一種仿生魚深海探測機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計

張昕辰，楊康，孫玉龍，崔皓然，姜嘉雯

一種仿生魚深海探測機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計

張昕辰，楊康*，孫玉龍，崔皓然，姜嘉雯

（佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

為了使機(jī)器魚能夠潛入更深的海洋，設(shè)計了一種仿生魚深海探測機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，首次提出了“多室水肺”這一概念?；趨⒖棘F(xiàn)有的魚類模型受力等實驗的研究成果以及機(jī)械原理的設(shè)計指導(dǎo)，通過對魚的運(yùn)動方式以及各部位作用的分析，從構(gòu)件層次上提出了一種新的機(jī)器魚骨架、背鰭、胸鰭、尾鰭以及內(nèi)腔的機(jī)械結(jié)構(gòu)，闡述了這些機(jī)械結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化的原因以及其運(yùn)行方式。同時根據(jù)現(xiàn)有的研究成果對材料選用、控制方式以及電子器件的放置提出了見解。

深海探測；機(jī)械機(jī)構(gòu)；仿生魚

為了更深入的了解地球、保護(hù)海洋、合理地采集深海資源，形成可持續(xù)發(fā)展，探尋深海非常重要，深海探測裝置必不可少。仿生魚海洋探測機(jī)器人在深海探測方面起到了重要的作用，它可以完成收集圖片影像、海水和海底土壤的元素含量、溫度、水流波動速度數(shù)據(jù)、觀察深海生態(tài)等海洋任務(wù)。國內(nèi)外學(xué)者在魚類推進(jìn)機(jī)理研究和仿生機(jī)器魚研制方面都也取得了一定的成果，梁準(zhǔn)等[1]發(fā)明出一種二自由度胸鰭仿生魚，如圖1所示。其采用一體化硅膠膜，防水性能強(qiáng)大并且實現(xiàn)了類似鲹科魚的尾部擺動和魚體波動。李國瑞等[2]成功設(shè)計并制造出一種自能源軟體機(jī)器仿生魚，該仿生魚能夠?qū)崿F(xiàn)潛入萬米深海并且自主游動，如圖2所示。它身長22 cm、展翅28 cm，已經(jīng)在馬里亞納海溝完成了深淺實驗。Caleb Christiansion等[3]從透明的鰻魚幼體細(xì)頭鰻身上獲得靈感，研發(fā)出一種由無框流體電極介電彈性體致動器驅(qū)動的半透明軟機(jī)器人，圖3為引入熒光染料的機(jī)器體。Berlinger等[4]從魚群中獲得靈感，設(shè)計出了不依賴于集中的、水上的、明確的通信，而是通過對附近鄰居的視覺觀察做出行動的魚群機(jī)器人。這種模仿魚群的能力，成為了機(jī)器魚融入魚群的關(guān)鍵，能夠更方便的進(jìn)行偽裝、監(jiān)察、探測等。不依賴路上通信，能讓它完成更復(fù)雜的深海任務(wù)。

圖1 二自由度胸鰭仿生魚

圖2 自能源軟體仿生魚

圖3 引入熒光染料的軟體深潛機(jī)器人

目前現(xiàn)有的深海探測設(shè)備已經(jīng)能夠潛入萬米深海并自主游動，但其在深海中的運(yùn)行仍存在著動力不夠大、游動速度較低、可轉(zhuǎn)向角度小以及載重較小的不足之處，所以，本文設(shè)計了一種仿生魚深海探測機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計，使得仿生魚深海探測機(jī)器人能夠潛入更深的海洋、具有更快的游速和上浮速度、能夠更快地完成轉(zhuǎn)向動作以及具有更大的載重。

本仿生魚深海探測機(jī)器人能夠獨(dú)自完成一些簡單的探測工作，也可以輔助載人深潛器進(jìn)行深?？茖W(xué)探測、調(diào)查深海金屬礦產(chǎn)和海底生態(tài)等工作。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計

本文提出一種柔性體擺尾噴射式組合動力仿生魚，旨在能夠利用更加優(yōu)化的機(jī)構(gòu)使得仿生魚海底探測機(jī)器人能夠潛入更深的海底完成作業(yè)。

1.1 主骨

主骨目的在于帶動魚身和尾鰭進(jìn)行水平擺動，通過排水來產(chǎn)生本仿生魚前進(jìn)、轉(zhuǎn)向的動力。

主骨機(jī)構(gòu)如圖4所示，由多個球銷副構(gòu)成，一般取球銷副數(shù)目＝5。球銷副不宜數(shù)目過多，否則會導(dǎo)致運(yùn)動的不確定性增加以及抗干擾能力的下降。球銷副的實際數(shù)目需要根據(jù)魚體具體的擺動范圍、所要求的擺動精度以及球銷副的轉(zhuǎn)動范圍來確定。

圖4 球銷副主骨機(jī)構(gòu)

而主骨總轉(zhuǎn)動角度的最大值就決定了魚身的擺動范圍。

由于球銷副為IV級副，其自由度為2，多個球銷副組合就會造成主骨自由度過多、運(yùn)動不可控的問題。為使魚的擺動可控，在球銷副上增加多個銷孔，當(dāng)球銷副在電動機(jī)的作用下轉(zhuǎn)動到所需位置時，控制系統(tǒng)會解開銷鎖定，同時控制電動機(jī)制動，此時銷彈出，插入銷孔。這樣，就能夠通過控制銷，實現(xiàn)在一定范圍內(nèi)控制魚體擺動角度的目的。

機(jī)構(gòu)示意圖機(jī)構(gòu)示意總圖如圖5、圖6所示。主骨機(jī)構(gòu)在整機(jī)中的位置如圖5中4所示。

圖5 機(jī)構(gòu)示意主視圖

圖6 機(jī)構(gòu)示意側(cè)視圖

1.2 抹香鯨仿生：腮和肺

根據(jù)仿生原理：抹香鯨游速一般為5.56～9.26 km/h，受驚時可達(dá)18.52～22.22 km/h[5]。抹香鯨的最大潛水深度可達(dá)3000 m以上，是動物王國當(dāng)之無愧的“潛水冠軍”。抹香鯨能成為“海洋霸主”的原因之一是它具有強(qiáng)大的呼吸系統(tǒng)，其右鼻孔的通道類似于一個空氣儲藏室，這樣抹香鯨就相當(dāng)于擁有了兩個肺。

鑒于抹香鯨強(qiáng)大的深潛功能，本文提出“多室水肺”的概念。通過對抹香鯨的仿生，在本深海探測機(jī)器魚內(nèi)部設(shè)置了多個空腔，這些空腔主要有：在魚體中部的一個較大的空腔，稱之為“肺”，如圖5中2所示，它與接下來所述小空腔都連通并且設(shè)置有一個空氣產(chǎn)生裝置，如圖5中5所示。在頭的上部和下部、近尾部都分別有一個較小的空腔，它們都與“肺”連通但不互相連通。這些空腔與“肺”的連接處設(shè)有由芯片控制的開關(guān)，可以將空腔與“肺”完全隔絕，形成獨(dú)立的空腔。這些較小的空腔各連接一個雙向變量液壓泵和氣體產(chǎn)生裝置，當(dāng)傳感器檢測壓強(qiáng)在可承受范圍外時，控制系統(tǒng)不會啟動液壓泵，只是控制液壓泵的開合，根據(jù)實際情況控制氣體的產(chǎn)生和排放。在壓強(qiáng)承受范圍內(nèi)，當(dāng)需要快速上浮或者動力不足需要使機(jī)器魚浮出水面時，芯片發(fā)出指令控制氣體產(chǎn)生，此時打開如圖5中5所示空氣產(chǎn)生裝置的閥門，將腔內(nèi)海水排出，使得氣體充滿“肺”

以及各個小空腔，這樣機(jī)器魚能夠獲得很大的浮力，浮出水面。同理，當(dāng)需要下潛時，下側(cè)液壓泵向腔內(nèi)泵入海水，腔內(nèi)氣體從圖5中3所示的排水/放氣閥和1所示的上側(cè)液壓泵排出，使海水充滿內(nèi)腔，魚體下潛。

深海的壓強(qiáng)極大，1000 m深海壓強(qiáng)約為103 kg/cm2。在外界壓強(qiáng)極大的情況下，“肺”中不能存有空氣，否則會被巨大的壓強(qiáng)立即壓扁。

當(dāng)外界壓強(qiáng)足夠大時，芯片會控制液壓泵啟動，泵入海水并將氣體排出，這樣，即使在深海，也不會被巨大的壓強(qiáng)壓扁，仍然能夠潛入更深的海洋進(jìn)行探測工作。在深海時，控制芯片基于算法和接收到的訊息控制液壓泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過液壓泵向外排水可以獲得前進(jìn)的動力，與魚體擺動排水產(chǎn)生的動力組合，使得機(jī)器魚獲得更大的動力，同時，液壓泵排水也能夠完成糾正魚體行進(jìn)方向的任務(wù)，令仿生魚在深海的運(yùn)動更為精確。

上述液壓泵即代替了魚類腮的部分作用，主要作用是排氣、排水和吸水，使得本機(jī)器魚可以完成預(yù)定任務(wù)。

1.3 魚鰭

魚體各鰭都為魚能夠在水中運(yùn)動自如產(chǎn)生了不可替代的作用，通過對各種魚鰭的仿生，使本仿生魚深海探測機(jī)器人可以如同魚兒一樣，在水中自如運(yùn)動。根據(jù)下述魚類的尾鰭、胸鰭、背鰭的仿生原理，為仿生魚設(shè)計出屬于自己的魚鰭。

根據(jù)李芝旭[6]利用局部麻醉法來觀察魚鰭作用的結(jié)論了解到：

尾鰭：如同船“舵”，能夠調(diào)節(jié)魚在水中游動時的方向，隨魚體左右擺動從而排水，產(chǎn)生魚兒前進(jìn)的主要動力，同時還可以保持身體平衡穩(wěn)定。尾鰭位于魚體尾端，對于大多數(shù)魚來說，相比于其它魚鰭更大。

胸鰭：胸鰭類似于“船槳”，用來維持魚兒身體的平衡、也能改變運(yùn)動的方向、控制魚體前進(jìn)和減速。形態(tài)及運(yùn)動：位于魚鰓鰓孔后側(cè)，當(dāng)尾鰭不運(yùn)動時，胸鰭向魚體倆側(cè)張開，在做前后擺動時，魚體前進(jìn)；一側(cè)胸鰭擺動時，魚體改變方向。

背鰭：作用是參與調(diào)節(jié)魚體在水中垂直方向上的平衡、在快速游動時改變方向。在一些魚類中，可以起提供動力的作用。形態(tài)及運(yùn)動：垂直波浪，維持魚體直立?？勺笥覕[動幅度小。

利用上述結(jié)論進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計。

（1）尾鰭

尾鰭連接于主骨上，其機(jī)構(gòu)示意圖如圖7所示：、、形成虛約束，尾部支撐桿7、8在點固定，聯(lián)結(jié)成尾鰭的形狀。尾鰭隨主骨的擺動而擺動，同時搖桿3、4、5的擺動使得尾鰭本身也可以在一定范圍內(nèi)擺動。軸表示不在同一平面內(nèi)

蘇柏泉等[7]指出：尾鰭連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸和擺角之間的關(guān)系：相位差調(diào)節(jié)范圍一般在60°～100°之間。

尾鰭分為上下兩鰭，在其接縫處有契合槽，能將上下兩鰭緊緊固連在一起，尾鰭使用剛性材料，邊緣處使用柔性材料。

（2）胸鰭

設(shè)計胸鰭，目的是為了使魚體能夠轉(zhuǎn)彎和保持平衡。胸鰭橫于魚體兩側(cè)，能夠上下擺動從而控制平衡，其機(jī)構(gòu)示意圖如圖8所示。

本胸鰭機(jī)構(gòu)中，以搖桿4為主動件，當(dāng)搖桿2和連桿3共線時，機(jī)構(gòu)的傳動角為0°，此時的位置是死點。兩個球銷副和主骨機(jī)構(gòu)中介紹的球銷副原理相同，能夠控制卡死和進(jìn)行胸鰭豎直位置的微調(diào)。當(dāng)需要胸鰭工作時，芯片會控制銷彈出卡死，此時的形狀就是魚的胸鰭狀，這樣的設(shè)計使胸鰭的擺動能夠更加穩(wěn)定、可靠。

轉(zhuǎn)彎時，主骨上每一個球銷副的轉(zhuǎn)動角度疊加在一起，再加上尾鰭的自主擺動角度，就是魚體的擺動角度。此時魚體偏離其中心彎曲于魚體一側(cè)，通過控制另一邊胸鰭的拍動提供轉(zhuǎn)動方向的力，從而實現(xiàn)魚體轉(zhuǎn)彎的動作。

1.機(jī)架；2.連桿；3～5.搖桿；6.連桿；7、8.尾部支撐桿（可手動調(diào)整角度）；A、B、C、D為轉(zhuǎn)動副。

1.機(jī)架；2、4.搖桿；3.連桿；B、C.轉(zhuǎn)動副；A、D.球銷副。

而在魚體游動時，胸鰭通過上下調(diào)整、略微傾斜來改變魚體對于水流的受力面積，兩側(cè)胸鰭各自控制，魚體會因兩側(cè)受力不同從而改變其偏斜角度，令魚體恢復(fù)、保持平衡狀態(tài)。

胸鰭采用柔性材料，剛性構(gòu)件在其內(nèi)部支撐，根據(jù)張紀(jì)華等[8]對胸鰭的實驗結(jié)果：胸鰭模型的尖端薄壁區(qū)域發(fā)生了比較嚴(yán)重的不規(guī)則被動變形，由此，胸鰭使用柔性材料，讓這種變形的影響不至于破壞魚體以及影響機(jī)器魚的工作。

（3）背鰭

設(shè)計背鰭的目的是維持潛水狀態(tài)時機(jī)構(gòu)的平衡，其機(jī)構(gòu)單元體的機(jī)構(gòu)示意圖如圖9所示。

1.機(jī)架；2.圓柱凸輪；3.搖桿；A、C、D.轉(zhuǎn)動副；B.移動副。

在仿生魚背鰭處，有多個背鰭機(jī)構(gòu)單元體依照背鰭形狀排列，每一個都能單獨(dú)進(jìn)行控制。

背鰭采用柔性材料，能夠隨意彎曲和在一定范圍內(nèi)擴(kuò)張。當(dāng)魚體為平衡狀態(tài)時，背鰭靜止不動；當(dāng)魚體在水中游動，產(chǎn)生力的不平衡時，就會導(dǎo)致魚體的不平衡，此時，通過對傳感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，控制系統(tǒng)根據(jù)分析結(jié)果控制各個背鰭單元體左右擺動，由于各個單元體擺動的方向、角度不同[9]，就會使得背鰭變成波紋狀，各個單元體不斷變換角度就會令柔性背鰭產(chǎn)生波動，波動產(chǎn)生的水的推力與阻力平衡，從而能夠更加精確地實時控制魚體的平衡。當(dāng)游動速度加快時，背鰭的波動頻率也要升高，這是由于游速加快時所受到的阻力也會變大，所以必須以較高的波動頻率產(chǎn)生較大的水動力與阻力形成平衡狀態(tài)。

2 外殼與潛海深度

2.1 外殼

仿形原理：抹香鯨具有很厚的皮下脂肪層。脂肪是熱的不良導(dǎo)體，導(dǎo)熱性比水低得多。鯨的皮下脂肪就相當(dāng)于一層天然的絕熱屏障。在鯨類中，抹香鯨皮下脂肪的平均厚為13～18 cm。皮下脂肪越厚，隔熱性能就越強(qiáng)。

軟體機(jī)器人與剛性機(jī)器人最本質(zhì)的區(qū)別就在于其軀體材料的使用上，軟體機(jī)器人使用軟彈性材料，能夠獲得較好的靈活性和適應(yīng)性[10]。本設(shè)計中的仿生魚深海探測機(jī)器人采用流線型設(shè)計，頭部以及各個構(gòu)件采用剛性材料，而魚身采用軟體材料，能夠增強(qiáng)本機(jī)器魚的靈活性，使得它能夠在水中自由地變換角度。

為了保護(hù)仿生魚中的電子器件免受高壓的侵害，將這些電子器件分開排列，使得每個部分所占空間很小，并將這些電子器件嵌入到軟體材料中，由李國瑞等[2]的測試和模擬表明，上述方法能夠減小壓力下組件之間界面處的應(yīng)力，能夠更有效的保護(hù)機(jī)器魚中的電子器件不受損傷，并且這樣的排列也更加便宜實用，能夠減少經(jīng)濟(jì)成本。

2.2 潛海深度

本機(jī)構(gòu)設(shè)計旨在增大仿生魚的探海深度，從理論上講，因為可以將內(nèi)部空氣排凈，所以在不受續(xù)航時間、信號范圍等條件制約的情況下，能夠潛入盡可能深的海洋。

由于可以通過控制裝置實現(xiàn)自動探測、返航，可以不受信號范圍約束，所以實際潛水深度主要受續(xù)航能力的制約。而產(chǎn)生氣體上浮、排氣下沉的方式也能節(jié)省能源的消耗，增強(qiáng)續(xù)航能力。由于本文只提供機(jī)構(gòu)設(shè)計，未進(jìn)行實物模型的制造以及模擬實驗，所以其實際潛海深度本文不做詳細(xì)討論。

3 總結(jié)

本文通過對幾種魚類的仿生，提出了一種仿生魚深海探測機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計：主要對本深海探測仿生魚體的骨架機(jī)構(gòu)、胸鰭機(jī)構(gòu)、背鰭機(jī)構(gòu)和尾鰭機(jī)構(gòu)進(jìn)行了基于仿生原理的設(shè)計。

對于外殼材料，結(jié)合張紀(jì)華等[8]、郝天澤等[10]的研究結(jié)果進(jìn)行參考并仿生。

首次提出“多室水肺”的概念，在使深海探測裝置能夠潛入更深的海洋進(jìn)行探索、檢測的同時也增強(qiáng)了機(jī)器魚的性能、降低了深潛時的能耗，為新一代深海探測裝置的設(shè)計制造提供了參考。

[1]梁準(zhǔn)，張子揚(yáng)，林子雄，等. 一種雙自由度胸鰭仿生機(jī)器魚[J].兵工自動化，2020，39（11）：82-86.

[2]Li G R，Chen X P，Zhou F H，et al.Self-powered soft robot in the Mariana Trench[J]. Nature，2021，591（7848）：66-84

[3]Nathaniel N. Goldberg，Dimitri D. Deheyn，Shengqiang Cai，et al. Translucent soft robots driven by frameless fluid electrode dielectric elastomer actuators[J]. Science Robotics，2018，3（17）. DOI：10.1126/scirobotics.aat1893.

[4]Berlinger Florian，Gauci Melvin，Nagpal Radhika. Implicit coordination for 3D underwater collective behaviors in a fish-inspired robot swarm[J]. Science robotics，2021，6（50）. DOI：10.1126/scirobotics.abd8668.

[5]劉軍，趙新生，劉政. 探秘抹香鯨[J]. 大自然，2012（3）：66-69.

[6]李芝旭. 用局部麻醉法觀察魚鰭的作用[J]. 生物學(xué)通報，2003（1）：25.

[7]蘇柏泉，王田苗，梁建宏，等. 仿生魚尾鰭推進(jìn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計[J]. 機(jī)械工程學(xué)報，2009，45（2）：88-93.

[8]張紀(jì)華，劉樂華，楊曉光，等. 水下仿生柔性胸鰭擺動水動力特性試驗研究[J]. 船舶力學(xué)，2021，25（4）：406-415.

[9]蔣小勤，杜德鋒，彭鈞. 長背鰭扭波推進(jìn)活魚實驗研究[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報，2010，22（3）：1-6.

[10]郝天澤，肖華平，劉書海，等. 集成化智能軟體機(jī)器人研究進(jìn)展[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2021，55（2）：229-243.

Mechanical Structure of Bionic Fish Deep-Sea Detection Robot

ZHANG Xinchen，YANG Kang，SUN Yulong，CUI Haoran，JIANG Jiawen

( School of Mechanical Engineering,Jiamusi University, Jiamusi 154007, China)

In order to make the robot fish dive into the deeper ocean, the mechanical structure of a bionic fish deep-sea exploration robot is designed, and the concept of "multiple lungs" is put forward for the first time. Based on the research results of existing fish model stress experiments and the design guidance of mechanical principles, a new mechanical structure of the skeleton, dorsal fin, pectoral fin, caudal fin and inner cavity of robot fish is put forward from the component level by analyzing the movement mode of fish and the functions of each part, and the reasons for these mechanical structures being more optimized and their operation modes are expounded. At the same time, according to the existing research results, some opinions are presented on material selection, control methods and the placement of electronic devices.

deep sea exploration；mechanical mechanism；bionic fish

TP242

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.04.012

1006-0316 (2022) 04-0068-06

2021-11-01

張昕辰（2000－），男，山西介休人，主要研究方向為深海探測機(jī)械及其應(yīng)用，E-mail：2769773756@qq.com。*通訊作者：楊康（1972－），女，湖南長沙人，碩士，副教授，主要研究方向為自動控制與檢測技術(shù)，E-mail：332108924@qq.com。