重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论
图1.12 Essex大学G9机器鱼
图1.13 Essex大学MT1机器鱼
而MT系列机器鱼则是采用单电机、多关节的尾部结构，采用5个参数的控制算法实现机器鱼的三维游动，如图1.13。MT1长约0.48m，重约3.6kg，平均前进速度约为0.4m/s，当采用20度的击水角时，下潜速度为0.021m/s，上升速度为0.022m/s。
1.2.2 国内研究概况
1. 北京航空航天大学从1999年开始研究机器鱼，为国内最早。2002年，为了进行新型水动力布局的游动稳定性研究，确定尺寸和速度的关系，北航机器人研究所研制了SPC-1机器鱼。该鱼长约1.9m，重约156kg，在频率2Hz时可达最大速度1.5m/s，最小转弯半径为一倍体长。利用这款机器鱼，北航对太湖水质进行了检测。2003年，北航对SPC-1机器鱼进行了改进，研了SPC-2机器鱼，性能较改进前有所提高。并将其用于郑成功古战船遗址的水下考古探测。如图1.14和1.15
图1.14 北航机器鱼SPC-1
图1.15 北航机器鱼SPC-2
2. 北京大学从2001年开始研究机器鱼，其设计的游龙系列机器鱼运动灵活，鱼体长约45厘米，驱动器包含四个舵机，可以更真实的模拟鱼的运动姿态。前侧鱼鳍可以控制机器鱼沉浮。鱼体中安装了摄像头与压力传感器，可以获取大量外
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部信息，便于进行控制与信息采集。如图1.16和1.17
图1.16 北京大学机器鱼
图1.17 北京大学机器鱼结构图
3. 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——离子聚合物ICPF的制作工艺，成功研制出生物型驱动器——像肌肉一样可以柔性弯曲的驱动器，同时此驱动器还具有传感器功能，由此奠定了水下微型仿生机器人的研究开发基础。2011年，哈尔滨工程大学利用ICPF研制的微型机器鱼参加了“十一五”国家重大科技成就展，该鱼的设计理念是将控制电路板作为鱼的骨架，这种结构改变了传统的设计理念，将机器鱼分成鱼身、尾鳍、胸鳍3部分。该鱼长约9cm，宽约5cm，厚约3cm，重约60g，却可以相当逼真的模拟鱼的游动姿态。如图1.18和1.19
图1.18 微型机器鱼
图1.19 微型机器鱼结构
1.3 课题设计目标
通过对鱼类的体型与运动模式进行模仿，设计并制作机器鱼的本体，并设计其控制系统软硬件，并最终进行下水实验，使其可以实现水中自由游动。
主要在以下几个方面开展研究：
（1）设计机器鱼的机械结构，主要包括自由度的确定，传动机构的设计，以及防水机构的设计。
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（2）设计机器鱼的外观。主要实现方法是通过内部支架与弹性肌肉配合外部蒙皮，达到所需的外观曲线，并且有比较美观的效果。
（3）设计机器鱼的硬件电路，主要包括电源模块，驱动模块，控制模块，检测模块以及无线通信模块，先对各模块进行分部分调试，最终将其整合到一起进行综合实验，当达到预期效果后进行电路板印制。
（4）选择机器鱼的运动模型，编写控制算法，使其可以控制机器鱼按合理的姿态运动，并达到良好的运动效果。
（5）对机器鱼进行下水实验，观察设计的效果，获得实验数据，并针对不合理的地方进行改进，最后对实验结果进行分析。
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重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 机器鱼机械结构设计
2 机器鱼机械结构设计
2.1 机器鱼驱动源选择
在进行机械结构设计之前，首先要选择合适的驱动源。这样才能为相应的驱动源设计其传动及支撑机构。目前驱动源主要包括两大类，一类是传统驱动，另一类是功能材料驱动[6]。
传统驱动主要包括电机驱动，液压驱动与气压驱动。传统驱动一般来说体积都较大，难以用来设计微型机器鱼，但是材料容易获取，在一般机器鱼的设计中使用较多。
1. 电机驱动。利用电机产生力矩，直接或经减速机构驱动机器鱼关节。它的特点技术成熟、精度较高，成本低。为提高精度，可以使用伺服电机。目前研制出的机器鱼， 使用电机驱动的方式最多。不过，电机驱动也有它固有的缺点，那就是体积大，重量大，驱动关节时需要传动机构，体积上难以缩减，比较难以用来设计微型机器鱼。
2. 液压驱动。液压驱动器的输出力矩与重量比最大、反应灵敏、承载能力大，比较适合于低速大力矩场合。不过液压驱动需要一个恒压泵，并且移动件容易漏油，可能会污染水环境。不适合用在机器鱼之中。
3. 气压驱动。利用气缸可以实现高速直线运动，利用空气的可压缩性容易实现力控制和缓冲控制。但由于空气的可压缩性，高精度的位置控制和速度控制都比较困难，驱动刚性比较差。并且在汽缸排气的时候产生的噪音比较大，在水下的情况下，还会产生大量的气泡，不适合利用在机器鱼的设计之中。
功能材料驱动主要包括形状记忆合金、压电陶瓷以及人造肌肉。功能材料一般体积都较小，驱动力与重量比较大，可以用来设计微型的机器鱼，鱼体长度可缩减至几厘米。但是对于功能材料的研究还处于比较初级的阶段，材料难以获取，所以只有少数有条件的实验室进行试验性研究。
1. 形状记忆合金。这种合金在发生了可塑性变形后，经过合适的加热过程，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应。形状记忆合金驱动力与重量比较大，变形量较大，驱动结构简单，在大多数情况下可以省去传动机构，驱动电压较低，并且对环境无污染。但是它也有固有的缺点，例如在重复运动过程中记忆效应会退化，并且由于目前对该材料的研究还比较初步，材料难以获取，价格昂贵，所以一般机器鱼设计中不太适用。
2. 压电陶瓷。压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。这是一种具有压电效应的材料，所谓压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加
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激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。通过对压电陶瓷的逆压电效应进行利用，对其施加电压，即可以用来对机器鱼进行驱动。压电陶瓷的变形精度高，响应非常快，但是也有它的缺点，首先当形变增大时，输出的力矩较小，并且对外界的力的变化敏感。其次，压电陶瓷的型变量很小，一般不超过千分之一，需要增加位移放大机构，最后，压电陶瓷要求的驱动电压较高，达到100V以上，并且压电陶瓷材料也不容易获取，价格较高。
3. 人工肌肉。人工肌肉由导电高分子材料集束在一起制成的像肌肉一样的复合体，通过电流激活高分子材料中的离子或电子，使之完成伸缩、折曲的动作，控制电流强弱可调整离子或电子的多少，从而改变其伸缩性。如图2.1和2.2所示。它的特点是能耗低、无噪声、质量轻，形变量大。不过对其的研究还处于初期阶段，距离实用化还有一定距离。
图2.1 人工肌肉工作示意图
图2.2 人工肌肉工作原理
综合成本因素与技术成熟因素方面考虑，我们最终选择了使用电机作为驱动源。电机按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。在机器鱼系统中，交流电源难以获取。只能选择直流电机。直流电机又可分为有刷电机和无刷电机，无刷电机是一种比较新型的电机，因为没有电刷结构，寿命很长，并且其驱动力矩也很大。不过，无刷电机工作时需要专用的驱动电路，且驱动电路体积较大。同时，无刷电机的额定转速一般为3000转每分，为了实现低速大力矩驱动，需要安装大比例减速器，这样就大大增加了电机的体积与重量，所以无刷电机主要在设计大型机器鱼的时候使用，不适合用于我们的小型机器鱼之中。
普通直流电机和无刷电机类似，仅仅省去了驱动电路部分，体积仍然很大，考虑到机器鱼的体积限制以及所需力矩并不太大，有一种电机正好符合要求，那就是舵机。
舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成[7]。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的 IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，
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