机器鱼 毕业论文 - 图文(5)

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 机器鱼机械结构设计

轴套虽然能够防水，但对于长期浸没在水下的机器鱼，防水效果并不理想，时间久了会产生渗水现象。弹性橡胶套的防水效果较好，它是将运动部件安全包覆在有弹性的橡胶套中，将运动部件转换为固定部件，缺点是弹性橡胶套会对运动部件产生一定的弹性阻力，虽然有缺点，但防水效果对机器鱼更加重要，所以目前对于机器鱼的防水大多采用此种结构，同时为了减少弹性阻力，很多机器鱼将弹性橡胶套做成了褶皱状，弹性阻力有所降低。

本机器鱼为了更方便的进行防水以及进行模块化的设计，将整个鱼体分为三部分。头部和中部分别防水，尾部无需防水。

因为头部中不含有运动部件，所以可以采用密封胶和橡胶垫片进行防水。在头部中安装传感器、充电接口和开关的部分，在所打孔处用密封胶进行防水。对于鱼头后部用来安装电路板的大开口处，使用橡胶垫压紧进行密封，密封效果较好，且容易拆装。控制线与电源线的引出线也用密封胶进行密封，这样头部的密封就完成了。如图2.9

图2.9 头部防水结构实物图

对于中部，我们采用利用橡胶套，整体将所有运动部件密封到内部的方法。因为鱼体中部呈圆柱状，比较容易加工，只要将两头密封，整个中部就可以防水。对于橡胶套两头的密封，我们采用的仍然是使用橡胶垫压紧的方法，比较容易拆装且密封效果好。

通过将压紧橡胶的垫片加工出特殊的结构，即可使用螺钉将头部与中部，中部与尾部连接起来，连接结构如图2.10和2.11所示，这样就形成了机器鱼整体。

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图2.10 头部连接结构效果图

图2.11 整体连接结构效果图

2.3 机器鱼外观设计

因为我们设计的机器鱼主要用于观赏目的，所以对于外观的要求较高，有两个方面需要主要，一方面是外形曲线，另一方面是蒙皮装饰。

2.3.1 支架与肌肉

头部与尾部的外形曲线可以通过改变铸造用的模具外形来实现，而中部在未经处理之前主要是长方体状。为了产生观赏鱼的中间粗两端细的曲线，我们采用增加支架，并且在支架上架设弹性硅胶的方法来实现。

通过在舵机的固定架上和U型框上打孔，并在孔上安装不同长度的立柱，可以塑造出各种需要的曲线。通过这种方式进行曲线设计比较简单，调整方便。支架安装的位置要比较合理，在鱼体曲线的最高点一般需要安装支架。由于支架上安装的硅胶棒弹性较好，所以支架数量无需太密集，我们采用的是上下分别安装

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四个支架。具体结构如图2.12所示

图2.12 支架安装效果图

机器鱼的肌肉主要是为了使外形曲线更平滑，以及将密封用的橡胶套支撑起。通过支架形成的外形曲线是由分段的直线组成，平滑性较差。而通过在支架上架设有弹性的硅胶棒，可以形成一条相当平滑的曲线。同时，弹性硅胶棒对于机器鱼摆动时关节的转折也具有平滑的作用，可以将关节的直接转角在外部效果上转变为曲线的过度。示意图如2.13所示

图2.13 硅胶棒平滑作用示意图

因为机器鱼的中部完全使用橡胶套密封。而橡胶套本身没有塑形能力，所以，通过硅胶棒还可以将橡胶套支撑起，使其避免接触到内部金属部件，防止刮破。鱼体上下侧的曲线主要通过支架加硅胶棒来塑造，两侧的曲线则主要通过在舵机固定架上覆盖有弹性的海绵来实现。使用海绵还会使机器鱼触感柔软，同时，海绵可以吸水，对于意外情况下橡胶套渗水时也可以产生临时的保护作用，避免内部元件被快速损坏。

2.3.2 蒙皮

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通过支架与肌肉可以设计出机器鱼的基本外形曲线，但是对于观赏型机器鱼来说，外部装饰同样十分重要。

对于蒙皮的设计，我们首先使用弹性布料根据机器鱼的外形曲线裁剪出相应的形状，并将其缝合起来，相当于为机器鱼量体制作了一件衣服。为了穿脱方便，可以在下部不明显的地方安装拉链。在弹性布料上，我们缝制上鱼鳞状的反光塑料片。缝制塑料片有两方面的好处，第一，塑料片与真实的鱼鳞效果相似，可以更真实的模拟鱼类的外观形态；第二，机器鱼的外蒙皮在鱼体摆动弯曲的时候会产生褶皱，鱼鳞因为是经层叠缝制而成，可以将褶皱遮挡住，进一步美化了机器鱼的外观。

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重庆大学本科学生毕业设计（论文） 3 硬件设计

3 硬件设计

3.1 电源

电源是机器鱼硬件构成的重要组成部分。考虑到机器鱼需要在水中自由游动的特点，不便采用外接电缆供电，而应该使用电池供电[8]。

对于供电电池，有多种选择，在类别上分为不可充电电池和可充电电池。不可充电电池需要经常更换，更换不方便且不环保，所以一般采用可充电电池。充电电池根据工作原理有多种，主要有镍镉电池，镍氢电池，锂电池，铅蓄电池。镍镉电池是较早出现的一种可充电电池，单体电压为1.2V，优点是自放电率较镍氢电池低、内阻小、价格相对便宜；缺点是容易产生记忆效应，并且电池容量不大。镍氢电池是一种新型的高容量可充电电池，他的很多特性与镍镉电池相同，性能优于镍镉电池，可望代替传统镍镉电池。镍氢电池的单体电压也为1.2V，常见型号与镍镉电池相同。它的优点是单体电池容量大、内阻低、基本没有记忆效应；缺点是自放电率较高。可充电的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，使锂电池具备重量轻、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。铅蓄电池主要用在需要大容量电池的场合，不过一般铅蓄电池体积都比较大，不适合使用。

在机器鱼的设计中比较合适的是镍氢电池和锂电池。不过为了安全考虑，我们最终选择了镍氢电池作为机器鱼的电源。由于在机器鱼系统中，单片机的供电电压是4.5-5.5V，舵机的供电电压是4.8-7.2V以上，所以我们采用6节电池串联来供电。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。舵机对于电压的耐受范围较宽，可以不予考虑，但是单片机需要比较稳定的电压，所以需要将电池电压经过稳压后再供应给单片机。用于通信的无线模块，其工作电压为3.3V，同样不能直接使用单片机的5V电压，需要经过另一个稳压芯片将电压降至3.3V后才可以使用。

稳压芯片根据工作原理主要有两种类型：串联型稳压和DC-DC稳压。串联型稳压芯片一般需要有1.5V以上的压降才能正常工作，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DC-DC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。为了尽量降低电路的功耗，我们优先采用DC-DC稳压芯片。经试验，该芯片产生的电压可以完全满足单片机正常工作的要求。在产生无线模块使用的3.3V电压时，采用的是比较便宜的串联稳压芯片，经试验可以完全满足无线模块工作要求。具体电源电路设计如图3.1和3.2

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