机器鱼 毕业论文 - 图文(4)

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 机器鱼机械结构设计

判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。舵机是一种角度伺服电机，体积较小，输出转矩较大，控制方便（使用PWM波直接控制），价格便宜，能够满足机器鱼的设计要求。我们所选用的舵机外观如图2.3所示

图2.3 舵机实物图

以下为其具体参数： 产品型号：辉盛MG996R 产品净重：55g

产品尺寸：40.7*19.7*42.9mm 产品拉力：11kg/cm(6V) 反应速度：0.14sec/60degree(6V) 工作电压：4.8-7.2V 工作温度：0℃-55℃ 齿轮形式：金属齿轮 工作死区：5us

2.2 机器鱼机械结构设计

2.2.1 自由度选择与分段设计方案

现有的机器鱼自由度设计方案中，最简单的为单自由度，复杂的可以达到六个自由度以上。一般来说，自由度越大，鱼体运动的平滑性就越好，对真鱼的模拟效果也更好。但自由度越大，体积就会相应越大。同时，自由度增加，各个关节之间的协调控制也更加困难，也就导致控制难度的增加，在控制水平达不到的情况下，其真正的运动效果并不理想。

单关节机器鱼的结构虽然简单，但运动姿态过于生硬，因此不予采用。两关节机器鱼，可以较好的模拟鱼类的运动姿态，控制上也比较简单，因为关节较少，

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体积可以压缩到一个可承受的范围内，因此，最终选择两个关节作为我们机器鱼的设计方案。

在机器鱼的设计中，密封防水一直是一个比较严重的问题。为了解决防水问题，并且使机器鱼系统设计更具有模块化的特点，我们采用了三段式的设计方法。整个鱼体可以分为头部，中部和尾部。头部中主要放置传感器，控制器以及无线通信模块。中部主要放置舵机与电池，并包括传动与固定机构。尾部采用弹性材料铸造而成，为实心结构。头部和中部分别密封，尾部没有需要防水的部件，无需密封。头部的控制器与中部的电机与电池直接采用五根导线连接，可以完成充电，供电，控制等全部功能。这样只需要头部与中部的导线接头处做好防水，而这种防水相对于整体防水而言是较为简单的。

2.2.2 头部设计

鱼的头部中主要放置检测障碍物用的传感器，控制电路与无线通信模块。因此要求内部有比较大的空间，整个鱼的头部应该设计成空壳形式的。为了外形美观，我们将无线通信模块放置在鱼头内部，为了减少对信号的屏蔽，鱼头在不漏水的前提下应该尽量的薄。鱼头内的元器件对水都非常敏感，严重情况下可能会导致电路短路，造成不可挽回的损害。因此，鱼头部的防水非常重要。

因为鱼头内部需要放置无线通信模块，所以头部不能整体使用金属加工而成，那样会阻碍信号的传播。为了美观考虑，鱼头整体应该是流线型，符合大多数鱼类的外形结构。虽然在设计上，曲面造型并不是特别困难，但是数控加工的成本较高。为了节约成本，我们可以手工切削鱼头外形轮廓，并使用石膏制作内外模具，最后使用快速成型树脂浇注，制作出我们需要的外形。

鱼头上的传感器应该安装在鱼头的外部，这样才能准确检测到障碍物。为了将传感器信号引入，应该在鱼头上打孔。并且，为了可持续使用已经控制方便，鱼头上还要加工开关孔与充电孔。这些孔都要求完全密封防水。

为了方便拆装电路，鱼头的后部应该有较大的开口，这样可以方便的安装电路板与无线模块。为了方便拆装，电路板与各种导线的连接采用插接件。虽然开口大便于拆装，但防水也较困难些。对于大面积开口，可以采用压垫片的方式防水。由于头部采用树脂浇注而成，材料强度较低，如果直接采用压垫片的方式，会损坏鱼头，所以我们的设计是将鱼头通过密封胶粘接到一个铝合金垫片上，再压垫片进行防水。鱼头的设计如图2.4所示

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图2.4 鱼体设计实物图

2.2.3 中部设计

鱼体的中部主要放置舵机与电池，以及传动与固定机构。因此，鱼体是机器鱼中最主要的部分。关节的设计位置，电机的安装位置，都会影响机器鱼的游动姿态。并且舵机与电池也属于不防水器件，所以，设计好机器鱼的中部非常重要。

在固定舵机时，我们选用了现成的铝合金管材，通过简单的切削与打孔，即可很合适的安装我们的舵机，同时，通过调整管材的长度，可以很方便的调整两个关节之间的距离。加工后的铝合金管材效果图如2.5所示

图2.5 铝合金管材效果图

管材的上面切出两个方孔，用来安装舵机，方孔的两端打孔，用来固定舵机。在舵机轴对应的下表面，打一个孔用来安装关节轴承，用来减少摩擦损耗。

为了结构上的简单，直接将舵机的输出轴作为鱼体的关节。传动机构采用U

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型框，具体结构如图2.6所示

图2.6 Ｕ型框效果图

通过查阅资料得知，对于大多数鱼类来说，身体的可弯曲部分一般都在鱼体总长度的1/2之后，前面部分的姿态基本上是固定的，这样可以增加鱼类游动时头部的稳定性，对于提高效率也有比较大的作用。所以，通过调整舵机的安装方向，将旋转轴尽量后移。U型框的一侧用螺钉固定到舵盘上，另一侧用轴承固定到管材下表面与舵机轴对应的安装孔上，即可将舵机的转动传递出来。安装结构如图2.7所示

图2.7 安装结构效果图

鱼体的中部使用这种方法进行设计，结构简单，成本低，安装方便。并且可以满足我们对机器鱼自由度的要求。

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2.2.4 尾部设计

通过观察鱼类的游动姿态，发现鱼尾部应该具有一定的柔性。因为我们设计的是两关节机器鱼，运动姿态不是特别真实，但是通过柔性尾部在水阻力作用下的被动运动，相当于增加了一个被动自由度，可以使鱼的游动姿态更加真实。

为了使尾部具有柔性，我们采用有弹性的材料硅胶进行铸造。首先手工削制鱼尾模型，然后使用石膏制作模具，最后使用双组份的硅胶混合后进行铸造。最终铸造出的鱼尾弹性较好，安装在鱼体上在水中摆动时，后可以较好的在水流的阻力下被动运动，与真鱼的运动姿态比较相似。

2.2.5 鱼鳍设计

鱼鳍对于鱼的运动有极其重要的作用，尤其是尾鳍，合理的尾鳍可以大幅增加推水效率，提高前进速度。背鳍和腹鳍对于鱼体的稳定有帮助作用。由于我们设计的机器鱼体积限制，鱼体中未加入重心调整及沉浮装置。为了控制机器鱼的沉浮，可以通过调整胸鳍的倾角来实现。原理与飞机飞行原理相似，当鱼具有前进的速度时，有倾角的鱼鳍将会产生浮力，浮力的大小与速度有关。所以当速度小时，机器鱼就会下沉，速度大时，机器鱼就会上浮。

为了真实的模拟鱼鳍，我们采用具有一定硬度的塑料片经裁剪而成。通过对鱼鳍的外形进行设计，还可以达到美化外观的效果。尾鳍的实物图如2.8所示

图2.8 尾部与尾鳍实物图

2.2.6 防水结构设计

在机器鱼的结构设计中，密封防水是一个非常重要的问题。对于固定件的防水方法比较简单，可以通过密封胶或橡胶垫片来进行防水。而对于运动部件，通常使用的防水方法包括防水轴承，防水轴套，以及使用弹性橡胶套。防水轴承和

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