1、 单位代码 10006 学 号 分 类 号 TP242.6 毕 业 设 计 (论 文 )单关节尾鳍推进式仿生机器鱼的设计与研究学 院 名 称 机 械 工 程 及 自 动 化 学 院专 业 名 称 机 械 制 造学 生 姓 名 指 导 教 师 2013 年 6 月 北 京 航 空 航 天 大 学本 科 生 毕 业 设 计 （论文） 任 务 书、毕业设计（论文）题目：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）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：单关节尾鳍推进式仿生机器鱼是由电机、舵机及其控制部分组成的机电一体化仿生设备。1.功能指标：（1）完成前进、左右转弯和上浮下潜；（2）用遥
2、控器控制，三档调速；（3）电池可充电。2. 性能指标：（1）体积：300mm100mm150mm；（2）最大前进速度 200mm/s；（3）最大下潜深度 500mm；（ 4）续航能力 2h；（5 ）转弯半径400mm。 、毕业设计（论文）工作内容：1、了解国内外仿生机器鱼的研究现状，完成调研报告。 2、进行市场调研，完成电机、电池、舵机、遥控器等部件的选型。 3、对机器鱼各功能单元进行划分和设计，完成机器鱼机械结构的三维建模。4、完成需加工零件的二维图纸，并完成零部件加工。 5、零部件装配，调试及测试 。 6、完成多种尾鳍外形、多种频率的驱动效率的实验研究。 、主要参考资料：1于凯 .仿鱼推进
3、的实验研究J. 华中科技大学学报,2007, 35(11):117-121. 2刘军考 ,陈在礼 .水下机器人新型仿鱼鳍推进器J.机器人,2000,22(5):427-432 . 3梁建宏 .水下仿生机器鱼的研究进展 I鱼类推进机理J.机器人ROBOT,2002,24(2):107-112. 4 梁建宏.水下仿生机器鱼的研究进展 II小型实验机器鱼的研制J. 机器人 ROBOT,2002,24(3):234-239. 机械工程及自动化 学院（系） 机械制造 专业类 班学生 毕业设计（论文）时间： 2013 年 3 月 4 日至 2013 年 6 月 11 日答辩时间： 年 月 日成 绩： 指导
4、教师： 兼职教师或答疑教师（并指出所负责部分）：系（教研室） 主任（签字）： 注：任务书应该附在已完成的毕业设计（论文）的首页。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 I 页本人声明我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。作者： 签字：时间：2013 年 6 月北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 II 页单关节尾鳍推进式仿生机器鱼的设计与研究学 生： 指导老师： 摘 要本文模仿自然界中真实鱼类尾鳍摆动模式，自主设计研发一套单关节尾鳍推进式的小型机器鱼系统，满足设计功能和性
5、能指标，其具人机进行交互性和观赏性。整个设计过程分为机械结构设计，软/硬件设计。本文借助三维设计软件Solidworks 进行机械结构建模，并对机械结构做干涉检验以及运动仿真，借助 Arduino集成开发编译环境，编写控制程序，并选用配套硬件电路板完成电机控制、遥控通信等任务。经多次实验优化，最终开发出较高推进效率的尾鳍，并测试高效尾鳍推进下机器鱼的最大航行速度、转弯半径、最大上浮/下潜速度等性能指标，同时选用合适的遥控通信技术，实现了机器鱼在一定水深范围内的自由遥控控制。此外，对机器鱼外壳做了美化处理，并对其他项目指标进行测试，如浸泡密封测试、续航时间测试等。测试表明，所有功能和性能均满足设
6、计要求。关键词：机器鱼，观赏型，遥控，尾鳍推进北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 III 页Design and Research on a Biomimetic Robotic Fish with Single-joint Actuation Propelled by Caudal finAuthor: Tutor: AbstractImitating the style of the motion of fish mail in nature, this paper design and develop a single joint tail fin-prop
7、elled small robotic fish system. To meet the design specifications of the premise, it has a certain man-machine which is interactional and ornamental.The whole design process is divided into mechanical design, software and hardware design. The three-dimensional design software Solidworks is used for
8、 mechanical structural modeling, interference check and motion simulation tests. Arduino integrating development environment is used for compiling and writing controlling procedures and hardware circuit board is selected to complete motor control, remote communications and other tasks.After repeated
9、 experiments optimization, the high propulsive efficiency tail fin is designed at last and maximum sailing speed, radius of turning circle ,the maximum floating and diving speed of robotic fish under the promote of caudal fin is tested. At the same time, we use the appropriate choice of remote commu
10、nication technologies to achieve free remote control of the machine fish when the depth of the water is certain.Additionally, the robot fish shell is landscaped and other items are tested, such as immersion test that under water for a long time and the test of the continuation of the journey. Testin
11、g shows that all items meet the requirements. Key words: Robotic fish, Ornamental, Remote control, Caudal fin propulsion北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 IV 页目 录1 绪论 .11.1 课题背景及目的 .11.2 国内外研究现状 .11.2.1 国外研究现状 .11.2.2 国内研究概况 .21.3 课题研究方法 .31.4 论文构成及研究内容 .32 机器鱼机械结构设计 .52.1 鱼类推进机理分析 .52.2 驱动器的选择 .52.3
12、驱动机构的选择 .62.4 驱动器的选型 .82.4.1 电机的选型 .82.4.2 舵机的选型 .102.5 整体机械结构的设计 .112.5.1 尾鳍驱动机构设计 .112.5.2 胸鳍驱动机构设计 .122.6 机器鱼的外壳设计 .132.6.1 外形设计 .132.6.2 壳内结构设计 .152.7 密封设计 .162.8 尾鳍设计 .182.9 其他附件设计 .182.9.1 美观扣件设计 .18北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 V 页2.9.2 背鳍设计 .192.10 本章小结 .193 硬件电路设计与程序编写 .213.1 硬件电路设计 .213
13、.1.1 供电系统设计 .213.1.2 电机驱动模块选型 .233.1.3 遥控器的选择 .243.1.4 主控板选择 .253.2 程序设计 .263.2.1 运动模式分析 .263.2.2 程序编写工具 .263.2.3 程序模块划分 .273.3 本章小结 .294 零部件装配及调试 .304.1 机械结构装配调试 .304.2 程序调试 .304.3 系统总装配调试 .324.3.1 机器鱼配重 .324.3.2 最大直游速度测试与改进 .334.3.3 其他游动性能测试 .384.4 本章小结 .39结论 .41致谢 .42参考文献 .43北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设
14、 计 (论 文 ) 第 1 页1 绪论1.1 课题背景及目的在能源日益短缺的今天，各国都在寻找提高能源利用效率的方法。在船舶行业，螺旋桨推进是当下最普遍的推进方式，但螺旋桨在水中转动时，侧面会产生涡流，增加动力消耗，降低游动速度。另外，螺旋桨式推进器一般通过改变舵角实现转弯，结果往往是转弯半径大，机动性差。水下螺旋桨推进式探测器同样亦存在推进效率低，机动性差，隐蔽性差等缺陷，而且螺旋桨容易被水藻等水生植物缠绕，导致桨叶受损，甚至螺旋桨无法运转。反观鱼类，作为自然界最早出现的脊椎动物，经过亿万年的物竞天择，进化出非凡的水中运动能力。与人工的水中或水下航行器相比，鱼类的游动具有推进效率高、隐蔽性好
15、、机动性好等优点 1,2。伴随仿生学和机器人技术的发展，仿生机器鱼的研制与开发已具备了先决的技术条件，目前，仿生机器鱼已成为水下航行器的一大重要研究方向，其良好的机动性、节能性、隐蔽性，具有重要的研究价值和应用前景。1.2 国内外研究现状国内外开展机器鱼的研究由来已久，不过从仿生学的角度设计机器鱼实体，方始于上世纪九十年代。随着电子技术与材料科学的发展，机器鱼的设计越来越成熟，以下对小型机器鱼的研究现状做一个简单的综述 3,4,5。1.2.1 国外研究现状1. 2000 年，日本国家海洋中心为了研究机器鱼的转弯原理，开发了 PF-300。该鱼长约 0.34m，头部中电池组与伺服电机各一个。另一
16、个伺服电机位于尾部。用木头做成漂浮于水面的天线，可以与外界实现无线通信，如 图 1.1 所示。北 京 航 空 航 天 大 学 毕 业 设 计 (论 文 ) 第 2 页图 1.1 PF-300 机器鱼2. 2003 年，英国 Essex 大学机器鱼课题组开始研制一系列机器鱼，主要工作集中在实现仿鱼游动，特别是非稳定游动方面。机器鱼身长 52cm，采用多电机多关节尾部结构，通过对多电机协调控制，使得该机器鱼的游动姿态与真鱼极其相似。 图 1.2 为机器鱼 G9 的实物图。图 1.2 Essex 大学 G9 机器鱼1.2.2 国内研究概况1.图 1.3 为北京大学工学院于 2001 年开发的机器鱼，鱼体长约 45cm，整个鱼身有四个关节串联而成，可以更真实的模拟鱼的运动姿态。前侧鱼鳍控制机器鱼沉浮。鱼体中安装了摄像头与压力传感器，便于进行控制与信息采集。图 1.3 北京大学机器鱼2. 哈尔滨工程大学郭书祥教授课题组于 2008 年攻克了水中微型机器人的核心技术
