【文章內(nèi)容簡介】 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。由于舵機(jī)要通過U型架同時帶動兩個胸鰭軸轉(zhuǎn)動，所以兩個胸鰭軸理論上要求同心度較高。為了使得兩個胸鰭軸達(dá)到較高的同心度，先將U型架設(shè)計如下：ES08A銀燕舵機(jī)配有塑料舵盤，其上8個孔可以擰入自攻釘，一端有與舵機(jī)出軸配合的花鍵，另外一端有一圓柱凸臺。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(cè)的胸鰭軸與舵機(jī)出軸的同軸度，而另外一側(cè)的胸鰭軸的安裝孔則靠U型架的加工精度保證其與舵機(jī)軸的同心度。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。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(zhuǎn)動要求。根據(jù)以上設(shè)計分析。 內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖 機(jī)器魚的外殼設(shè)計 外形設(shè)計外殼的設(shè)計應(yīng)該遵循以下原則：（1）必須滿足浮力要求，即外殼的外表面所包圍的體積要大于等于機(jī)器魚的自重（不加配重），然后通過加配重調(diào)整至重力與浮力相等；（2）外殼的外形美觀，同時必須有利于減阻；（3）外殼必須滿足防水要求；（4）滿足通信、充電需求。首先為了滿足減阻要求，機(jī)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。（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。 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。選取與X軸垂直的截面作為分型面的原因是分型面形狀近似圓形，較為規(guī)則，方便使用O型圈密封，或者使用膠密封。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。外殼需要預(yù)留幾個孔用于充電線、開關(guān)線、無線遙控器天線的引出，還有三個轉(zhuǎn)動密封孔。充電線、開關(guān)線、天線的引出孔根據(jù)接線端子的形狀確定，三個轉(zhuǎn)動密封孔設(shè)計為圓形，同時，為了便于骨架與外殼連接，在外殼上開了四個螺栓孔。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(yùn)行一段時間后，打開觀察孔，看其內(nèi)部是否漏水。 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。魚眼處壁厚1mm，采用樹脂材料，可以透光。 殼內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計魚身壁厚3mm，采用樹脂材料，為了讓殼體擁有更高的強(qiáng)度，殼內(nèi)沿魚身長度方向以及周向方向加有加強(qiáng)筋，殼體采用樹脂材料，密度為，強(qiáng)度較高，且樹脂材質(zhì)（相比金屬材料）對電磁波信號的傳輸幾乎無影響。魚身內(nèi)部設(shè)有安裝槽，用于骨架的定位，保證骨架上各軸中心線與外殼上孔的相對位置。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。 密封設(shè)計電機(jī)與舵機(jī)的轉(zhuǎn)動要通過軸從殼體內(nèi)部傳出，轉(zhuǎn)動配合部位需要動密封。而電機(jī)、舵機(jī)均固定于骨架上，而機(jī)器魚骨架與外殼安裝固定時，即使配合表面同時作為機(jī)器魚外殼孔的尺寸的原始基準(zhǔn)，骨架軸安裝孔的原始基準(zhǔn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與外殼的孔中心同心度仍然不高，而且機(jī)器魚外殼用3D打印技術(shù)加工，加工精度一般，材料一般使用光敏樹脂，材料較軟，不耐刮擦，所以直接在殼體上開孔，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足密封要求。因此，在殼體上開一個尺寸較大的孔，殼體與轉(zhuǎn)軸通過一個鋁套來連接，鋁套先與轉(zhuǎn)動軸裝配完成，再與外殼固定（膠粘） 轉(zhuǎn)軸與鋁套之間的密封件選用性價比高、密封可靠的“格萊圈”。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。然后將鋁套與外殼粘牢即可。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。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。兩者均絕緣、防水，且所粘零件可拆卸。（2）格萊圈由一個抗磨的填充聚四氟乙烯（PTFE）環(huán)和O形橡膠密封圈組成。O形圈提供預(yù)緊力，可對PTFE方形環(huán)的磨損起補(bǔ)償作用。（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。 機(jī)器魚密封部位匯總表密封類型密封部位密封方法材質(zhì)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(guān)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(cè)）尾鰭出軸處轉(zhuǎn)動密封孔用旋轉(zhuǎn)格萊圈外徑 格萊圈實物圖 格萊圈安裝槽示意圖 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，不能直接徒手拔出，所以設(shè)計繩鎖孔，繩索孔中穿入一根線并打結(jié)，作為拔出魚嘴蓋的引線，方便魚嘴蓋拔出。充電插針凹槽的設(shè)計是為了避免插針與魚嘴蓋的干涉。 尾鰭設(shè)計單關(guān)節(jié)機(jī)器魚的前進(jìn)動力全部由尾鰭提供，而尾鰭能夠產(chǎn)生的推力大小與其形狀，大小、材質(zhì)等特性有密切關(guān)系，因此，為了能夠在機(jī)器魚樣機(jī)搭建成功以后做多組不同尾鰭的實驗，本機(jī)器魚樣機(jī)中設(shè)計了一個尾鰭架。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。而所有的尾鰭中均有對應(yīng)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(jìn)行。 尾鰭模型尾鰭架與轉(zhuǎn)軸通過方孔配合定位，然后用緊定釘固定，尾鰭架的下端的的螺栓孔用于與尾鰭架組合件連接，尾鰭架組合件的另外一段加工有的通孔，與殼體上的圓柱凸臺配合，起到輔助支撐的作用。若不加裝此組合件，則尾鰭架將變?yōu)橐粋€懸臂梁，不利于尾鰭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 尾鰭架模型 其他附件設(shè)計 美觀扣件設(shè)計為了使得機(jī)器魚外觀更加優(yōu)美，特設(shè)計兩個美觀扣件。美觀扣件分上下兩個，兩件只是凹槽形狀不同，其他均相同。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。裝配時，上下兩個美觀扣件通過螺栓分別與尾鰭固定在一起。機(jī)器魚運(yùn)行時與尾鰭架、尾鰭一起擺動。（a） 美觀扣件反面（b） 美觀扣件正面 美觀扣件模型 背鰭設(shè)計仿照真實鯉魚背鰭外形設(shè)計背鰭，作用：1，可以輔助保持機(jī)器魚的翻轉(zhuǎn)穩(wěn)定性；2，美化機(jī)器魚外形。背鰭分為前后兩片，前背鰭中有一方孔，用于安放開關(guān)，后背鰭固定于魚身上即可。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。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。 本章小結(jié)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(jī)、舵機(jī)、格萊圈（密封件）的選擇；并通過Solidworks軟件對整個機(jī)器魚系統(tǒng)所有需加工件進(jìn)行了造型，然后對其裝配體進(jìn)行了干涉性檢查并對胸鰭，尾鰭等部位做出了運(yùn)動仿真。零件在合理的運(yùn)動范圍內(nèi)無干涉發(fā)生，可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，證明機(jī)械設(shè)計部分基本無問題，最后繪制需要機(jī)加工零件的二維設(shè)計工程圖紙，需要光固化成型加工的零件繪制了STL格式的圖形文件，并全部交付加工。 機(jī)器魚三維模型裝配圖3 硬件電路設(shè)計與程序編寫 硬件電路設(shè)計 供電系統(tǒng)設(shè)計機(jī)器魚中需要供電的硬件有電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動板，舵機(jī)、遙控器接收機(jī)、單片機(jī)， 各模塊工作電壓需求情況表需供電模塊名稱工作電壓范圍電機(jī)額定電壓9V電機(jī)驅(qū)動板舵機(jī)遙控器接收機(jī)單片機(jī)512V電池供電電壓要求：電機(jī)的額定電壓為9V，考慮到穩(wěn)壓芯片的壓降以及電池在使用過程中其輸出電壓會隨使用時間的增長而下降。因此，選用的電池輸出電壓應(yīng)該12V左右。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。項目指標(biāo)要求機(jī)器魚續(xù)航時間t2h，除了電機(jī)耗電以外，還有控制板，電機(jī)驅(qū)動板、遙控器接收機(jī)、舵機(jī)以及穩(wěn)壓芯片等模塊的用電損耗，將整個機(jī)器魚的耗電功率按照兩倍電機(jī)功率估算，并取整為4W，則電池的容量為： 同時，為了便于機(jī)器魚防水密封，電池需安放在殼體內(nèi)部，電池拆裝不便，則要求電池可充電。綜上，電池選用輸出電壓12V，容量電池。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。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。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。綜上分析，電池只能布置于魚身的中下部。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。，尺寸為， 電池形狀說明電池組1的電池單元環(huán)繞電機(jī)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(dǎo)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。裝配時，先將電池組1與骨架通過膠帶粘緊，將骨架裝入魚殼內(nèi)，然后再放入電池組2，并將其與魚殼粘牢。電池單元可選用鎳氫電池，鎳鎘電池，鋰電池。鎳鎘電池可重復(fù)500次以上的充放電，經(jīng)濟(jì)耐用。其內(nèi)部抵制力小，既內(nèi)阻很小，可快速充電，又可為負(fù)載提供大電流，而且放電時電壓變化很小，是一種非常理想的直流供電電池。但是其最致命的缺點是，在充放電過程中如果處理不當(dāng)，會出現(xiàn)嚴(yán)重的“記憶效應(yīng)”， 使得服務(wù)壽命大大縮短。鎳氫電池是有氫離子和金屬鎳合成，電量儲備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長，并且對環(huán)境無污染。鋰離子電池是目前比較先進(jìn)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。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。，電機(jī)的額定電壓是9V。鎳氫電池的特點是電池剛充滿時電壓很高，當(dāng)電量將耗盡時電壓較低，存在電壓不穩(wěn)定的問題。所以供電模塊中必須使用穩(wěn)壓芯片。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。，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?？紤]到現(xiàn)有實驗條件以及價格因素，選用串聯(lián)型穩(wěn)壓芯片來提供兩種不同的電壓，5V用于給單片機(jī)和接收機(jī)、舵機(jī)供電，9V用于給電機(jī)驅(qū)動板、電機(jī)供電。 電機(jī)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(qiáng)。其輸出電流為2A，最高電流4A，最高工作電壓50V，可以驅(qū)動感性負(fù)載，如大功率直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，電磁閥等，特別是其輸入端可以與單片機(jī)直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機(jī)控制。但是其尺寸較大，不適宜放入魚殼內(nèi)部。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。該芯片有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性。同時該驅(qū)動模塊較小，適宜放入魚殼內(nèi)部?；谏鲜龇治鑫覀冞x擇方案二。L9110芯片的工作特性如下：低靜態(tài)工作電流；寬電源電壓范圍：；每通道具有 800mA 連續(xù)電流輸出能力；較低的飽和壓降