)確與否對(duì)其無(wú)任何影響，所以采用雙板控制方案，實(shí)現(xiàn)了尾鰭無(wú)停頓擺動(dòng)控制任務(wù)，機(jī)器魚(yú)速度提升至270mm/s。航行軌跡不夠穩(wěn)定，機(jī)器魚(yú)很難實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離直線的定向游動(dòng)，原因在于在設(shè)計(jì)階段并未考慮機(jī)器魚(yú)的方位感知和控制問(wèn)題，對(duì)于更高級(jí)的智能機(jī)器魚(yú)來(lái)說(shuō)，這將成為一個(gè)工作重點(diǎn)。根據(jù)2中的定性關(guān)系，設(shè)計(jì)出了推進(jìn)效率較高的尾鰭，采用PVC材料，模仿鯉魚(yú)尾鰭形狀，面積與魚(yú)身比例相比真實(shí)魚(yú)類略大。N取10，則通過(guò)濾波方來(lái)采集某通道信號(hào)需要200ms的時(shí)間，而且，單片機(jī)需要實(shí)時(shí)對(duì)前進(jìn)速度控制通道，以及轉(zhuǎn)彎通道信號(hào)進(jìn)行讀取，以及時(shí)做出反應(yīng)?？紤]到機(jī)器魚(yú)的尾鰭面積越大，則其每一次擺動(dòng)周期內(nèi)相應(yīng)的排水量會(huì)增加，其對(duì)應(yīng)的推進(jìn)力亦會(huì)增加，所以我們選用更大的尾鰭來(lái)做進(jìn)一步速度提升的實(shí)驗(yàn)探究?？傎|(zhì)量42g。（5）靜密封，包括10個(gè)螺栓孔，魚(yú)身與魚(yú)頭的分型面，開(kāi)關(guān)線孔，信號(hào)線孔，充電口的涂膠密封。但是當(dāng)遙控器的速度檔固定在某一個(gè)檔位時(shí)，同時(shí)速度指示燈一直在閃爍，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度非常不穩(wěn)定，即最高速度時(shí)快時(shí)慢，按照程序設(shè)定，遙控器的某一個(gè)速度檔位對(duì)應(yīng)一種指示燈顏色（慢、中、快對(duì)應(yīng)紅色、藍(lán)色、綠色），指示燈的顏色閃爍證明，單片機(jī)讀取接收機(jī)的信號(hào)出錯(cuò)，即對(duì)于同一個(gè)信號(hào)，單片機(jī)無(wú)法正確讀出其數(shù)值，所以導(dǎo)致出錯(cuò)。機(jī)器魚(yú)轉(zhuǎn)彎通過(guò)尾鰭的不對(duì)稱擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)，如左轉(zhuǎn)彎時(shí)尾鰭只在中位與左極限位置之間擺動(dòng)，程序上截取直線巡游時(shí)的尾鰭位于左側(cè)時(shí)的部分即可。Arduino由一個(gè)基于單片機(jī)并且開(kāi)放源碼的硬件平臺(tái)，和一套為Arduino硬件平臺(tái)編寫(xiě)程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境組成?？刂迫蝿?wù)為機(jī)器魚(yú)的前進(jìn)啟停，轉(zhuǎn)彎，上浮下潛，僅需要遙控器3通道即可完成控制任務(wù)。穩(wěn)壓芯片根據(jù)工作原理主要有兩種類型：串聯(lián)型穩(wěn)壓和DCDC穩(wěn)壓。就目前的技術(shù)水平而言，充電電池做到12V，非常容易，但其形狀一般為規(guī)則的長(zhǎng)方體，（a）鎳氫電池（b）鋰電池 通用電池形狀根據(jù)機(jī)器魚(yú)的仿生設(shè)計(jì)要求，機(jī)器魚(yú)外殼為光滑的曲面，而非規(guī)則的長(zhǎng)方體。美觀扣件分上下兩個(gè)，兩件只是凹槽形狀不同，其他均相同。然后將鋁套與外殼粘牢即可。（a） 魚(yú)身流線外形主視圖（b） 魚(yú)身流線外形俯視圖 魚(yú)身流線外形輪廓沿X方向做垂直于x軸的截面分別與主俯視圖中四條流線型曲線相交出四點(diǎn)，將四點(diǎn)通過(guò)樣條曲線連接起來(lái)，作為魚(yú)身的一個(gè)截面圖，在不同的x坐標(biāo)下做出多個(gè)截面，然后將這些截面通過(guò)放樣連接成機(jī)器魚(yú)的外殼曲面去下圖所示。但若電機(jī)固定板與骨架為一體結(jié)構(gòu)，裝配時(shí)銅套與轉(zhuǎn)軸安裝困難。在理想的水流狀況下，即水流速沿胸鰭方向均勻分布，當(dāng)胸鰭與機(jī)器魚(yú)前進(jìn)方向有一定角度時(shí)，即與水流方向存在一定攻角時(shí)，水流對(duì)胸鰭的阻力對(duì)轉(zhuǎn)軸中心的阻力矩為零。只有在機(jī)器魚(yú)殼體上預(yù)留出相應(yīng)大小形狀的窗口，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中搖桿才不至于與殼體發(fā)生干涉，為此較為可靠和美觀的密封方案就是用風(fēng)琴套將殼體尾部與尾鰭整個(gè)包覆密封，不少機(jī)器魚(yú)都采用這樣的設(shè)計(jì)但是市場(chǎng)中沒(méi)有合適規(guī)格的風(fēng)琴套，只能開(kāi)模具定做，價(jià)格貴且加工周期長(zhǎng)。 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式比較驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)成熟、精度較高、成本低轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為尾鰭擺動(dòng)有些難度液壓驅(qū)動(dòng)輸出力矩/重量比大、反應(yīng)靈敏、承載能力大需要恒壓泵，移動(dòng)件容易漏油，污染環(huán)境氣壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高速直線運(yùn)動(dòng)，空氣可壓縮性容易實(shí)現(xiàn)力與緩沖控制高精度位置與速度控制都困難，剛性較差；排氣噪音較大，產(chǎn)生大量氣泡。2 機(jī)器魚(yú)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 魚(yú)類推進(jìn)機(jī)理分析自然界中魚(yú)類的推進(jìn)機(jī)理對(duì)于機(jī)器魚(yú)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到了決定性作用。該機(jī)器魚(yú)的特點(diǎn)之一是控板充當(dāng)魚(yú)骨架，魚(yú)分成魚(yú)身、尾鰭、胸鰭三部分；特點(diǎn)之二是該魚(yú)尺度小，體長(zhǎng)僅約9cm，寬約5cm，厚約3cm，重約60g，可以逼真的模擬魚(yú)的游動(dòng)姿態(tài)。水下螺旋槳推進(jìn)式探測(cè)器同樣亦存在推進(jìn)效率低，機(jī)動(dòng)性差，隱蔽性差等缺陷，而且螺旋槳容易被水藻等水生植物纏繞，導(dǎo)致槳葉受損，甚至螺旋槳無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。 進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，完成電機(jī)、電池、舵機(jī)、遙控器等部件的選型。 作者： 簽字： 時(shí)間：2013年 6 月單關(guān)節(jié)尾鰭推進(jìn)式仿生機(jī)器魚(yú)的設(shè)計(jì)與研究 學(xué) 生： 指導(dǎo)老師： 摘 要本文模仿自然界中真實(shí)魚(yú)類尾鰭擺動(dòng)模式，自主設(shè)計(jì)研發(fā)一套單關(guān)節(jié)尾鰭推進(jìn)式的小型機(jī)器魚(yú)系統(tǒng)，滿足設(shè)計(jì)功能和性能指標(biāo)，其具人機(jī)進(jìn)行交互性和觀賞性。頭部中電池組與伺服電機(jī)各一個(gè)。所以，體長(zhǎng)50cm以上的機(jī)器魚(yú)（電機(jī)驅(qū)動(dòng)）通常比較好做?？梢韵胍?jiàn)，機(jī)器魚(yú)無(wú)法實(shí)現(xiàn)后退。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(guò)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)尾鰭的擺動(dòng)。對(duì)于尾鰭所受的阻力矩，按照如下方法進(jìn)行估算。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。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。 殼體各孔功能說(shuō)明圖魚(yú)頭設(shè)計(jì)滿足美觀、減阻的要求，同時(shí)魚(yú)嘴中設(shè)有充電口，魚(yú)頭與魚(yú)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(yú)頭的模型如下圖所示： 魚(yú)頭結(jié)構(gòu)說(shuō)明圖魚(yú)