摘 要

机器人的产生和发展，在给人们的生活提供了很大便利的同时，也提高了生产效率。随着科学技术的不断突破, 机器人在生活中的运用更为普遍。随着水下探索、水下环境监测等工作逐渐受到各国的重视，机器鱼因为具备机动性强、推进效率高、隐蔽性好，而且对周围环境影响小等优势，其研究价值不言而喻。传统的机械鱼的结构一般是刚性的，大多采用电机或者气液压驱动，存在质量大有噪音的缺点，并且在复杂环境下工作时，往往受到自身刚性结构的限制，不能够很好地完成任务。而柔性机器鱼则不同，其对外部环境有着良好的适应能力，能够很好完成特殊场所下的工作，此外，结构简单，产生的噪音低，因此成为了机器人研究的侧重之一。同时，水下的复杂环境导致有线控制容易发生缠绕等问题，无线控制无疑是更好的控制方法。因此，研究出一种能同时包含柔性机械鱼和无线控制的优点的机械鱼有着很重要的实际意义。

本文利用电阻丝对水进行受热汽化，增大其外部包裹硅胶的体积，制作了一款可实现蓝牙遥控的机械鱼。鱼尾的骨架通过3D打印制成，旋转部分是由电阻丝加热使液体体积膨胀而成，其上包裹有硅胶。在设计了一系列的实验测量其体积之后，验证了这款机械鱼的游动的可行性。

为了研讨柔性机械鱼在水中的运动状态，基于蓝牙数据传输，制作遥控器控制其运动状态。通过水下实验的结果，发现柔性机械鱼可在水下实现前进，后退，悬浮等，证明了柔性机器鱼的可行性。

关键词：柔性结构，无线控制，机器鱼

Abstract

The generation and development of robots not only provide great convenience for people's life, but also improve the production efficiency. With the continuous breakthrough of science and technology, the use of robots in life is more common. With the development of underwater exploration and underwater environment monitoring, many countries pay more and more attention to it. Because of its strong mobility, high propulsion efficiency, good concealment and little impact on the surrounding environment, the research value of robotic fish is self-evident. The traditional mechanical fish structure is generally rigid, mostly driven by electric motor or air hydraulic pressure, which has the disadvantages of high quality and noise. When it works in complex environment, it is often limited by its own rigid structure and can not complete the task well. The flexible robot fish is different. It has good adaptability to the external environment and can complete the work in special places. In addition, it has simple structure and low noise, so it becomes one of the focuses of robot research. At the same time, the complex underwater environment makes wired control prone to entanglement and other problems, wireless control is undoubtedly a better control method. Therefore, it is of great practical significance to develop a kind of mechanical fish which can simultaneously contain the advantages of flexible mechanical fish and wireless control.

In this paper, the resistance wire is used to vaporize the water and increase the volume of silica gel wrapped on the outside. A mechanical fish which can realize Bluetooth remote control is made. The skeleton of the fish tail is made by 3D printing, and the rotating part is made by heating the resistance wire to expand the volume of the liquid, which is wrapped with silica gel. After designing a series of experiments to measure its volume, the feasibility of swimming of the mechanical fish was verified.

In order to study the movement state of the flexible mechanical fish in the water, a remote control is made to control its movement state based on Bluetooth data transmission. Through the results of underwater experiments, it is found that the flexible robotic fish can move forward, backward and suspend underwater, which proves the feasibility of the flexible robotic fish.

Key words: flexible structure, wireless control, robotic fish

目录

中文摘要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 技术路线与主要研究内容 4

1.3.1 技术路线 4

1.3.2 主要研究内容 4

第2章 机械鱼的设计 6

2.1 驱动方案设计 6

2.2控制方案设计 7

2.2.1控制目的 7

2.2.2控制方案 7

2.2.3 Proteus仿真 10

第3章 机器鱼结构设计 13

3.1结构设计 13

3.2部分结构尺寸设计 13

3.3 运动分析 14

第4章 实物制作 16

4.1机器鱼制作工艺 16

4.2控制系统的制作 16

4.3系统组装 17

4.4功能测试 18

第5章 总结与展望 19

5.1全文总结 19

5.2设计的不足与展望 19

参考文献 21

附录A 23

附A1发送程序 23

附A1.1I2C通信程序 23

附A1.2主程序 27

附A2接收程序 33

致谢 37

第1章 绪 论

1.1研究背景及意义

机器人的产生和发展，在给人们的生活提供了很大便利的同时，也提高了生产效率。随着科学技术的不断创新, 机器人在生活中的应用更加普遍，随着水下探索、水下环境监测等工作逐渐受到各国的重视，对于传统的水下机器人，一般采用螺旋桨推进，但是由于结构限制，会产生侧向涡流。而鱼类拥有着强大的水中运动能力, 其游动机动性强、推进效率高、隐蔽性好、噪声低、对周围环境影响小 ^[1]。因此，许多学者根据鱼类的外形和运动模式，对鱼类产生优秀的运动能力的原因进行分析，再对水下机器人进行设计，力求能有鱼类运动高效、快速的效果^[2]。此外，随着工作环境不断变化, 如在狭窄的水下场所等部分典型场所下的任务，受本身刚性机械构造所产生的局限性,导致传统机器人不能很好的完成任务。而柔性机器鱼则不同，其不仅对外部环境有着良好的适应能力，能够很好完成特殊场所下的工作，而且结构简单，噪音低，因此成为了机器人研究的侧重之一 ^[3-5] 。综上，优势巨大的柔性机器鱼比传统机器鱼的应用发展前景更好，在不同领域都能得到广泛应用^[6]。在勘探海底资源及救援方面，一些常规潜器不易进入的复杂海洋区域,柔性机器鱼都能安全进入，完成安排的任务; 在军用方面，可根据其特点对柔性潜艇进行研究，使之具备低噪声，低扰动，易隐蔽的特点，同时，也可直接用于对敌方水下布防的侦查；在文娱方面，制造工艺的不断提高和技术的不断创新, 使“宠物鱼”将以柔美的姿态和低廉的价格走向市场^[7]。柔性机器鱼的设计研发越发成为许多学者的研究热点，使他们争相研究^[8-9] 。

在仿生机器鱼的研究中，文献^[10]对鱼类的推动方式进行了分类，即身体／尾鳍推进模式（body and/or caudal fin, BCF）和中央鳍／对鳍推进模式（median and/or paired fin, MPF）。身体／尾鳍推进模式又可细化分为鳗鲡模式、亚鲹科模式、鲹科模式、鲉科模式和箱鲀科模式^[11]，中央鳍／对鳍推进模式可分为长鳍波动式，胸鳍扑冀滑翔式和多鳍拍动式^[12]。

表1.1 BCF模式与MPF模式AUV 比较

1.2 国内外研究现状

BCF模式：1994年，世界上第一条真正意义上的仿生机器鱼Robo Tuna诞生，由美国麻省理工学院MIT研制，驱动方式为鲔科推进模式，主要用来进行水下阻力性能试验研究^[13]。图1.1分别为该机器鱼的两代结构图。