基于環(huán)形長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn)的仿生水下機(jī)器人設(shè)計(jì)

閆勇程，王揚(yáng)威，蘭博文，趙東標(biāo)

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，人類開(kāi)發(fā)海洋資源的步伐不斷加快，各種新型水下探測(cè)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)的基于螺旋槳的水下推進(jìn)器，在推進(jìn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生側(cè)向渦流，降低推進(jìn)效率，并且會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，槳葉易被水草纏繞，對(duì)環(huán)境擾動(dòng)較大。而在長(zhǎng)期的自然選擇與遺傳進(jìn)化中，海洋生物擁有了優(yōu)異的水下運(yùn)動(dòng)能力，為水下機(jī)器人的研究提供了設(shè)計(jì)靈感?；谏锿七M(jìn)方式的仿生水下機(jī)器人在游動(dòng)機(jī)動(dòng)性、游動(dòng)效率以及環(huán)境擾動(dòng)等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)[1-2]，國(guó)內(nèi)外研究人員根據(jù)魚(yú)類的游動(dòng)推進(jìn)方式已經(jīng)研究出了多種水下仿生機(jī)器人[3-9]。

目前魚(yú)類的運(yùn)動(dòng)推進(jìn)模式主要分為2種：身體/尾鰭(body and/or caudal fin，BCF)推進(jìn)模式和中央鰭/對(duì)鰭(median and/or paired fin，MPF)推進(jìn)模式[10-11]。BCF推進(jìn)模式仿生機(jī)器魚(yú)最早問(wèn)世[1]，MPF推進(jìn)模式仿生機(jī)器魚(yú)起步較晚，但由于在低速游動(dòng)下，推進(jìn)效率、機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性較BCF模式更為出色[12]，更適應(yīng)水下搜救、環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源勘查、軍事偵察等水下復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)任務(wù)。

本文從鰩科魚(yú)類魟魚(yú)的胸鰭波動(dòng)運(yùn)動(dòng)中獲得靈感，基于胸鰭波動(dòng)推進(jìn)運(yùn)動(dòng)的生物學(xué)特征分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[6-9]，提出一種環(huán)狀胸鰭波動(dòng)推進(jìn)仿生水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)游動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，展示了環(huán)狀胸鰭波動(dòng)推進(jìn)方式的優(yōu)良機(jī)動(dòng)性與穩(wěn)定性。

1 仿生原型的生物學(xué)特征分析與運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

魟魚(yú)是一種典型的以MPF模式推進(jìn)的底棲型魚(yú)類，身體扁平，呈圓盤(pán)狀，擁有寬大的胸鰭、臀鰭及細(xì)長(zhǎng)的尾鰭，如圖1所示。魟魚(yú)依靠柔性胸鰭的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線游動(dòng)和機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎，游動(dòng)時(shí)身體基本不隨胸鰭的波動(dòng)而晃動(dòng)，擁有優(yōu)異的游動(dòng)穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性。

魟魚(yú)胸鰭由沿身體周向分布的肋軟骨支撐，在軟骨兩側(cè)對(duì)稱分布的肌肉纖維差動(dòng)拉動(dòng)作用驅(qū)動(dòng)下，鰭面可形成不同的推進(jìn)波形以適應(yīng)運(yùn)動(dòng)的要求和流場(chǎng)的變化。整個(gè)胸鰭的波形近似是沿胸鰭周向的諧波，其運(yùn)動(dòng)可簡(jiǎn)化為由局部肋軟骨和肌肉纖維構(gòu)成的鰭面單元的柔性彎曲運(yùn)動(dòng)在不同相位差擬合的條件下形成的[13-14]。

圖1 珍珠魟

為了描述魟魚(yú)胸鰭的波動(dòng)柔性鰭面，建立了隨體坐標(biāo)系OBXBYBZB和鰭面單元坐標(biāo)系OFXFYFZF，如圖2所示。隨體坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于魟魚(yú)體盤(pán)的中心，鰭面單元坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于每個(gè)鰭面單元的基點(diǎn)，OFXF方向?yàn)檠伥捗鎲卧拈L(zhǎng)度方向。在忽略鰭面厚度的情況下，胸鰭可簡(jiǎn)化成圍繞在身體周圍的無(wú)厚度環(huán)形面，且胸鰭的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)沿OBXB軸對(duì)稱；鰭面可看成是由繞OBZB軸均布的鰭面單元構(gòu)成，鰭面單元的運(yùn)動(dòng)為繞鰭面單元坐標(biāo)系OFYF的周期擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

圖2 魟魚(yú)胸鰭鰭面坐標(biāo)系

依據(jù)建立的坐標(biāo)系及相關(guān)簡(jiǎn)化假設(shè)，可計(jì)算出任意第i個(gè)鰭面單元上的任意點(diǎn)P在隨體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)：

FPi=[lcosθ,0,lsinθ]Tl∈[0,L]

(1)

根據(jù)齊次坐標(biāo)變換，鰭面單元坐標(biāo)系相對(duì)于隨體坐標(biāo)系的變換矩陣為：

(2)

其中，φ為鰭面單元坐標(biāo)系坐標(biāo)軸OFXF與隨體坐標(biāo)系OBXB軸所成的夾角。

所以P在隨體坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)可表示為：

(3)

根據(jù)假設(shè)，第i個(gè)鰭面單元的擺角運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)為：

θi(t)=θmax(i)sin(2πfit-φi)

(4)

其中，θmax(i)為第i個(gè)鰭面單元的最大擺角；fi為第i個(gè)鰭面單元的擺動(dòng)頻率；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間；φi為第i個(gè)鰭面單元的初始相位。

為進(jìn)一步簡(jiǎn)化工程實(shí)際應(yīng)用，對(duì)式(4)做進(jìn)一步簡(jiǎn)化，假設(shè)所有鰭條的最大擺角相同，即θmax(i)=θmax；所有鰭條的擺動(dòng)頻率相同，即fi=f；鰭條初始相位φi隨鰭條編號(hào)i線性變化，表示為：

(5)

其中，n為一側(cè)胸鰭的波數(shù)；N為一側(cè)胸鰭的鰭面單元總數(shù)，φ0為鰭面單元的初始相位。則公式(4)變?yōu)椋?/p>

(6)

2 環(huán)狀長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn)仿生水下機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1 仿生水下機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

環(huán)狀長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn)仿生水下機(jī)器人(圖3)由上殼體、下殼體、端蓋、環(huán)形長(zhǎng)鰭、沉浮模塊、姿態(tài)控制模塊、控制電路、電池和配重組成。環(huán)形長(zhǎng)鰭是仿生水下機(jī)器人的推進(jìn)裝置，其結(jié)構(gòu)包括伺服舵機(jī)、碳纖維鰭條和柔性鰭膜(圖4)，而碳纖維鰭條用于模擬魟魚(yú)胸鰭的鰭面單元，通過(guò)伺服舵機(jī)帶動(dòng)鰭條的周期擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)來(lái)使整個(gè)環(huán)形鰭面形成規(guī)律的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)，鰭條總數(shù)為20個(gè)，且沿圓周均布，柔性鰭膜材質(zhì)為硅膠材質(zhì)。下殼體是仿生水下機(jī)器人的安裝基體，舵機(jī)、電池、配重、姿態(tài)控制模塊和電路都安裝在下殼體上，并且在下殼體中心部位設(shè)計(jì)有靜態(tài)沉浮模塊。上殼體與下殼體貼合安裝并進(jìn)行涂膠密封后形成仿生水下機(jī)器人的殼體結(jié)構(gòu)，上、下殼體及端蓋是由光敏樹(shù)脂3D打印而成。端蓋與上殼體之間通過(guò)螺釘相連，采用膠圈密封方式來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人內(nèi)部的密封，端蓋便于拆裝，用于仿生機(jī)器人的電池充電和系統(tǒng)維護(hù)。沉浮模塊(圖5)用于控制仿生機(jī)器人在水中的靜態(tài)下沉和上浮，采用活塞式結(jié)構(gòu)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)推拉活塞實(shí)現(xiàn)從外界環(huán)境吸入和向外界排除水，從而改變機(jī)器人自身的質(zhì)量，達(dá)到仿生機(jī)器人的沉浮目的。姿態(tài)控制模塊由沿仿生機(jī)器人周向均布的4個(gè)滑臺(tái)機(jī)構(gòu)組成，每個(gè)滑臺(tái)上安裝有質(zhì)量塊，通過(guò)4個(gè)位置的質(zhì)量塊移動(dòng)實(shí)現(xiàn)質(zhì)心調(diào)節(jié)?？刂齐娐肥菣C(jī)器人的中央控制器，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)指令的接收和各功能模塊的動(dòng)作。配重被用于平衡機(jī)器人的浮力，確保在沉浮模塊未吸入水的情況下，仿生機(jī)器人能基本彎曲浸入水中。

圖3 仿生水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

圖4 環(huán)形鰭面結(jié)構(gòu)

圖5 沉浮模塊結(jié)構(gòu)

2.2 仿生水下機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仿生水下機(jī)器人的控制系統(tǒng)(圖6)包括：上位機(jī)、無(wú)線通信模塊、主控模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊。上位機(jī)通過(guò)USB與無(wú)線信號(hào)發(fā)射板連接，將運(yùn)動(dòng)控制指令傳送至仿生機(jī)器人。無(wú)線通信模塊由一對(duì)無(wú)線發(fā)射和接收電路組成，實(shí)現(xiàn)指令參數(shù)的傳輸。主控模塊由一塊STM32F103RC單片機(jī)、超聲波傳感器、水壓傳感器及姿態(tài)傳感器組成，主要功能是將上位機(jī)的運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行解析，將具體鰭波動(dòng)參數(shù)傳輸至運(yùn)動(dòng)控制模塊，同時(shí)通過(guò)超聲、水壓和姿態(tài)傳感器來(lái)實(shí)時(shí)感知仿生水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)。運(yùn)動(dòng)控制模塊由一塊STM32F103VE單片機(jī)構(gòu)成，其功能是依據(jù)主控模塊的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，將具體控制量輸出給伺服舵機(jī)，以及沉浮模塊和姿態(tài)控制模塊中的步進(jìn)電機(jī)。

圖6 控制系統(tǒng)電路原理框圖

圖7為環(huán)形長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn)仿生水下機(jī)器人樣機(jī)。樣機(jī)最大直徑為460mm，高124mm，整個(gè)實(shí)物樣機(jī)質(zhì)量為10.8kg。

3 仿生水下機(jī)器人游動(dòng)試驗(yàn)

為了研究環(huán)形長(zhǎng)鰭推進(jìn)仿生水下機(jī)器人的游動(dòng)性能，分別進(jìn)行了直線游動(dòng)、轉(zhuǎn)彎游動(dòng)和浮潛游動(dòng)試驗(yàn)。

仿生水下機(jī)器人直線游動(dòng)時(shí)，采用沿游動(dòng)推進(jìn)方向兩側(cè)胸鰭對(duì)稱波動(dòng)的方式，單側(cè)鰭面波數(shù)1.25，鰭條最大擺角為20°，頻率為0.8 Hz。由圖8所示的直線巡游游動(dòng)圖像序列，可以看出該仿生水下機(jī)器人依靠圓環(huán)形長(zhǎng)鰭的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了與魟魚(yú)胸鰭相似的柔性波動(dòng)運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)出非常好的游動(dòng)穩(wěn)定性，游動(dòng)速度達(dá)到45 mm/s。

仿生水下機(jī)器人的原地機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)向是通過(guò)完整環(huán)形鰭面呈現(xiàn)2個(gè)周期完整波形，行波方向繞機(jī)體往一個(gè)方向傳播，以此來(lái)推動(dòng)機(jī)器實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎游動(dòng)。圖9為仿生水下機(jī)器人原地順時(shí)針機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎游動(dòng)的圖像序列。此時(shí)鰭條最大擺角為20°，頻率為0.8Hz，轉(zhuǎn)向速度約為42.8°/s。試驗(yàn)研究表明，仿生樣機(jī)在轉(zhuǎn)向的過(guò)程中轉(zhuǎn)彎半徑極小，機(jī)器人在水中的位置幾乎沒(méi)有偏移，并且整個(gè)樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)也表現(xiàn)得非常平穩(wěn)。

仿生水下機(jī)器人不僅能通過(guò)沉浮模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)的下潛和上浮，還能通過(guò)控制仿生樣機(jī)內(nèi)部質(zhì)心調(diào)整機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)樣機(jī)質(zhì)心的偏移，從而使整個(gè)仿生樣機(jī)的前進(jìn)方向與水平面成一定攻角，再配合游動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的浮潛。這種運(yùn)動(dòng)有利于游動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)的姿態(tài)調(diào)整。圖10和圖11分別為仿生水下機(jī)器人動(dòng)態(tài)下潛和上浮游動(dòng)，此時(shí)下潛、上浮的攻角約為25°，鰭條最大擺角為30°，游動(dòng)頻率為1Hz。

圖10 仿生樣機(jī)下潛游動(dòng)

圖11 仿生樣機(jī)上浮游動(dòng)

4 結(jié)語(yǔ)

本文在分析魟魚(yú)生物原型形態(tài)學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種與魟魚(yú)胸鰭波動(dòng)運(yùn)動(dòng)相似的環(huán)形長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn)仿生水下機(jī)器人，并研制了樣機(jī)。通過(guò)直線巡游、機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎和動(dòng)態(tài)下潛與上浮的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了仿生水下機(jī)器人推進(jìn)的有效性。環(huán)形長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn)方式為仿生水下機(jī)器人提供了一種穩(wěn)定性好、機(jī)動(dòng)性高的推進(jìn)策略，能實(shí)現(xiàn)水下六自由度的游動(dòng)運(yùn)動(dòng)，以后還將進(jìn)一步研究環(huán)形長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn)器的水運(yùn)力學(xué)問(wèn)題，為未來(lái)高性能水下機(jī)器人的開(kāi)發(fā)提供了一種新型的推進(jìn)方案。

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