多節(jié)舵機驅動的柔軟尾鰭機器魚設計與研究

楊茂冠 陳欣 彭梓晴 呂錦浩 馬梁明 楊坤悅 袁爭 宋加雷

(東莞理工學院 機械工程學院，廣東東莞 523808)

魚類在海洋中經(jīng)過數(shù)億年的進化，形成了非凡的游動性能，具有高速、高機動性、高效率、低噪音等特點。有研究表明，魚類的游泳效率超過90%[1]。盡管魚類的速度和效率不一定達到了最優(yōu)，但其整體的運動性能卻接近最優(yōu)，因此，吸引了生物學家們對魚類運動機理[2-6]的研究，特別是Lighthill提出的細長身體理論[7]作為預測力和效率的有效工具，已被廣泛用于機器人魚設計。機器人學者在魚類運動機理的基礎上，不斷研制和完善具有魚類運動特點的仿生機器魚。魚類推進模型根據(jù)不同的推進部分[8-9]分為兩類：一是身體和/或尾鰭(BCF)游泳運動；二是中鰭和/或配對鰭(MPF)游泳運動，陰影區(qū)域表示推力產(chǎn)生中涉及的部分[8]如圖1所示

圖1 魚類推進模型圖

BCF推進方式的魚類彎曲身體以產(chǎn)生向后移動并延伸到尾鰭的推進波。在這種行波的傳播過程中，行波的振幅向后增加，行波的速度超過魚的游泳速度。這種類型的魚推進約占魚類種類的85%。MPF推進方式的魚類靠中鰭及/或雙鰭游動，這些鰭包括胸鰭、背鰭和臀鰭。因此在仿生機器魚的設計時，大部分采用身體-尾鰭波動推動形式。1994年，美國麻省理工學院MIT成功研制了世界上第一條真正意義上的仿生機器金槍魚RoboTuna[10]，隨后相繼研制了RoboPike、VCUUV(如圖2所示)。

圖2 麻省理工學院研制的多款機器魚

英國埃塞克斯大學自2003以來，在機器魚研究中也有重大成果。最先被人熟知的是其G系列中的G9機器魚，G9的升降性能是當時世界上最好的,最大上升和下降速度分別約為1.5 cm/s和2 cm/s。2014年，同課題組還研制了iSplash-Ⅰ、iSplash-Ⅱ兩條機器魚[11-12]如圖3所示。iSplash-Ⅰ采用電機驅動，長0.25 m, 最大速度3.4 BL/s(6.8 Hz), 其巡航速度保持在2.8 BL/s(6.6 Hz)； iSplash-Ⅱ機器魚游動速度最高可達11.6 BL/s(20 Hz)，它在最大速度(以體長/秒為單位)和耐力(保持最高速度的持續(xù)時間)方面優(yōu)于真正的鲹科運動的魚，然而其電機驅動機構使其只能直線游動，而不能隨便轉彎。

圖3 埃塞克斯大學設計的三款機器魚

日本自上世紀90年代以來一直在研究仿生機器魚，如圖4所示，為研究仿生機器魚最優(yōu)推進方法，日本運輸省船舶技術研究所NMRI先后研制了PPF系列、PF系列和UPF系列仿生機器魚。PF系列和UPF系列應用于水下試驗且研究機器魚在水下游動的基本性能。

圖4 日本運輸省船舶技術研究所先后研究的幾款機器魚

1999年，北京航空航天大學研制出國內(nèi)第一條仿生機器鰻魚，通過伺服電動機分離控制，最快速度1.5 m/s(2 Hz)，該校的另一條機器魚SPC-Ⅱ用于研究盤旋和轉向機動性，采用完全剛體耐艙，能在深度5 m內(nèi)進行定深的自主航行。2001年，中國科學院復雜系統(tǒng)和智能科學實驗室,北京大學航空航天學院機器人研究所合作開發(fā)了一種無線電控制的四連桿仿生機器魚，該機器魚長0.4 m，最大游速0.32 m/s(2 H)；2016年，該團隊研制了一種具有跳躍動作的仿生海豚機器人，該機器魚成功躍出水面，成為了國內(nèi)首個實現(xiàn)自我推進仿生機器魚如圖5所示。此外，國防科技大學、北京大學、華南理工大學、哈爾濱工業(yè)大學等高校均有團隊在研制仿生機器魚，而且發(fā)展很快，成果很多。下文設計一款水下機器魚，使其能夠在水下高效的游動，并執(zhí)行指定的水下搜索、探測與救援任務。

圖5 我國高校研制的幾款仿生機器魚

1 設計方法

本項目將設計制作一款智能避障軟體機器魚，該機器魚仿照自然中應用最廣泛的身體-尾鰭推進模式如圖6所示，采用軟體硅膠尾鰭連接三個串聯(lián)的舵機形式，實現(xiàn)S型擺動提供推力。

通過在機器魚上配備通訊與傳感系統(tǒng)實現(xiàn)定位和避障測距，可以在水下執(zhí)行搜索、探測等任務。

1.1 SolidWorks三維模型

圖6 仿生機器魚裝配體

仿生機器魚主要是通過多個舵機串聯(lián)的形式實現(xiàn)魚體的擺動。通過多個舵機相互配合，達到模擬魚的動態(tài)軌跡。關于舵機數(shù)目的選擇以及具體的擺放位置可針對所需進行調(diào)整。本文使用的機器魚是采用三舵機串聯(lián)形成的魚體與軟體硅膠尾鰭連接的形式，實現(xiàn)S型的擺動提供推力，這樣的機器魚除能控制好長度外還能有一定的靈活性。在外形和運動上，都能達到較好的模擬效果。機器魚除了魚體結構方面的設計之外,在舵機外側使用橡皮套膜進行密封，以加強樣機防水可靠性，同時需要考慮魚體的浮潛，為此，我們考慮了輔助結構，該結構為滾珠絲杠結構，利用滾珠絲杠結構，將回轉運動轉化為直線運動，可通過重心的調(diào)整，進而實現(xiàn)魚體的潛浮。

1.2 Adams運動仿真

為了更好的研究仿生魚形機器人的運動軌跡，可以使用Adams仿真軟件輔助研究。我們將仿生魚形機器人模型導入到Adams軟件中，進行運動副和接觸力的添加，不斷修改驅動的函數(shù)，參考生物魚S型運動，從而設定魚尾鰭為硅膠材料，其余主要為PLA材料和碳素鋼。通過分析計算將驅動的函數(shù)設置為y=A(x)sin(ks+wt)，為了簡便分析方法，我們使用Adams軟件對機器魚進行運動學仿真分析的模型是取自我們在SolidWorks中的裝配體，然后建立了正弦函數(shù)的步態(tài)生成方法，分別為0.2sin(t)、0.3sin(t)和0.4sin(t)，以控制三個伺服系統(tǒng)的相位差，以及約束附件自由度，如固定、旋轉和移動，從而完成魚的S形模擬運動如圖7所示。實現(xiàn)在Adams中進行對仿生魚形機器人的S型運動仿真，仿真后通過軟件的求解器進行數(shù)據(jù)分析，可以為研究實體機器魚的運動提供了較好的參考數(shù)據(jù)。

圖7 仿生機器魚仿真圖

1.3 硬件選用與程序控制

在仿生機器魚中使用的是STM32F103C8T8型號，程序使用3個pwm通道控制三個無刷防水IPX893舵機，實現(xiàn)機器魚的C型啟動和S型擺動，采用滾珠絲桿的結構調(diào)節(jié)重心實現(xiàn)機器魚的上浮下潛，其中通信是使用了HC-06模塊、GPS定位和聲納測距模塊，可以通過PC端實現(xiàn)控制和實時顯示機器魚的相應數(shù)據(jù)，同時能夠通過雙向通訊系統(tǒng)進行反饋控制。

1.4 樣機以及水中測試

樣機外殼為按照上述模型制作的樹脂3D打印件，魚尾鰭則是以碳纖維為骨架制作的硅膠軟體魚尾。電子元件安放在樣機頭部的平臺上，用捆扎帶和熱溶膠進行固定，并在平臺下方空間安裝配重塊，使樣機得以在水中保持平衡。樣機通過其內(nèi)置的HC-06藍牙模塊與主控端(手機)通信，實現(xiàn)無線控制。樣機總長為72 cm,最大寬度30 cm,最大高度25 cm, 總重7 kg；尾鰭寬度為24 cm，長度為14 cm，有效擺動面積約為164.79 cm2，如圖8所示。測試場地為搭建的便攜泳池，在水池底部用長方形網(wǎng)格進行標記。泳池上方裝有一個高速高清攝像機，記錄實驗過程配合泳池底部標記進而能獲取相應實驗數(shù)據(jù)，如圖9所示：

圖8 實物樣機

圖9 水中測試

2 實驗過程與結果分析

2.1 實驗裝置及實驗方法

在實驗過程中，我們采用如下裝置:量程為10 m,誤差為0.01 mm的皮尺、記時精度為99.997 685%的卡西歐秒表、型號：NPX-GS6500UM,分辨率為640×480的高速攝像機、1.2 m×2 m×0.3 m折疊水池、馬克筆。我們通過控制機器魚的擺動角度，分別為15°、20°和25°；實現(xiàn)硅膠尾鰭推進模式下機器魚運動過程的速度跟蹤。在相同的擺角下，對不同延遲進行了速度分析：設置4組延遲變量：260 ms、300 ms、320 ms、380 ms。我們用正方形數(shù)格數(shù)和勾股定理來估計魚游動的曲線距離，并用卡西歐秒表來計算游泳時間，計算各組的速度，最后使用python分析實驗結果中的數(shù)據(jù)，生成相應的圖表。實驗誤差的來源如下：視頻中記錄的坐標方格位置與真實坐標方格位置存在差異。

2.2 測試結果

圖10 速度與舵機延遲的關系結果(固定擺角20°)

圖11 不同延遲的條件下速度與舵機擺角的關系結果

圖10實驗結果顯示，在固定擺角200時，仿生機器魚的巡游速度與舵機延遲相關，這與魚類學家的研究結果一致。當舵機延遲在340 ms內(nèi)，機器魚的巡航速度與舵機延遲成正相關，當舵機延遲大于340 ms時機器魚的速度成下降趨勢。在340 ms左右實現(xiàn)了最大速度。這是因為延遲達到一定值時，舵機的反應有置空時段，導致整體擺動偏離魚體波方程，最終結果是導致仿生機器魚的巡航速度下降。圖11顯示在不同擺角下的速度曲線。當擺動延時較小時(280 ms)，擺角增加使速度有下降趨勢；而當擺動延時增大時，機器魚巡航速度隨舵機擺角增大而減小。這說明擺角與延時存在相關性來獲得最大游動速度。一般來說，小擺角對應小擺動延時，大擺角對應大的擺動延時。

3 結語

本項目設計測試了一款應用于水下探測的智能避障軟體機器魚。機器魚的驅動采用身體-尾鰭波動的方式，通過設置波動的函數(shù)，可以實現(xiàn)機器魚快速向前的推進。同時，尾鰭采用了軟體硅膠材料，可以在舵機驅動左右搖擺時被動變形，實現(xiàn)S型驅動，同時能夠存儲彈性勢能在后續(xù)的運動中釋放，提高推進效率。通過在機器魚上配備聲納傳感器、GPS模塊，藍牙模塊等傳感器形成聯(lián)合系統(tǒng)，可以在水下執(zhí)行搜尋探索的任務，如仿生機器魚通過無線通信控制，聲納傳感器測距反饋規(guī)劃路線，快速到達溺水者所在位置，同時攜帶簡單的救援輔助物品，搜救人員通過獲取目標的GPS位置后，精準救援。