【正文】 以及轉(zhuǎn)彎時的不對稱擺動。經(jīng)試驗，延時200ms，單片機(jī)內(nèi)部時鐘即可穩(wěn)定，讀取脈寬信號正常。將機(jī)器魚尾鰭撥至與魚身共線位置，防止尾鰭的位置的歪斜導(dǎo)致機(jī)器魚整體在水中的歪斜，然后將機(jī)器魚放入水中，等其靜止后發(fā)現(xiàn)，未加配重的機(jī)器魚漂浮于水面，同時魚頭上翹，原因是未加配重時機(jī)器魚的排水量大于重力，同時由于電機(jī)、電池等零件布置靠后，導(dǎo)致重心靠后，所以頭部會上翹。分析原因大致有以下兩條：（1）尾鰭過渡段為光滑的過渡的曲面，在擺動過程中，由于其型面過渡光滑，水對其產(chǎn)生的阻力很小，即過渡段在擺動過程中，對水產(chǎn)生的反作用力也很小，即過渡段幾乎不能夠產(chǎn)生推進(jìn)力，即尾鰭中實際產(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)器魚游動過程中艏搖將過大，游動姿態(tài)不穩(wěn)定也不美觀，所以若繼續(xù)增加機(jī)器魚的前進(jìn)速度，有兩個可能的提高速度方法，1是提升尾鰭擺動頻率，2是使用新材料做尾鰭。因此，兩個控制板之間通信只需要傳遞以上7個狀態(tài)，理論上只要三位數(shù)據(jù)線即可完成，但是為了防止信號檢測出錯，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)器魚的轉(zhuǎn)彎靈活性可能要從模仿真實魚類的全柔性軀體入手，這是一個值得深入研究的問題。但本機(jī)器魚仍然存在一些亟待解決的問題，這也是后續(xù)研究需要探討的內(nèi)容。那么，單片機(jī)讀取兩個通道的信號并經(jīng)過濾波處理，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)器魚最快直游速度測試，機(jī)器魚總長度270mm，測試環(huán)境為長寬高分別為3m2m，水溫20℃。（6）安裝背鰭、尾鰭。原因分析：單片機(jī)需要對電機(jī)進(jìn)行實施控制，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，所以對應(yīng)的單片機(jī)引腳只能通過調(diào)整PWM波的占空比來實現(xiàn)不同的電壓值，進(jìn)而通過驅(qū)動器實現(xiàn)供給電機(jī)的不同電壓，以實現(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)運行半個周期（一次正反轉(zhuǎn)為一個周期）后讀取中位傳感器數(shù)據(jù)，并對增量式編碼器參數(shù)進(jìn)行校正。Arduino硬件平臺可以讀取大量的開關(guān)和傳感器信號，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通遙控器來實現(xiàn)遙控控制，剩余的通道留作后期開發(fā)備用。并且能耗比較大，不過穩(wěn)壓后的電壓平穩(wěn)無雜波，且芯片價格便宜；而DCDC型穩(wěn)壓基本沒有壓降，能耗少，但穩(wěn)壓后的電壓有輕微的高頻干擾，并且芯片價格稍貴。同時，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，放到魚體的上部會使其重心上移，不利于其穩(wěn)定性。凹槽用于安放尾鰭架，曲面是為了與魚身實現(xiàn)光滑過渡，以減小阻力，同時保持整個外形的美觀。鋁套外徑與外殼孔內(nèi)徑相差1mm，作為裝配時的調(diào)整間隙。 魚殼截面輪廓本機(jī)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(jī)器魚的體長，同時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。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)魚的設(shè)計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個轉(zhuǎn)動副，在加工和裝配中要求各轉(zhuǎn)動副中心距保持高精度，否則搖桿擺動的兩個極限位置可能與魚身的中心線發(fā)生偏離，從而導(dǎo)致尾鰭劃動的推進(jìn)力與魚身中心線形成不重合，結(jié)果機(jī)器魚無法完成直線巡游。 新功能材料驅(qū)動方式比較驅(qū)動方式優(yōu)點缺點形狀記憶合金驅(qū)動力/重量比大、變形量大、結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動電壓低重復(fù)多次記憶效應(yīng)會退化、對該材料的研究尚屬初步、材料難獲取、價格貴壓電陶瓷變形精度、響應(yīng)極快形變增大，輸出力矩變小、對外界干擾力敏感、變形量小于千分之一、驅(qū)動電壓超過100V人造肌肉能耗低、無噪聲、變形量大輸出力矩小、頻率低顯然，在機(jī)器魚系統(tǒng)中，交流電源難以獲取，只能選擇直流電機(jī)。在本章開篇，首先對魚類的推進(jìn)機(jī)理做簡要分析。 哈工程機(jī)器魚結(jié)構(gòu)示意圖 哈工程機(jī)器魚實物圖 課題研究方法本課題的機(jī)械設(shè)計主要借助Solidworks三維建模工具來實現(xiàn)。反觀魚類，作為自然界最早出現(xiàn)的脊椎動物，經(jīng)過億萬年的物競天擇，進(jìn)化出非凡的水中運動能力。 對機(jī)器魚各功能單元進(jìn)行劃分和設(shè)計，完成機(jī)器魚機(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(論文) 第 V 頁本人聲明我聲明，本論文及其研究工作是由本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。 國外研究現(xiàn)狀1. 2000年，日本國家海洋中心為了研究機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎原理，開發(fā)了PF300。減小機(jī)器魚的體長面臨一些難點，例如對空間布置、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“擺動推進(jìn)模式”得到仿生機(jī)理的啟發(fā)，本機(jī)器魚采用單關(guān)節(jié)尾鰭驅(qū)動方式，整個身體保持不動，僅由尾鰭擺動產(chǎn)生前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎動力，同時，魚體由胸鰭產(chǎn)生上浮/下潛的動力。因此，必須將電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為尾鰭的擺動。m。其中，足以承受水流擾動產(chǎn)生的扭矩。 胸鰭驅(qū)動機(jī)構(gòu)示意圖舵機(jī)與電機(jī)均固定于機(jī)器魚骨架上，該機(jī)械結(jié)構(gòu)布置方式，機(jī)器魚的內(nèi)部零件，甚至包括硬件電路均固定于同一個骨架上，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)器魚水下運行一段時間后，打開觀察孔，看其內(nèi)部是否漏水。O形圈提供預(yù)緊力，可對PTFE方形環(huán)的磨損起補償作用。由于背鰭較薄，材料為樹脂材料，較脆，易損壞，所以背鰭設(shè)計為可插拔式，若損壞，直接更換一個新的背鰭即可。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，L9110是為控制和驅(qū)動電機(jī)設(shè)計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，同時骨架中心線上安裝有中位傳感器，檢測機(jī)器魚尾鰭是否擺動到中位，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個通道的信號，上文已經(jīng)介紹過，每個通道的信號均為以20ms為周期的PPM信號，脈寬為02ms，即要求單片機(jī)可以測量每個通道的脈寬。胸鰭的轉(zhuǎn)動由接收機(jī)直接控制，即機(jī)器魚俯仰不受單片機(jī)控制。但在延時的200ms中，單片機(jī)無法再給電機(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)入延時之前，電機(jī)必須先停車。根據(jù)以上現(xiàn)象，做出配重調(diào)整，配重物為寬度為（2）由于在項目前期，尾鰭設(shè)計時，考慮到光固化成型加工工藝不成熟，樹脂薄片尾鰭強度可能不夠，所以，對于尾鰭的厚度進(jìn)行了加厚設(shè)計，導(dǎo)致尾鰭的笨重。由于具體使用何種材料需要做多組實驗，存在一定難度，所以我們首先通過提升機(jī)器魚尾鰭擺動頻率來實現(xiàn)其速度的提升?？刂瓢?的四個引腳輸出不同的高低電平組合，控制板2讀對應(yīng)的引腳高低電平狀態(tài)，來實現(xiàn)通信，由于單片機(jī)僅讀取引腳電平高低，內(nèi)部時鐘的準(zhǔn)確與否對其無任何影響，所以采用雙板控制方案，實現(xiàn)了尾鰭無停頓擺動控制任務(wù)，機(jī)器魚速度提升至270mm/s。航行軌跡不夠穩(wěn)定，機(jī)器魚很難實現(xiàn)長距離直線的定向游動，原因在于在設(shè)計階段并未考慮機(jī)器魚的方位感知和控制問題，對于更高級的智能機(jī)器魚來說，這將成為一個工作重點。根據(jù)2中的定性關(guān)系，設(shè)計出了推進(jìn)效率較高的尾鰭，采用PVC材料，模仿鯉魚尾鰭形狀，面積與魚身比例相比真實魚類略大。N取10，則通過濾波方來采集某通道信號需要200ms的時間，而且，單片機(jī)需要實時對前進(jìn)速度控制通道，以及轉(zhuǎn)彎通道信號進(jìn)行讀取，以及時做出反應(yīng)。考慮到機(jī)器魚的尾鰭面積越大，則其每一次擺動周期內(nèi)相應(yīng)的排水量會增加，其對應(yīng)的推進(jìn)力亦會增加，所以我們選用更大的尾鰭來做進(jìn)一步速度提升的實驗探究?？傎|(zhì)量42g。（5）靜密封，包括10個螺栓孔，魚身與魚頭的分型面，開關(guān)線孔，信號線孔，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檔位時，同時速度指示燈一直在閃爍，電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度非常不穩(wěn)定，即最高速度時快時慢，按照程序設(shè)定，遙控器的某一個速度檔位對應(yīng)一種指示燈顏色（慢、中、快對應(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)的信號出錯，即對于同一個信號，單片機(jī)無法正確讀出其數(shù)值，所以導(dǎo)致出錯。機(jī)器魚轉(zhuǎn)彎通過尾鰭的不對稱擺動實現(xiàn)，如左轉(zhuǎn)彎時尾鰭只在中位與左極限位置之間擺動，程序上截取直線巡游時的尾鰭位于左側(cè)時的部分即可。Arduino由一個基于單片機(jī)并且開放源碼的硬件平臺，和一套為Arduino硬件平臺編寫程序的開發(fā)環(huán)境組成?？刂迫蝿?wù)為機(jī)器魚的前進(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)則的長方體，（a）鎳氫電池（b）鋰電池 通用電池形狀根據(jù)機(jī)器魚的仿生設(shè)計要求，機(jī)器魚外殼為光滑的曲面，而非規(guī)則的長方體。美觀扣件分上下兩個，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） 魚身流線外形主視圖（b） 魚身流線外形俯視圖 魚身流線外形輪廓沿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，將四點通過樣條曲線連接起來，作為魚身的一個截面圖，在不同的x坐標(biāo)下做出多個截面，然后將這些截面通過放樣連接成機(jī)器魚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)器魚前進(jìn)方向有一定角度時，即與水流方向存在一定攻角時，水流對胸鰭的阻力對轉(zhuǎn)軸中心的阻力矩為零。只有在機(jī)器魚殼體上預(yù)留出相應(yīng)大小形狀的窗口，在運動過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包覆密封，不少機(jī)器魚都采用這樣的設(shè)計但是市場中沒有合適規(guī)格的風(fēng)琴套，只能開模具定做，價格貴且加工周期長。 傳統(tǒng)驅(qū)動方式比較驅(qū)動方式優(yōu)點缺點電機(jī)驅(qū)動技術(shù)成熟、精度較高、成本低轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為尾鰭擺動有些難度液壓驅(qū)動輸出力矩/重量比大、反應(yīng)靈敏、承載能力大需要恒壓泵，移動件容易漏油，污染環(huán)境氣壓驅(qū)動實現(xiàn)高速直線運動，空氣可壓縮性容易實現(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)器魚機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 魚類推進(jìn)機(jī)理分析自然界中魚類的推進(jìn)機(jī)理對于機(jī)器魚的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計起到了決定性作用。該機(jī)器魚的特點之一是控板充當(dāng)魚骨架，魚分成魚身、尾鰭、胸鰭三部分；特點之二是該魚尺度小，體長僅約9cm，寬約5cm，厚約3cm，重約60g，可以逼真的模擬魚的游動姿態(tài)。水下螺旋槳推進(jìn)式探測器同樣亦存在推進(jìn)效率低，機(jī)動性差，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，甚至螺旋槳無法運轉(zhuǎn)。 進(jìn)行市場調(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： 時間：2013年 6 月單關(guān)節(jié)尾鰭推進(jìn)式仿生機(jī)器魚的設(shè)計與研究 學(xué) 生： 指導(dǎo)老師： 摘 要本文模仿自然界中真實魚類尾鰭擺動模式，自主設(shè)計研發(fā)一套單關(guān)節(jié)尾鰭推進(jìn)式的小型機(jī)器魚系統(tǒng)，滿足設(shè)計功能和性能指標(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。所以，體長50cm以上的機(jī)器魚（電機(jī)驅(qū)動）通常比較好做?？梢韵胍姡瑱C(jī)器魚無法實現(xiàn)后退。有兩種方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)化，第一是機(jī)械方式，采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，曲柄作為原動件，由電機(jī)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(jī)正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)尾鰭的擺動。對于尾鰭所受的阻力矩，按照如下方法進(jìn)行估算。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(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，同時由于舵機(jī)，電機(jī)固定于同一骨架上，其相裝配時的相對位置精度較高。 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