毕业论文范文——机械鱼

摘要：补了一个摘要，可以修改，关键字自己提炼一下本课题通过不断地改进研制出了一种仿生机械鱼，其运动原理仿照了普通鱼类在水中的运动姿态。其中尾部作为前进的主动力依据四杆机构模型设计了一组高速摆动机构；中部作为前进方向的调整设计了一组使鱼身左右扭动的减速齿轮箱机构，可通过变换鱼身角度改变前进方向；前部在为整个鱼身的平衡配比的基础上设计了一组小型螺旋桨，代替鱼鳍滑动用于调整水中的上下浮沉。目前我们的机械鱼可在线控的基础上通过三个马达配合齿轮箱在水中自如游动，还进一步使用防水舵机对机构进行了改良，实现了无线控制，可以在此基础上包装成为一款模型玩具供孩子娱乐。今后还将考虑加入单片机、传感器等拓展其在水中的用途，如用于水中探查等军事领域。关键字：正文：一 背景如果一定要写国外也不用那么多，建议把机械奥运的放到开头来，在国外最多只是了解到有机器鱼这样的项目，感兴趣了再去探究。不用列举那么多别的设计的缺点，我们的机械鱼只是水中运动并没有探测等功能，如果有也会造价昂贵且笨重。 上大附中主动融合中西方教育优势，与澳大利亚、德国、瑞典等多所学校建立友好校关系并定期开展互访交流活动，我们这个暑假所交流访问的是瑞典位于赫尔辛堡附近Hognas小镇上的库拉中学，这是一所以生物为特色在当地闻名的高中。交流访问期间，印象比较深的是我们在野外上的一节生物课。学们分为两组，第一组到森林里捉虫子、采集植物，并记录其学名等信息；第二组则划船到湖里捉鱼虾等水生物。虽然湖水十分清澈，但毕竟水太深了，我们组没能发现任何水生物，最终失望而归。就在那时，马库斯老师抱怨政府没能投资供他们购买机器探测鱼，他曾经见到有外校使用机器鱼探测湖中水生物，其效果好得令人惊讶。我很疑惑，是什么机器鱼能有那么好的使用效果？马库斯老师告诉我这本是英国艾塞克斯大学的科学家开发的用于探测河水的污染情况的机器鱼，这是250万英镑欧盟资助探测水污染项目的一部分。我想，瑞典作为一个高福利国家，政府难道都不愿意帮他们购买一条小小的机器鱼么？事实正是如此。但是，这样一条机器鱼价值约为2万英镑（约合人民币19.9万元），这也正是政府“小气”的原因。当马库斯老师得知我们是机器人社的学生后，他建议我们自己制作仿生机器鱼。 在瑞典，我们还做了一个有关治理水污染的课题研究。我们了解到，对于污染河道的探测是十分困难的，特别是对于水面以下的部分。我们试想用小型无人潜水艇，但是这个猜想立即被否决了，因为潜水艇采用的是的螺旋桨动力系统，容易被水草缠住，容易被污物卡住、堵塞，所以对于河道的探索必须得使用机械鱼。显然我们很难负担得起英国艾塞克斯大学的科学家开发的用于探测河水的污染情况的机器鱼的价格，因此，自己动手制作机器鱼的念头更为强烈了。我们也查阅了大量有关机器鱼的资料，发现目前许多机器鱼都十分笨重、不太灵活。另外，外型不像鱼、运动方式不像鱼、造价昂贵也是它们的通病。我们学校的机器人社经常组织参加工程机器人方面的各种竞赛，在各类赛事中接触最多的要数陆上机器人了，目前无论是轮式机器人、多足机器人还是如蛇形等其他运动方式，相对而言已经非常完善了，灵活、快速的机器人在各项比赛中乃至我们的生活中已层出不穷。但是相对而言水中机器人竞赛项目中的机器人的设计还不够多样，因为涉及到阻力问题、防水问题、浮力问题等等，参加水中机器人竞赛项目的机器人明显十分笨拙、不够灵活，且均采用有线控制，行动十分不便。不是文章重点，措辞尽量简练图片全部采用嵌入式排版，下面有标号和文字说明暑假了去瑞典图1：国外的机械鱼玩具因此，我们决心制作一款灵活精巧，价格低廉，行动方式像鱼的仿生机器鱼。二探究过程1、初步设计整理一下普通鱼在水中的运动特点，重点强调鱼尾的摆动怀着从瑞典带来的灵感，我们从观察鱼的运动开始了我们研究的第一步。通过仔细观察鱼类的游动方式，我们发现鱼类在水中具有非凡的运动能力，它们可以自由地在复杂的水下环境中游动，迅速地加速，快速地转弯，自由沉浮。我们还利用视频资料观察了目前已经制作出来的一些较为复杂的机器鱼，并在机构设计方面咨询了学校和区少科站的指导老师，最后从“仿生学”的角度之中找到了我们机器鱼的设计灵感：首先是机器鱼形状的仿生，其次是其运动方式的仿生。四杆机构的资料在我给你们的范文中摘录上去还有齿轮传动比的数值计算1.1鱼尾设计（强调机构设计和齿轮传动比计算）我们注意到机器鱼不像潜水艇靠螺旋桨驱动，而是通过鱼尾的摆动的推力实现前进的。在老师的引导下，我们设计了一组建立在曲柄摇杆机构上的依靠鱼尾摆动的推进系统。1.2鱼身设计（强调鱼身的前后平衡，材料的选用，方向的控制）要体现出探究设计的过程，你们再好好想想起初考虑到鱼尾左右摆动会影响鱼的方向，我们将机器鱼的鱼尾设计为了上下摆动。鱼的身体是用白色pvc发泡材料来制作的，这样既美观，也增加了浮力。我们在鱼头部分安装了两对螺旋桨，其中一对是水平方向上的，另一对是竖直方向上的，水平方向的螺旋桨起到转向的作用，竖直方向的螺旋桨起到沉浮的作用。为了使它更像一条鱼，我们用雪弗板为它装上了鱼鳍，并用美工刀切割pvc发泡外壳来控制其浮力的大小，也减小它在水中的阻力。我们初步完成了第一代机器鱼。但经过实验我们发现，它游动时能原地转向，虽然转向非常灵活，但这与鱼的行动方式有这千差万别。另外它活动十分呆板，在水中游动时压根不像鱼，更像是潜水艇。1.3遥控设计简练，只有做过的才看得懂，讲原理和结论不用讲过程在遥控器方面由于线控成本较低，我们最初采用了线控的方式来控制我们的机械鱼试验机。我们将控制转向的控制元件横置，并将它通过一根塑料棒和竖着放置的控制沉浮的元件相连来做到使操作简化两只手就可以控制3个部分。我们使用了8节5号电池作为动力，将其连入控制元件，给控制沉浮，转向和前进的3个马达提供动力。但经过实验我们发现，提供给沉浮和转向两个马达的动力过于强劲，鱼的动作便的过于迅猛，使得操作者的控制变得不便。于是我们想到了将他的电压降低的方法，来使得鱼的可控性增强。我们将8节电池分成两份，一组4节，之后将给控制沉浮的马达供电的其中一根导线接在了两组4节电池之间。这样以后，提供给控制沉浮的马达的电压就减少了整整一半。同样的控制转向的马达也是这样连接的。最后，为了进一步增加于鱼的灵活性，我们将控制沉浮的马达和控制转向的马达连接起来，然后通过一条线连入电池组。这样我们就可以省下一根线，既节约成本又使我们的机械鱼更加灵活机动。在操作的过程中，我们发现遥控器频频出现脱焊的现象，我们仔细研究了使用过程中遥控器控制过程中的损耗情况，发现是由于使用过于频繁导致了金属老化。于是我们采用了一种更粗的导线来替换那些经常转动的部分。这样就避免了了频频出现脱焊的现象。2、第一代样机（Fish1.0）问世通过观察强调鱼身的扭动对方向的控制，最好有真鱼转向的图片这样的设计仅实现了初步的水中运动，但与实际的鱼的运动仿真还存在一定的差距，通过进一步观察后，我们发现：鱼是通过身体的扭动和鱼鳍对水流的影响来实现转向的。因此我们试想，将机械鱼的身体模块化，分为两段，这样既便于制作也便于维护，将机械鱼模块化正是我们的创新点！我们试想将机械鱼分为两个模块：第一模块为头部，装有控制沉浮的螺旋桨，第二模块为动力模块，即我们之前所制作的建立在曲轴摇杆机构上的依靠鱼尾摆动的推进系统。我们想通过两个模块的相对位置变化来模拟鱼身的扭动，而如何使两个模块相对位置发生变化，导致转向？我们也想制作鳍来帮助机械鱼转向，可怎样才能使鱼鳍相对鱼身的转向与两模块间的相对转向保持同步？我们在老师的指导不断尝试开始了第二台机器鱼的设计制作。3、第二代样机（Fish2.0）问世变文字叙述为working model的模型仿真更为直观我们依旧采用了与第一代相仿的建立在曲轴摇杆机构上的依靠鱼尾摆动的推进系统，为了使它看上去更像鱼，我们将原先的上下摆动的尾部改为左右摆动的尾部。依靠齿轮传动，使第一模块与第二模块能相对以两模块相邻面上的中心轴转动。依靠如图所示的连杆机构，尾部的鱼鳍能在第一模块第二模块相互转动时，相对第二模块与第一模块同向转动。头部的垂直方向上的螺旋桨控制机器鱼的沉浮。经过实验我们发现，机械鱼的转向并不像我们所想象的那样灵活，但是其行动方式已经很像鱼了。转向不灵活，第一模块第二模块相互转动的角度过小是一个问题；鱼鳍太软，对水的定向阻碍效果不明显也是一个问题。而与此同时一个新的问题又出现了，那就是当鱼在转向时，由于离心力的作用机器鱼会侧翻在水中，我们认为适当增加关节提高转向外侧的浮力能够有效解决这个问题，于是我们的设计修改为将机械鱼身分为了三段，又鉴于鱼鳍效果不好，我们暂且先去掉了这一部分。4、第三代样机（Fish3.0）问世分为三个模块后，机构就较为简洁了，第一模块为控制沉浮的模块，第二模块负责鱼身的转向，第三模块则按原计划是建立在曲轴摇杆机构上的依靠鱼尾摆动的推进系统。第一模块除马达外全由pvc发泡材料制成，用以提供足够的浮力；第二模块只有齿轮箱，通过齿轮的传动导致转向，用以转向和配重；第三模块另添加pvc发泡材料顶盖，以增加浮力，防止尾部下沉。调试过程中，我们跟以往一样，用美工刀进行切割，调整其浮力大小。实验结果较为糟糕，机械鱼在笔直向前游动时没有什么大问题，但是一旦拐弯便出了岔子，侧翻现象依然非常严重，具体表现为第一第三模块向上翘起而第二模块下沉。导致根本无法拐弯。这暴露了我们调试时一个很严重的问题，就是只单单考虑机械鱼笔直前进时的浮力平衡，没有考虑它在转向时的浮力平衡。首位的pvc发泡材料提供的浮力太大，但第二模块仅仅是齿轮箱，用来配重，所以第二模块下沉，第一第三模块翘起。所以我们得减小第一第三模块的浮力，并增大第二模块的浮力。5、第三代样机改进版（Fish3.1）问世鉴于版本2.1第二模块纵置的齿轮箱无法再增添pvc发泡材料增加其浮力，我们意识到了齿轮箱纵置的弊端，因此我们想尝试制作一台第二模块为横置的齿轮箱的机械鱼。开始制作后，第一、第三模块都照抄了2.1版本的第一、第三模块。原以为横置第二模块会非常简单，但是事实上我们却为此伤透了脑筋。首先我们发现齿轮箱横置后，轴就够不到第一第三模块了，无法直接用齿轮链接。因此我们不得不在齿轮箱外头做了许多传动链接，为了控制前后齿轮转向速度一样，改了又改，终于是成功了的。为防止像2.1版本那样的悲剧，我们也为第二模块增加了pvc发泡材料的外壳，以增加其浮力。实验结果有喜有忧，我们虽然解决了机械鱼的侧翻问题，但是由于第二模块被加长了，整条鱼的总长度也变长了，因此机械鱼的转向变得非常不灵活，这又让我们头疼了终于我们有了决定性的突破，虽然最初我们没有意识到这个点子会是如此地有效。首先我们想到：第二模块安放的齿轮箱，横竖都不可行。那么注定第二模块不能放转向用的齿轮箱！正是凭借这一理念，我们将第二模块原有的转向用齿轮箱转移至第一模块。这样既能大大地减小了第二模块的质量，也减小了第二模块乃至整条鱼的长度，我们坚信转向会非常灵活。我们也想到，将转向系统转移至第一模块等于加重了第一模块质量，利用其力矩较大的原理，甚至能对第二模块有一定向上的力。6、第三代样机完美版（Fish3.2）问世关于齿轮箱在第一模块的安放应该是横置还是纵置，我们起了一点小小的争议，但最终都达成了共识：纵置，这样避免了第一模块过长、机械鱼整体过长的问题。我们制作第二模块时全部使用了pvc发泡材料，这样能有效避免第二模块下沉（侧翻）也刻意地减小了第二模块的长度，从而达到转向灵活的目标，利用齿轮箱的传动解决了第一第二模块间的转向问题，那第三模块改怎么办？当中隔着第二模块呢！依旧是老方法：连杆机构。利用连杆机构巧妙地使第一第三模块相对第二模块同步转向。第三模块依旧参照以前的去制作。实验结果我们非常满意，既没有侧翻现象，转向也非常灵活，总之，我们这条线控机械鱼探究过程已经基本接近尾声了。因此我们要开始我们的第二部分的探究计划：无线遥控机械鱼。7、无线控制部分的设计我们所有的线控机械鱼都将电池装在遥控器上头，原本认为马达进水容易短路，但事实上马达进水了也丝毫没有短路的迹象，因此我们所有线控机械鱼都没有防水处理。而无线控制意味着接收模块和电池都将置于水中，再加之我们不太熟悉的无线控制系统，要做的功课又多了很多。首先，最重要的得属遥控器了，当然它得是无线遥控器无线遥控器比起我们自制遥控器，既复杂的多，也简单得多。复杂在于里面各种各样的零部件，电路；而简单就在于你只要买来就行了。与遥控器配套的还附带有一台接收器，负责接收遥控器传出的信号。舵机，又称伺服马达，通过接口直接接在接收器上，确实很方便。另外，我们所购买的防水舵机帮我们免去了舵机防水的这项工作。另外舵机还有一个巨大的优势，它可以快速定向转动，对于机械鱼快速灵活转向有了很大的帮助。电调，遗憾的是，马达不能像舵机一样直接接上接收器了，因为接收器发出的是数字信号。因此我们需要电调来将数字信号转为模拟信号，如同电源一样给马达正反转供电。电调也是不防水的。同样不防水的还有电池。因为改为无线遥控，电池不得不安放在机械鱼身上了。我们咨询了机械奥运经验丰富的指导老师，自制电池仓，用704胶水涂上防水层就可以做到完美防水。这样我们的自制电池算是安全了。电池仓通过防水接口用来和机械鱼的控制仓连接。遥控的接收器和电调都得装在机械鱼上，鉴于它不防水而且里面有各种复杂的电路，我们仿照电池的做法设计了设备仓，可以用电池仓实现接插式供电且完美防水。我们再一次尝到了机械鱼模块化的甜头。对于附加的电池仓和设备仓，我们打算将其安排在第二节，使机械鱼的重心任然保持在整条鱼的中央，使其重心下沉，减小左右晃动。再配以一些雪弗板增加浮力，一定程度上避免侧翻现象发生。8、第四代样机无线版（Fish4.0）问世（可以到此为止，最后一次改进感觉可以略去）我们尝试自制齿轮箱，缩短了第三段的长度。用铜质铰链作为鱼尾摇杆的固定器，保证了其牢固，也腾出了部分空间以便我们将齿轮箱尽量往后挪，利用其巨大的力矩防止侧翻现象的发生。因为电池仓装在下方，我们将控制第一第三段同步转向的连杆机构安装在机械鱼的上方。小巧的舵机也为第一模块腾出了不小的地方。实验结果：不知为何前进的动力不太足，至少没有原来那么足。不过转向更为灵活，侧翻现象没有发生，沉浮自由。我们尝试探究其动力不足的原因，但是充足的电量，顺滑的齿轮箱、曲轴摇杆机构让我们摸不着头脑。有一次，我们派出故障后将其放在手中检验它是否能活动，因配合不当，负责操控遥控器的同学将摇杆推至最快速度，机械鱼鱼尾快速摆动，整条鱼在我的手中震动的非常厉害，我差点松手将其摔在地上，幸好我意志坚定。将机械鱼安然无恙地放回桌上后，我的手麻了。随口说了一句：“震动地真厉害！”偏偏正是这句话，被另一位同学捕捉到了。俗话说的好“说者无心，听者有心”我们立即意识到是不是因为鱼身震动太厉害导致了能量的浪费？我们立即修改了曲柄的长度，减小了鱼尾的摆动幅度。实验发现：震动减小了一点点，但细心的同学发现了整个第三模块整体震动非常剧烈。我们意识到：过于后置的马达、齿轮箱是共振的罪魁祸首！过于后置的马达齿轮箱随着鱼尾的剧烈摆动，凭借其较大的质量引发整个第三模块乃至整条机械鱼的共振。第三代 版本 3.1发挥了机械鱼模块化的又是，我们只需要个第三模块的部分零件。第三模块齿轮箱稍微前移，第三模块底板重新制作打洞。以极短的时间，我们重新改装了第三模块。我们再一次尝到了机械鱼模块化的甜头。实验结果令人满意，灵活精巧，价格低廉。行动方式很像鱼。如果有这个技术、能力，我们更愿意制作一套外壳，使其外观看上去更像一条鱼。三比较这一部分开学前我们再措辞商量相较于目前的其他机械鱼，我们机械鱼所独一无二的是采用了模块化结构。这种结构容易制作与维修，而现在市面上出现的机械鱼大多都不具有这种优点。另外它转向非常灵活，行动方式很像鱼，这也是现在市面上出现的机械鱼都不具有的优点。我们的机械鱼制作和使用成本都较低，这是现在所有机械鱼都无法比拟的；机械鱼能源利用率高，作业时间长；它无需生命维持保障设备。另外，它体积小，且对人几乎没有任何危险。四用途目前我们现在的成品遥控机械鱼操作灵活简易，动作逼真有趣。只要在外部增加些装饰，便成了十分适合小孩娱乐用的玩具