无线控制的机器鱼硬件结构设计(附件)
当代科技发展发展迅猛，现实生活中机器人已不罕见。机器人的研究多种多样，其中仿生类机器人十分火热。尤其是近些年来，陆地资源日渐枯竭，人们加速了对资源丰富的海洋的开发，因此，促进了对水下仿生机器人的研究。本文论述的就是仿生机器鱼，它具有很大的学习、设计和研究价值。首先阐述了一些基本概念以及国内外研究状况和应用。然后，对本文中无线控制仿生机器鱼的仿生学原理、驱动装置、结构设计、控制电路等模块进行了设计。其中，结构部分介绍了关节、鱼尾、鱼头、和重心控制。控制电路中包含了无线通讯、避障等应用扩展设计。另外，本设计中还包含了一些仿生学内容，针对生物鱼的结构特点、鱼身比例和游动频率来设计机器鱼的身体结构、编写鱼的游动程序，这样就使得机器鱼的外观和水中运动更加美观合理。在本次设计中，由于人员技术等方面还有些欠缺，所以设计本身有许多需要改进的地方。因此，在论文最后会提出机器鱼的改进和提高，根据当前设计提出机器鱼以后的发展前景。关键词：仿生机器鱼；机械构件；红外传感器；控制电路；蓝牙模块目 录
第一章 绪论 1
1.1概况 1
1.1.1机器鱼的定义及分类 1
1.1.2机器鱼的发展史 2
1.1.3机器鱼的研究目的及意义 3
1.2仿生机器鱼的研究现状 4
1.3 本次设计的任务与主要内容 7
1.4本章小结 7
第二章 仿生机器鱼运动部分设计 8
2.1 机器鱼的仿生学基础 8
2.1.1概况 8
2.1.2鱼类游动的物理原理 8
2.1.3运动学模型 10
2.2机器鱼的驱动装置 12
2.2.1舵机（微型私服马达）的内部结构 12
2.2.2微型伺服马达的工作原理 13
2.2.3伺服马达的控制 13
2.2.4选用的伺服马达 14
2.3仿生机器鱼执行机构设计 15
2.3.1机器鱼的外观 15
2.3.2鱼头设计 15
2.3.3鱼身设计 17
2.3.4鱼尾设计 18
2.3.5 防水设计 20
2.4仿生机器鱼的制作过
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
作原理 13
2.2.3伺服马达的控制 13
2.2.4选用的伺服马达 14
2.3仿生机器鱼执行机构设计 15
2.3.1机器鱼的外观 15
2.3.2鱼头设计 15
2.3.3鱼身设计 17
2.3.4鱼尾设计 18
2.3.5 防水设计 20
2.4仿生机器鱼的制作过程 21
2.5 仿生机器鱼的功能实现 23
2.6本章小结 24
第三章 控制电路设计 25
3.1 元件的选择 25
3.1.1 电阻 25
3.1.2 电容 25
3.1.3 STC89C51RC单片机简介 25
3.2机器鱼的电路设计 28
3.3拓展功能 30
3.3.1红外避障传感器 30
3.3.2无线通讯模块 32
3.4 本章小结 34
第四章 调试和下水试验 35
4.1 机器鱼水下实验 35
4.2 机器鱼外观调整 37
4.2.1鱼头 37
4.2.2 鱼身 38
4.3 硬件电路调整 39
4.4 本章小结 39
第五章 总结 40
致 谢 42
参考文献 43
第一章 绪论
1.1概况
1.1.1机器鱼的定义及分类
机器人技术可以说是人类20世纪最伟大的发明之一，“robot”一词最初出现在1920年捷克作家卡雷尔的科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》中，1950年，美国作家阿西莫夫在其科幻小说中首次使用了“Robotics”一词即“机器人学”，并提出了著名的“机器人三原则”。然而经过几十年的发展，机器人的定义依然仁者见仁智者见智，并无明确定义，这也正给人类提供了充分的创作空间。模仿人类或其他生物的运动和功能一直是机器人领域的重要目标，由此引申出了仿生机器人学。随着人类对海洋资源的重视和开发，衍生出了仿生机器鱼的概念，作为仿生机器人大家族中的一员，机器鱼的研究以模仿自然界鱼类的快速型、高效性、低噪声等特点为目标，制造出了外形、游动运动和功能与鱼类类似的机器鱼。它参照了鱼类游动的推进机理并利用机电元器件或智能材料来实现水下推进。但无论是从结构还是功能上来看，机器鱼都只能说是部分复制了生物鱼。仿生机器鱼可以进行长时间大范围高效率的水下作业，可用于海洋资源勘探、生物考察、环境监测、军事等领域，并且能很好地和周围环境及生物鱼融为一体，很难被雷达探测，具有隐身的特点。目前许多国家都开始重视新型仿生机器鱼的研究和开发，取得了不错的成果。
目前国内外对机器鱼的研究已有一定成果，目前机器鱼也出现了各种各样的款式，下面分别按照推进模式、体积和驱动方式的不同来大概介绍一下：
按机器鱼推进方式分类
自然界的鱼类多种多样，无论从外形还是游动模式上都十分繁多，在游动时间上可分为周期性运动和瞬时运动。自然界的鱼类为了适应自然环境，进化出了许多运动形式，例如游动、升潜、滑翔、射流反冲推进等等。依据主要用的部位，主要分成身体/尾鳍模式（BCF）和中央鳍/对鳍模式（MPF）。BCF模式主要包括了鳗鲡式、鲹科模式、鲔科模式及箱鲀科模式。该模式是如今大多数鱼类使用的推进模式，他的特点是能实现长时间连续、快速、高效的水下游动。MPF模式只有少数约15%的鱼类使用，主要分为鳐目模式、刺鲀科模式、电鳗背鳍/臀鳍模式以及鳞鲀科模式。而使用BCF模式推进的鱼类用背鳍、胸鳍、臀鳍、腹鳍这些其他鱼类只用来辅助游动的部位作为主要推进部件。这种模式的游动速度比较慢，但它也有稳定性好、机动性较高的特点。
波动式和摆动式是机器鱼按照运动特征的分类方法。前者是鱼在游动时推进结构有明显大振幅波动，后者则是主要推进部分绕基体转动，且外观上看来并无波状感。相对于后者来讲，前者的机动性较好但效率较低。摆动式具有高效率，该游动方式适用于长时间长距离的运动，但有机动性较差的缺点。一般纯波动式是指机器鱼游动时的推进波数>=1，而纯摆动式则<0.5。这两者之间的推进方式都包含在了BCF和MPF这两个模式之中[2]。
按体积
从该角度来说，能分为典型的常规型和微小型。其中，常规型机器鱼研究旨在设计一种快速、高效且可操纵的水下推进装置，微小型机器鱼由于体积小灵活性高等特点，能在复杂水况中作业，具有很强的适应性。但目前由于各方面的诸多困难，这类机器鱼还有待进一步开发。
按照驱动方式
目前可分为两类，其中常规的一种是用液压及电磁马达等作为驱动原件，比较新颖的一种则采用了智能材料，比较常见的是压电陶瓷、形状记忆合金、特殊发电机等特殊驱动元件驱动。
1.1.2机器鱼的发展史
机器人产业形成以来发展迅速，仿生型机器人尤为热门，其中仿生机器鱼是近十几年才出现的新兴分支，但人类对鱼类推进模式的研究却在很早以前就开始了。希腊学者亚里士多德在《动物史》中就描述了鱼类的构造、繁殖、洄游等内容。20世纪90年代以前，人类还停留在对各种基础理论的探索阶段，90年代以后，随着高新科技的发展和进步，人们开始了真正的机器鱼的研制。世界上第一条严格意义上的机器鱼出现在美国，这条名为“Robotuna”的著名机器鱼1994年在麻省理工学院（MIT）诞生。它的研究目的是突破当时水下推进器低效、工作时间短、速度慢的弊端。Robotuna长约1.2米，游动速度可达2米/秒。它通过躯体和尾鳍来游动，在水中能像真鱼
第一章 绪论 1
1.1概况 1
1.1.1机器鱼的定义及分类 1
1.1.2机器鱼的发展史 2
1.1.3机器鱼的研究目的及意义 3
1.2仿生机器鱼的研究现状 4
1.3 本次设计的任务与主要内容 7
1.4本章小结 7
第二章 仿生机器鱼运动部分设计 8
2.1 机器鱼的仿生学基础 8
2.1.1概况 8
2.1.2鱼类游动的物理原理 8
2.1.3运动学模型 10
2.2机器鱼的驱动装置 12
2.2.1舵机（微型私服马达）的内部结构 12
2.2.2微型伺服马达的工作原理 13
2.2.3伺服马达的控制 13
2.2.4选用的伺服马达 14
2.3仿生机器鱼执行机构设计 15
2.3.1机器鱼的外观 15
2.3.2鱼头设计 15
2.3.3鱼身设计 17
2.3.4鱼尾设计 18
2.3.5 防水设计 20
2.4仿生机器鱼的制作过
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
作原理 13
2.2.3伺服马达的控制 13
2.2.4选用的伺服马达 14
2.3仿生机器鱼执行机构设计 15
2.3.1机器鱼的外观 15
2.3.2鱼头设计 15
2.3.3鱼身设计 17
2.3.4鱼尾设计 18
2.3.5 防水设计 20
2.4仿生机器鱼的制作过程 21
2.5 仿生机器鱼的功能实现 23
2.6本章小结 24
第三章 控制电路设计 25
3.1 元件的选择 25
3.1.1 电阻 25
3.1.2 电容 25
3.1.3 STC89C51RC单片机简介 25
3.2机器鱼的电路设计 28
3.3拓展功能 30
3.3.1红外避障传感器 30
3.3.2无线通讯模块 32
3.4 本章小结 34
第四章 调试和下水试验 35
4.1 机器鱼水下实验 35
4.2 机器鱼外观调整 37
4.2.1鱼头 37
4.2.2 鱼身 38
4.3 硬件电路调整 39
4.4 本章小结 39
第五章 总结 40
致 谢 42
参考文献 43
第一章 绪论
1.1概况
1.1.1机器鱼的定义及分类
机器人技术可以说是人类20世纪最伟大的发明之一，“robot”一词最初出现在1920年捷克作家卡雷尔的科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》中，1950年，美国作家阿西莫夫在其科幻小说中首次使用了“Robotics”一词即“机器人学”，并提出了著名的“机器人三原则”。然而经过几十年的发展，机器人的定义依然仁者见仁智者见智，并无明确定义，这也正给人类提供了充分的创作空间。模仿人类或其他生物的运动和功能一直是机器人领域的重要目标，由此引申出了仿生机器人学。随着人类对海洋资源的重视和开发，衍生出了仿生机器鱼的概念，作为仿生机器人大家族中的一员，机器鱼的研究以模仿自然界鱼类的快速型、高效性、低噪声等特点为目标，制造出了外形、游动运动和功能与鱼类类似的机器鱼。它参照了鱼类游动的推进机理并利用机电元器件或智能材料来实现水下推进。但无论是从结构还是功能上来看，机器鱼都只能说是部分复制了生物鱼。仿生机器鱼可以进行长时间大范围高效率的水下作业，可用于海洋资源勘探、生物考察、环境监测、军事等领域，并且能很好地和周围环境及生物鱼融为一体，很难被雷达探测，具有隐身的特点。目前许多国家都开始重视新型仿生机器鱼的研究和开发，取得了不错的成果。
目前国内外对机器鱼的研究已有一定成果，目前机器鱼也出现了各种各样的款式，下面分别按照推进模式、体积和驱动方式的不同来大概介绍一下：
按机器鱼推进方式分类
自然界的鱼类多种多样，无论从外形还是游动模式上都十分繁多，在游动时间上可分为周期性运动和瞬时运动。自然界的鱼类为了适应自然环境，进化出了许多运动形式，例如游动、升潜、滑翔、射流反冲推进等等。依据主要用的部位，主要分成身体/尾鳍模式（BCF）和中央鳍/对鳍模式（MPF）。BCF模式主要包括了鳗鲡式、鲹科模式、鲔科模式及箱鲀科模式。该模式是如今大多数鱼类使用的推进模式，他的特点是能实现长时间连续、快速、高效的水下游动。MPF模式只有少数约15%的鱼类使用，主要分为鳐目模式、刺鲀科模式、电鳗背鳍/臀鳍模式以及鳞鲀科模式。而使用BCF模式推进的鱼类用背鳍、胸鳍、臀鳍、腹鳍这些其他鱼类只用来辅助游动的部位作为主要推进部件。这种模式的游动速度比较慢，但它也有稳定性好、机动性较高的特点。
波动式和摆动式是机器鱼按照运动特征的分类方法。前者是鱼在游动时推进结构有明显大振幅波动，后者则是主要推进部分绕基体转动，且外观上看来并无波状感。相对于后者来讲，前者的机动性较好但效率较低。摆动式具有高效率，该游动方式适用于长时间长距离的运动，但有机动性较差的缺点。一般纯波动式是指机器鱼游动时的推进波数>=1，而纯摆动式则<0.5。这两者之间的推进方式都包含在了BCF和MPF这两个模式之中[2]。
按体积
从该角度来说，能分为典型的常规型和微小型。其中，常规型机器鱼研究旨在设计一种快速、高效且可操纵的水下推进装置，微小型机器鱼由于体积小灵活性高等特点，能在复杂水况中作业，具有很强的适应性。但目前由于各方面的诸多困难，这类机器鱼还有待进一步开发。
按照驱动方式
目前可分为两类，其中常规的一种是用液压及电磁马达等作为驱动原件，比较新颖的一种则采用了智能材料，比较常见的是压电陶瓷、形状记忆合金、特殊发电机等特殊驱动元件驱动。
1.1.2机器鱼的发展史
机器人产业形成以来发展迅速，仿生型机器人尤为热门，其中仿生机器鱼是近十几年才出现的新兴分支，但人类对鱼类推进模式的研究却在很早以前就开始了。希腊学者亚里士多德在《动物史》中就描述了鱼类的构造、繁殖、洄游等内容。20世纪90年代以前，人类还停留在对各种基础理论的探索阶段，90年代以后，随着高新科技的发展和进步，人们开始了真正的机器鱼的研制。世界上第一条严格意义上的机器鱼出现在美国，这条名为“Robotuna”的著名机器鱼1994年在麻省理工学院（MIT）诞生。它的研究目的是突破当时水下推进器低效、工作时间短、速度慢的弊端。Robotuna长约1.2米，游动速度可达2米/秒。它通过躯体和尾鳍来游动，在水中能像真鱼
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