单关节尾鳍推进式仿生机器鱼的设计与研究——毕业设计论文(编辑修改稿)

单关节尾鳍推进式仿生机器鱼的设计与研究——毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

用骨架结构有利于装配，同时由于舵机，电机固定于同一骨架上，其相装配时的相对位置精度较高。 由于舵机要通过U型架同时带动两个胸鳍轴转动，所以两个胸鳍轴理论上要求同心度较高。 为了使得两个胸鳍轴达到较高的同心度，先将U型架设计如下：ES08A银燕舵机配有塑料舵盘，其上8个孔可以拧入自攻钉，一端有与舵机出轴配合的花键，另外一端有一圆柱凸台。 因此在U型架中，与舵盘配合面上加工的子口，用于定位，只要保证子口与胸鳍轴安装孔同轴度，则可保证靠近舵盘一侧的胸鳍轴与舵机出轴的同轴度，而另外一侧的胸鳍轴的安装孔则靠U型架的加工精度保证其与舵机轴的同心度。 注意到，为了U型架上与舵盘配合的子口加工方便，U型架被拆做两个零件加工，然后装配起来。 同时U型架均采用铝合金材料，壁厚为2mm，因此，若两个胸鳍轴的同心度不高，U型架可以通过自身的变形来满足转动要求。 根据以上设计分析。 内部机械结构装配图 机器鱼的外壳设计 外形设计外壳的设计应该遵循以下原则：（1）必须满足浮力要求，即外壳的外表面所包围的体积要大于等于机器鱼的自重（不加配重），然后通过加配重调整至重力与浮力相等；（2）外壳的外形美观，同时必须有利于减阻；（3）外壳必须满足防水要求；（4）满足通信、充电需求。 首先为了满足减阻要求，机器鱼外壳在身长方向上，需设计成流线型，为了确定外形轮廓参数，我们参考鲤鱼沿鱼身长度方向的切片尺寸，按照比例将其整个鱼身的长度调整至25cm至30cm。 （a） 鱼身流线外形主视图（b） 鱼身流线外形俯视图 鱼身流线外形轮廓沿X方向做垂直于x轴的截面分别与主俯视图中四条流线型曲线相交出四点，将四点通过样条曲线连接起来，作为鱼身的一个截面图，在不同的x坐标下做出多个截面，然后将这些截面通过放样连接成机器鱼的外壳曲面去下图所示。 鱼壳截面轮廓本机器鱼外壳形状，并非完全仿照自然界中的真实鲤鱼的外形，而是X方向上的尺寸略短，Y方向尺寸略长，目的是为了减短机器鱼的体长，同时Y向尺寸的加大，以给内部机械结构留有足够的安装空间，为了便于机器鱼内部机械部分可以装入壳内，因而在选取壳体的一个面积较大的截面作为分型面，将以上鱼壳分为两部分，鱼头和鱼身。 选取与X轴垂直的截面作为分型面的原因是分型面形状近似圆形，较为规则，方便使用O型圈密封，或者使用胶密封。 若选取垂直于Y，或者Z轴的截面作为分型面，则需要密封的轮廓线不规则，密封困难。 外壳需要预留几个孔用于充电线、开关线、无线遥控器天线的引出，还有三个转动密封孔。 充电线、开关线、天线的引出孔根据接线端子的形状确定，三个转动密封孔设计为圆形，同时，为了便于骨架与外壳连接，在外壳上开了四个螺栓孔。 尾部有一Φ6通孔，用作装配工艺孔和观察孔，机器鱼水下运行一段时间后，打开观察孔，看其内部是否漏水。 壳体各孔功能说明图鱼头设计满足美观、减阻的要求，同时鱼嘴中设有充电口，鱼头与鱼身的结合面上设有凹槽，用于放置O型圈或放密封胶，鱼头的模型如下图所示： 鱼头结构说明图鱼眼与鱼头为一体结构，鱼眼内部安装三色LED灯，作为速度指示灯。 鱼眼处壁厚1mm，采用树脂材料，可以透光。 壳内结构设计鱼身壁厚3mm，采用树脂材料，为了让壳体拥有更高的强度，壳内沿鱼身长度方向以及周向方向加有加强筋，壳体采用树脂材料，密度为，强度较高，且树脂材质（相比金属材料）对电磁波信号的传输几乎无影响。 鱼身内部设有安装槽，用于骨架的定位，保证骨架上各轴中心线与外壳上孔的相对位置。 由于壳体内部结构复杂，因而不适宜采用去除材料加工，所以采用选择性激光烧结技术，材料选用光敏树脂材料，整个外壳一次性加工成型。 密封设计电机与舵机的转动要通过轴从壳体内部传出，转动配合部位需要动密封。 而电机、舵机均固定于骨架上，而机器鱼骨架与外壳安装固定时，即使配合表面同时作为机器鱼外壳孔的尺寸的原始基准，骨架轴安装孔的原始基准，电机的转轴与外壳的孔中心同心度仍然不高，而且机器鱼外壳用3D打印技术加工，加工精度一般，材料一般使用光敏树脂，材料较软，不耐刮擦，所以直接在壳体上开孔，远远不能满足密封要求。 因此，在壳体上开一个尺寸较大的孔，壳体与转轴通过一个铝套来连接，铝套先与转动轴装配完成，再与外壳固定（胶粘） 转轴与铝套之间的密封件选用性价比高、密封可靠的“格莱圈”。 装配时可以先将转轴与铝套装好，由于转轴与铝套间的密封件的弹力，可以实现铝套与转轴的自动同心。 然后将铝套与外壳粘牢即可。 铝套外径与外壳孔内径相差1mm，作为装配时的调整间隙。 密封说明：（1）704硅橡胶，固化后为软质材料；安特固AB胶固化后为硬质材料，受热软化。 两者均绝缘、防水，且所粘零件可拆卸。 （2）格莱圈由一个抗磨的填充聚四氟乙烯（PTFE）环和O形橡胶密封圈组成。 O形圈提供预紧力，可对PTFE方形环的磨损起补偿作用。 （3）鱼嘴处充电口密封：设计一个鱼嘴盖，其上有凹槽，用于安装O型圈，凹槽的尺寸按照相应的O型圈规格设计。 机器鱼密封部位汇总表密封类型密封部位密封方法材质或规格静密封壳体上所有螺栓孔胶封704硅橡胶观察孔胶封704硅橡胶天线孔胶封安特固AB胶充电接头安装孔胶封安特固AB胶开关线孔胶封安特固AB胶充电接头O型圈O型橡胶圈动密封胸鳍出轴处（两侧）尾鳍出轴处转动密封孔用旋转格莱圈外径 格莱圈实物图 格莱圈安装槽示意图 充电口防水帽为了美观，充电针安装位置比较靠里，因而插入鱼嘴盖后，空间比较狭小，不能直接徒手拔出，所以设计绳锁孔，绳索孔中穿入一根线并打结，作为拔出鱼嘴盖的引线，方便鱼嘴盖拔出。 充电插针凹槽的设计是为了避免插针与鱼嘴盖的干涉。 尾鳍设计单关节机器鱼的前进动力全部由尾鳍提供，而尾鳍能够产生的推力大小与其形状，大小、材质等特性有密切关系，因此，为了能够在机器鱼样机搭建成功以后做多组不同尾鳍的实验，本机器鱼样机中设计了一个尾鳍架。 尾鳍架短边的一端有一方孔，用于与转轴的方轴连接，尾鳍架的长边有两个螺栓孔。 而所有的尾鳍中均有对应的槽和螺纹孔，正好可以与尾鳍架配对，方便多组尾鳍实验的进行。 尾鳍模型尾鳍架与转轴通过方孔配合定位，然后用紧定钉固定，尾鳍架的下端的的螺栓孔用于与尾鳍架组合件连接，尾鳍架组合件的另外一段加工有的通孔，与壳体上的圆柱凸台配合，起到辅助支撑的作用。 若不加装此组合件，则尾鳍架将变为一个悬臂梁，不利于尾鳍结构的稳定性。 尾鳍架模型 其他附件设计 美观扣件设计为了使得机器鱼外观更加优美，特设计两个美观扣件。 美观扣件分上下两个，两件只是凹槽形状不同，其他均相同。 凹槽用于安放尾鳍架，曲面是为了与鱼身实现光滑过渡，以减小阻力，同时保持整个外形的美观。 装配时，上下两个美观扣件通过螺栓分别与尾鳍固定在一起。 机器鱼运行时与尾鳍架、尾鳍一起摆动。 （a） 美观扣件反面（b） 美观扣件正面 美观扣件模型 背鳍设计仿照真实鲤鱼背鳍外形设计背鳍，作用：1，可以辅助保持机器鱼的翻转稳定性；2，美化机器鱼外形。 背鳍分为前后两片，前背鳍中有一方孔，用于安放开关，后背鳍固定于鱼身上即可。 由于背鳍较薄，材料为树脂材料，较脆，易损坏，所以背鳍设计为可插拔式，若损坏，直接更换一个新的背鳍即可。 鱼身上部有三个子口，分别与背鳍上的三个圆柱凸台紧配，以固定背鳍。 本章小结本章通过分析计算，确定了主要部件的尺寸及型号，比如电机、舵机、格莱圈（密封件）的选择；并通过Solidworks软件对整个机器鱼系统所有需加工件进行了造型，然后对其装配体进行了干涉性检查并对胸鳍，尾鳍等部位做出了运动仿真。 零件在合理的运动范围内无干涉发生，可以正常运转，证明机械设计部分基本无问题，最后绘制需要机加工零件的二维设计工程图纸，需要光固化成型加工的零件绘制了STL格式的图形文件，并全部交付加工。 机器鱼三维模型装配图3 硬件电路设计与程序编写 硬件电路设计 供电系统设计机器鱼中需要供电的硬件有电机，电机驱动板，舵机、遥控器接收机、单片机， 各模块工作电压需求情况表需供电模块名称工作电压范围电机额定电压9V电机驱动板舵机遥控器接收机单片机512V电池供电电压要求：电机的额定电压为9V，考虑到稳压芯片的压降以及电池在使用过程中其输出电压会随使用时间的增长而下降。 因此，选用的电池输出电压应该12V左右。 电池容量要求：根据电池电量计算公式： 式中，C—电池容量； P—电池供电功率； U—电池输出电压； t—放电时间。 项目指标要求机器鱼续航时间t2h，除了电机耗电以外，还有控制板，电机驱动板、遥控器接收机、舵机以及稳压芯片等模块的用电损耗，将整个机器鱼的耗电功率按照两倍电机功率估算，并取整为4W，则电池的容量为： 同时，为了便于机器鱼防水密封，电池需安放在壳体内部，电池拆装不便，则要求电池可充电。 综上，电池选用输出电压12V，容量电池。 其中电池的材质没有要求，即可充电镍氢、镍镉、锂电池均可。 就目前的技术水平而言，充电电池做到12V，非常容易，但其形状一般为规则的长方体，（a）镍氢电池（b）锂电池 通用电池形状根据机器鱼的仿生设计要求，机器鱼外壳为光滑的曲面，而非规则的长方体。 同时，骨架上端虽然不安放零件，剩余很大空间，但是电池一般较重，放到鱼体的上部会使其重心上移，不利于其稳定性。 综上分析，电池只能布置于鱼身的中下部。 但是，由于市场中所现有的电池形状不适宜放入曲面外壳中，因而我们决定自己按照鱼壳外形设计制作一套电池组。 ，尺寸为， 电池形状说明电池组1的电池单元环绕电机布置，但是空间有限，只能布置7节，剩余3节电池组成电池组2，置于电池组1前，然后用导线将10节电池单元串联起来，组成一个12V的电池组，每节电池单元电池容量为900mAh，所以整个电池组的容量为900mAh。 装配时，先将电池组1与骨架通过胶带粘紧，将骨架装入鱼壳内，然后再放入电池组2，并将其与鱼壳粘牢。 电池单元可选用镍氢电池，镍镉电池，锂电池。 镍镉电池可重复500次以上的充放电，经济耐用。 其内部抵制力小，既内阻很小，可快速充电，又可为负载提供大电流，而且放电时电压变化很小，是一种非常理想的直流供电电池。 但是其最致命的缺点是，在充放电过程中如果处理不当，会出现严重的“记忆效应”， 使得服务寿命大大缩短。 镍氢电池是有氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。 锂离子电池是目前比较先进的电池，它具有能量密度高的特性，因此锂电池具备重量轻、体积小、容量大、无记忆效应等优点，但对充电要求很高，需要专用的充电器，过充电可能会导致漏液和爆炸，并且价格较贵。 综上比较可知，镍氢电池性能优越，价格便宜，与其他两种充电电池相比，属于性价比最高的电池，而且充电方便，因而选用镍氢电池单元作为供电电池组的基本单元。 ，电机的额定电压是9V。 镍氢电池的特点是电池刚充满时电压很高，当电量将耗尽时电压较低，存在电压不稳定的问题。 所以供电模块中必须使用稳压芯片。 稳压芯片根据工作原理主要有两种类型：串联型稳压和DCDC稳压。 ，并且能耗比较大，不过稳压后的电压平稳无杂波，且芯片价格便宜；而DCDC型稳压基本没有压降，能耗少，但稳压后的电压有轻微的高频干扰，并且芯片价格稍贵。 考虑到现有实验条件以及价格因素，选用串联型稳压芯片来提供两种不同的电压，5V用于给单片机和接收机、舵机供电，9V用于给电机驱动板、电机供电。 电机驱动模块选型方案一：采用L298N模块驱动，L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，其输出电流增大，功率增强。 其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。 但是其尺寸较大，不适宜放入鱼壳内部。 方案二：采用L9110模块驱动，L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件。 该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性。 同时该驱动模块较小，适宜放入鱼壳内部。 基于上述分析我们选择方案二。 L9110芯片的工作特性如下：低静态工作电流；宽电源电压范围：；每通道具有 800mA 连续电流输出能力；较低的饱和压降。