水下觀測(cè)機(jī)器人推進(jìn)器的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)研究

包海默，趙天琦，馮鳴，許若麟，安軒昂，宋梅萍

（1.大連民族大學(xué) 設(shè)計(jì)學(xué)院，遼寧 大連 116600；2.大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026）

結(jié)構(gòu)仿生以仿生學(xué)為基礎(chǔ)，通過(guò)總結(jié)自然界生物內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)特征，模仿生物整體或局部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和功能機(jī)制來(lái)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)[1-2]。結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)作為一種重要的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，被廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)、服裝設(shè)計(jì)、醫(yī)療產(chǎn)品、家具設(shè)計(jì)以及海洋設(shè)備等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。其中，在海洋領(lǐng)域?qū)λ路律鷻C(jī)器人的研究中，諸多學(xué)者運(yùn)用仿生的手段，通過(guò)研究海洋生物的形態(tài)學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，模仿它們優(yōu)越的游動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的仿生推進(jìn)，能夠有效解決傳統(tǒng)水下機(jī)器人螺旋槳推進(jìn)帶來(lái)的能耗高、噪音大、靈活性差、對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成破壞等問(wèn)題[3-4]。如Hu 等[5]和Zhou 等[6]通過(guò)模仿尼羅河魔鬼魚研制了波動(dòng)長(zhǎng)鰭仿生推進(jìn)裝置；譚俊哲等[7]受水母噴射式推進(jìn)方式的啟發(fā)，研制了一種仿生水母機(jī)器人；Curet 等[8]模仿刀魚研制了一款仿魚長(zhǎng)鰭波動(dòng)水下航行器。然而，目前在仿生推進(jìn)器的研究中，大多是對(duì)生物結(jié)構(gòu)的機(jī)械模仿，缺乏動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)的理論指導(dǎo)，且目前對(duì)于動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)的研究也較少。本文以水下觀測(cè)機(jī)器人推進(jìn)器為例，運(yùn)用動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)的方法對(duì)其進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)研究。

1 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)概述

1.1 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)仿生的一種，與常見的對(duì)仿生對(duì)象靜態(tài)結(jié)構(gòu)的模仿不同，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)主要是將生物的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化與產(chǎn)品在發(fā)揮功能時(shí)所發(fā)生的活動(dòng)變化相對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)與生物原型動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)相一致[9]。動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生需以功能創(chuàng)新為導(dǎo)向，尋找具有相關(guān)功能的動(dòng)態(tài)仿生對(duì)象，對(duì)結(jié)構(gòu)變化以及相關(guān)的外形、肌理、色彩等動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行抽取，利用現(xiàn)有的技術(shù)與設(shè)備對(duì)動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行模仿，體現(xiàn)動(dòng)態(tài)功能和實(shí)現(xiàn)的過(guò)程[10]。

1.2 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)方法

動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)方法不同于對(duì)生物靜態(tài)結(jié)構(gòu)特征的仿生，而是強(qiáng)調(diào)了對(duì)生物動(dòng)態(tài)形態(tài)與結(jié)構(gòu)的模仿，對(duì)生物的外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行提取并與產(chǎn)品功能融合。動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生在流程上與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)類似，在設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)合了自上而下和自下而上兩種思路?！吧稀贝碓O(shè)計(jì)研發(fā)層面，“下”代表自然界生物層面[11]。自上而下的思路是指先從設(shè)計(jì)研發(fā)所遇到的具體問(wèn)題出發(fā)，在自然界生物中尋找優(yōu)良的特征并加以引用。自下而上的思路是指先從已知的自然界生物的優(yōu)良特征出發(fā)，在技術(shù)層面對(duì)其原理進(jìn)行分析并運(yùn)用到設(shè)計(jì)研發(fā)中。本文提出的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)方法如圖1 所示。

圖1 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)方法Fig.1 Bionic design method of dynamic structure

（1）選擇仿生對(duì)象，根據(jù)產(chǎn)品的目標(biāo)需求與設(shè)計(jì)定位，查找相關(guān)資料，尋找與產(chǎn)品本身相關(guān)聯(lián)的生物作為仿生對(duì)象并對(duì)其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)真分析，為仿生提供客觀依據(jù)，動(dòng)態(tài)仿生目標(biāo)生物需在功能需求與使用情景上與產(chǎn)品具有良好的匹配性，生物結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)才能適用于產(chǎn)品功能創(chuàng)新；（2）動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)特征提取，通過(guò)簡(jiǎn)化抽象的方法，依據(jù)一定的主次關(guān)系對(duì)生物動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取[12]，提取分為生物的外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)特征三個(gè)部分，通過(guò)生物外部形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的提取與轉(zhuǎn)化以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)特征的表達(dá)；（3）生物特征與產(chǎn)品匹配，將提取出的生物形態(tài)、結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)特征轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及能夠?qū)崿F(xiàn)的動(dòng)態(tài)功能，選取合適的材料與元件對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的需求；（4）產(chǎn)品集成創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過(guò)方案的推導(dǎo)與優(yōu)化對(duì)產(chǎn)品整體造型與結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮產(chǎn)品的功能性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等因素，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品集成與創(chuàng)新；（5）設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)，通過(guò)仿真評(píng)估與驗(yàn)證等手段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)，合理的評(píng)價(jià)能夠指導(dǎo)仿生結(jié)果的迭代，若未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，重復(fù)進(jìn)行步驟（2）～（5），使仿生結(jié)果逼近設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 水下觀測(cè)機(jī)器人推進(jìn)器動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)實(shí)例

隨著我國(guó)海洋牧場(chǎng)的不斷開發(fā)，迫切需要對(duì)水質(zhì)環(huán)境、魚類生長(zhǎng)狀況等情況進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間在線監(jiān)測(cè)。目前面向海洋牧場(chǎng)觀測(cè)的水下機(jī)器人普遍采用螺旋槳推進(jìn)，存在效率低能耗高、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)大、容易被海草糾纏、低速不穩(wěn)定等問(wèn)題[4]。而當(dāng)前對(duì)螺旋槳推進(jìn)技術(shù)的研究還存在一定的瓶頸，難以解決低速狀態(tài)下推進(jìn)的有效性等問(wèn)題，魚類經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的進(jìn)化，具備優(yōu)越的游動(dòng)性能，在推進(jìn)效率和機(jī)動(dòng)靈活性方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小和噪音小的特點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中具有非常重要的作用，為人類研制新型水下推進(jìn)裝置提供了模仿對(duì)象[13]，因此，運(yùn)用仿生手段來(lái)探尋新的水下機(jī)器人推進(jìn)方式十分必要。本文設(shè)計(jì)實(shí)例將以動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生方法為原則，目的是實(shí)現(xiàn)水下觀測(cè)機(jī)器人推進(jìn)器的仿生設(shè)計(jì)。

2.1 仿生對(duì)象的選取與特征分析

水下環(huán)境的復(fù)雜性使魚類產(chǎn)生了不同的形態(tài)，通過(guò)查閱大量海洋生物研究資料發(fā)現(xiàn)，在眾多海洋生物中，以胸鰭波動(dòng)推進(jìn)的魚類游動(dòng)速度雖然不高，但在低速巡游的情況下推進(jìn)效率相對(duì)較高，能夠保持良好的穩(wěn)定性，有著靈活機(jī)動(dòng)和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。藍(lán)斑條尾魟作為一種以胸鰭波動(dòng)推進(jìn)的魚類，身體呈圓盤狀，兩側(cè)胸鰭發(fā)達(dá)，身體左右對(duì)稱，整個(gè)外形呈現(xiàn)出良好的流線型。在水下游動(dòng)的過(guò)程中，通過(guò)身體兩側(cè)的胸鰭波動(dòng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生前進(jìn)的推力，配合細(xì)長(zhǎng)的尾巴能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。游動(dòng)時(shí)扁平的身體能夠保持不動(dòng)，穩(wěn)定性良好，十分適合作水下觀測(cè)機(jī)器人的模仿對(duì)象。

對(duì)藍(lán)斑條尾魟胸鰭內(nèi)部骨骼結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，如圖2 所示，藍(lán)斑條尾魟胸鰭組織內(nèi)密布著無(wú)數(shù)鰭條軟骨，鰭條呈放射狀分布，每根鰭條由胸鰭肌肉組織連接[14]。鰭條軟骨的這些特點(diǎn)，決定了其胸鰭產(chǎn)生波動(dòng)推進(jìn)所需的柔性和靈活性。胸鰭內(nèi)的每根鰭條由背部肌肉和腹部肌肉驅(qū)動(dòng)，在背肌和腹肌交替收縮和舒張的作用下，能夠形成周期性的擺動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)鰭面波動(dòng)。此外，藍(lán)斑條尾魟直線巡游時(shí)魚體無(wú)明顯運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)胸鰭的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)對(duì)稱性，且波形類似正弦波。因此，本文旨在通過(guò)對(duì)藍(lán)斑條尾魟胸鰭結(jié)構(gòu)特征分析的基礎(chǔ)上，對(duì)波動(dòng)鰭推進(jìn)器進(jìn)行動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)，以期能夠?qū)崿F(xiàn)水下觀測(cè)機(jī)器人的低速穩(wěn)定航行。

圖2 藍(lán)斑條尾魟與胸鰭骨骼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram for bluespotted ribbontail ray and its skeletal structure of pectoral fin

2.2 藍(lán)斑條尾魟結(jié)構(gòu)特征提取

結(jié)構(gòu)特征提取包括形態(tài)特征提取和功能機(jī)制提取，對(duì)藍(lán)斑條尾魟的胸鰭骨骼結(jié)構(gòu)特征、鰭面形態(tài)特征以及肌肉驅(qū)動(dòng)功能機(jī)制進(jìn)行提取和分析，采用特征分解與組合、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、規(guī)則化、幾何化等手法，對(duì)胸鰭部分進(jìn)行特征提取。由于藍(lán)斑條尾魟胸鰭關(guān)于身體左右對(duì)稱，因此只對(duì)其單側(cè)胸鰭結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取。藍(lán)斑條尾魟胸鰭結(jié)構(gòu)特征提取如表1 所示。

表1 藍(lán)斑條尾魟胸鰭結(jié)構(gòu)特征提取Tab.1 Structural feature extraction of pectoral fin of bluespotted ribbontail ray

1）胸鰭骨骼結(jié)構(gòu)。胸鰭組織內(nèi)密布著無(wú)數(shù)鰭條軟骨，整體呈放射狀分布排列，因此鰭條設(shè)計(jì)成沿展向輻射狀分布，形狀抽象簡(jiǎn)化為直線，長(zhǎng)度由中間依次向左右兩側(cè)逐漸變短，左右兩側(cè)鰭條關(guān)于中間鰭條對(duì)稱分布，形成胸鰭的骨架。由于真實(shí)魚鰭的鰭條數(shù)量較多，這里只提取了鰭條的排布方式，鰭條數(shù)量將在后文中進(jìn)行論述。

2）鰭面形態(tài)。藍(lán)斑條尾魟身體寬大扁平，呈圓盤狀，左右胸鰭與魚體前端融合相連。在魚進(jìn)行游動(dòng)時(shí)，主要由左右兩側(cè)胸鰭提供動(dòng)力，故不考慮魚體頭部前端部分的形狀。因此，將鰭面外邊緣提取為一條圓弧狀的曲線，將魚鰭基骨弧線簡(jiǎn)化為其外邊緣的同心圓弧線，即胸鰭基線為弧線，鰭面為柔性，呈左右對(duì)稱分布。

3）肌肉驅(qū)動(dòng)。藍(lán)斑條尾魟胸鰭的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)是由背肌與腹肌相互作用，并控制鰭條擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，肌肉作為鰭條運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器，可將單根鰭條的擺動(dòng)提取為單一驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)鰭條擺動(dòng)。根據(jù)鰭條的運(yùn)動(dòng)原理，挑選符合功率的驅(qū)動(dòng)器，使仿生鰭條能夠帶動(dòng)鰭膜運(yùn)動(dòng)，從而形成整個(gè)鰭面的波動(dòng)。

2.3 胸鰭結(jié)構(gòu)特征與水下觀測(cè)機(jī)器人推進(jìn)器功能的匹配

將藍(lán)斑條尾魟胸鰭結(jié)構(gòu)特征與水下觀測(cè)機(jī)器人推進(jìn)器的主要功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案。考慮到水下觀測(cè)環(huán)境為近海區(qū)域的海洋牧場(chǎng)，水下機(jī)器人需要達(dá)成低速穩(wěn)定航行的目的。因此，在設(shè)計(jì)推進(jìn)器的具體結(jié)構(gòu)時(shí)，首先需要明確水下觀測(cè)機(jī)器人的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)：結(jié)構(gòu)形式為封閉式流線型、工作水深不大于 30 m、經(jīng)濟(jì)航速為 0.5 m/s、最大航速為1.2 m/s、主體長(zhǎng)度不超過(guò)700 mm。如圖3 所示，為波動(dòng)鰭仿生推進(jìn)器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3a 為推進(jìn)器整體結(jié)構(gòu)，殼體對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用。圖3b 為推進(jìn)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以看出波動(dòng)鰭仿生推進(jìn)器可以簡(jiǎn)化為鰭條、鰭面以及驅(qū)動(dòng)模塊三個(gè)部分，將提取出的藍(lán)斑條尾魟胸鰭結(jié)構(gòu)特征與推進(jìn)器的各部分功能特征匹配融合，得到各個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)如下：

圖3 波動(dòng)鰭仿生推進(jìn)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram for bionic undulating fin propeller structure

1）鰭條。波動(dòng)鰭的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)所有鰭條按照一定的相位差規(guī)律性擺動(dòng)并帶動(dòng)柔性鰭膜實(shí)現(xiàn)的，鰭條作為波動(dòng)鰭的骨架結(jié)構(gòu)，要綜合考慮其數(shù)目、長(zhǎng)度以及材料的選擇。由于藍(lán)斑條尾魟胸鰭的柔性波動(dòng)是由若干鰭條聯(lián)合擺動(dòng)形成的，在結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)中，不能完全依據(jù)仿生對(duì)象胸鰭中實(shí)際的鰭條數(shù)目來(lái)設(shè)計(jì)。因此，對(duì)于鰭條數(shù)目的選擇，按照單側(cè)胸鰭呈現(xiàn)出的波數(shù)來(lái)確定，依據(jù)的理論是香農(nóng)采樣定理[15]。要想實(shí)現(xiàn)波動(dòng)鰭能夠擬合至少1 個(gè)推進(jìn)波，在胸鰭基線上至少需要排布5 根鰭條。鰭條數(shù)目決定著胸鰭波動(dòng)的柔順性，鰭條數(shù)越多波動(dòng)越柔順，同時(shí)也會(huì)增加控制的復(fù)雜度和驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量，提高設(shè)計(jì)成本；鰭條數(shù)太少波動(dòng)柔順性差，影響其推進(jìn)性能。因此，結(jié)合水下機(jī)器人的工作環(huán)境及尺寸大小，對(duì)鰭條數(shù)目的選擇采取折中的辦法，確定9 根鰭條沿胸鰭基線等弧度排布形成骨架結(jié)構(gòu)，最多能夠呈現(xiàn)2 個(gè)完整的推進(jìn)波。在材料上，選擇高強(qiáng)度、高模量、質(zhì)量輕和易加工的碳纖維桿來(lái)提高仿生胸鰭波動(dòng)姿態(tài)的控制精度。鰭條越長(zhǎng)，仿生胸鰭產(chǎn)生的動(dòng)力越強(qiáng)，但考慮機(jī)器人的最大主體長(zhǎng)度，確定波動(dòng)鰭鰭條長(zhǎng)度為150 mm。

2）鰭面。波動(dòng)鰭鰭面設(shè)計(jì)依據(jù)對(duì)藍(lán)斑條尾魟胸鰭鰭面形態(tài)特征提取出的基本形狀以及鰭條的長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)出仿生推進(jìn)器中鰭面的具體參數(shù)，包括鰭面幾何形狀的設(shè)計(jì)和鰭面材料的選取等。鰭面形狀的外形為扇環(huán)，內(nèi)、外圓弧共用一個(gè)圓心，將鰭面按照鰭條數(shù)n=9 進(jìn)行等分，可得到8 個(gè)子鰭面，相鄰子鰭面共用一根鰭條，鰭面外圓弧半徑為350 mm。鰭面材料的選擇主要考慮兩個(gè)因素：一為鰭面的主動(dòng)變形能夠推動(dòng)水，二為鰭面在水動(dòng)力作用下容易產(chǎn)生被動(dòng)變形，因此，選擇低彈性模量的薄的硅膠薄膜作為仿生胸鰭的鰭面材料。

3）驅(qū)動(dòng)模塊。鰭條的擺動(dòng)依靠驅(qū)動(dòng)模塊提供動(dòng)力，因此，需要選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式。通過(guò)對(duì)比市面上已有的機(jī)電驅(qū)動(dòng)元件，發(fā)現(xiàn)伺服舵機(jī)在輸出扭矩、操控性、響應(yīng)速度等方面符合需求，滿足鰭條驅(qū)動(dòng)的功能，因此，在仿生波動(dòng)鰭中選擇舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。選擇型號(hào)為Power HD 1812MG 的防水舵機(jī)，其在輸出功率、可控性、防水性、體積、重量等參數(shù)上綜合表現(xiàn)良好，比較符合本研究中仿生波動(dòng)鰭的設(shè)計(jì)要求。

此外，還對(duì)舵機(jī)的安裝、舵機(jī)與鰭條的連接、鰭條與鰭面的連接進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)，對(duì)于舵機(jī)的安裝，依據(jù)其尺寸大小和鰭面形狀，設(shè)計(jì)了鋁制的弓形支架配合螺釘螺母安裝固定舵機(jī)，用這種方法使舵機(jī)安裝容易且更換簡(jiǎn)單。由于機(jī)器人的工作環(huán)境為水下，還需考慮波動(dòng)鰭推進(jìn)器的密封設(shè)計(jì)，對(duì)于波動(dòng)鰭殼體本身的密封，需對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與殼體開口處進(jìn)行密封處理，開口處的密封不僅要實(shí)現(xiàn)鰭條的往復(fù)擺動(dòng)，也要對(duì)其進(jìn)行防水處理。推進(jìn)器的9 個(gè)舵機(jī)等弧度排布分別控制9 根鰭條，每根鰭條獨(dú)立可控，最大擺角為35°，鰭條連接鰭膜，通過(guò)控制改變相關(guān)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)波動(dòng)鰭多種波形的呈現(xiàn)。

2.4 創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

按照本文對(duì)水下觀測(cè)機(jī)器人仿生推進(jìn)器的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)，結(jié)合本文設(shè)計(jì)的水下觀測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)指標(biāo)，提出一種面向海洋牧場(chǎng)觀測(cè)的水下機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，最終得到的水下觀測(cè)機(jī)器人方案效果如圖4所示。水下觀測(cè)機(jī)器人的殼體要求耐壓和密封，為減小前進(jìn)方向的航行阻力，降低機(jī)器人自身的能耗，提高其續(xù)航能力，將殼體外形設(shè)計(jì)為類似魚雷的流線型。結(jié)合本研究設(shè)計(jì)的水下觀測(cè)機(jī)器人的性能要求，設(shè)定機(jī)器人主體部分的尺寸直徑為246 mm，長(zhǎng)度為690 mm，主要由頭部、尾部、中間段和外殼組成。波動(dòng)鰭仿生推進(jìn)器對(duì)稱排布于水下機(jī)器人主體兩側(cè)，在水下觀測(cè)機(jī)器人航行的過(guò)程中，保證了其運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，兩側(cè)波動(dòng)鰭通過(guò)鰭條有規(guī)律地?cái)[動(dòng)形成了鰭面的波動(dòng)。

圖4 水下觀測(cè)機(jī)器人方案效果圖Fig.4 Renderings of underwater observation vehicle scheme

3 流體動(dòng)力學(xué)仿真評(píng)估與設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

3.1 流體動(dòng)力學(xué)仿真評(píng)估

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,CFD）主要通過(guò)計(jì)算機(jī)和數(shù)值仿真的方法來(lái)求解控制方程，以模擬和分析流體力學(xué)的基本問(wèn)題[16]。本文利用CFD 數(shù)值模擬結(jié)合用戶自定義函數(shù)（User Defined Function, UDF）對(duì)波動(dòng)鰭進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，CFD求解流程分為前處理、數(shù)值求解以及后處理，其中數(shù)值求解過(guò)程是把在前處理中劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，本文將Fluent 軟件作為求解器。

首先建立波動(dòng)鰭和計(jì)算域的物理模型，然后對(duì)各個(gè)邊界進(jìn)行命名，方便在Fluent 求解器中對(duì)邊界條件進(jìn)行設(shè)置。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的方法，通過(guò)對(duì)波動(dòng)鰭附近流體區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密來(lái)提高計(jì)算結(jié)果的精確度。根據(jù)藍(lán)斑條尾魟胸鰭的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)編寫了相應(yīng)的UDF 程序，只需要對(duì)UDF 程序中的頻率、幅值和波數(shù)三個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行賦值，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)波動(dòng)鰭的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并確定了相應(yīng)的仿真參數(shù)進(jìn)行求解。選取運(yùn)動(dòng)參數(shù)波動(dòng)頻率f=2 Hz、幅值θ=30°、波數(shù)n=2進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，由仿真計(jì)算結(jié)果可知，后臺(tái)監(jiān)測(cè)到的阻力系數(shù)為0.17，相應(yīng)的阻力值為12.77 N。待波動(dòng)鰭運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后（見圖5），從圖5 中可看出：

圖5 波動(dòng)鰭表面流場(chǎng)壓力云圖Fig.5 Pressure nephogram of undulating fin surface

1）波動(dòng)鰭在波動(dòng)過(guò)程中，按照正弦波的形式呈現(xiàn)周期性運(yùn)動(dòng)規(guī)律，高壓區(qū)域出現(xiàn)在鰭面的迎水面一側(cè)，低壓區(qū)域出現(xiàn)在背水面一側(cè)，并隨著鰭面的波動(dòng)而變化。波動(dòng)鰭表面形成的局部壓差，使其產(chǎn)生前進(jìn)的推力。

2）波動(dòng)鰭表面高壓區(qū)域的高壓中心處于靠近鰭面外邊緣的位置，壓力數(shù)值由鰭面外邊緣向鰭面內(nèi)邊緣逐漸減小，這與波動(dòng)鰭中鰭條的運(yùn)動(dòng)模式有關(guān)，越靠近鰭面外邊緣的位置，位移和線速度越大，受到的流體反作用力也越大。因此，鰭面外邊緣附近區(qū)域是波動(dòng)鰭實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?lái)源。

之后對(duì)水下觀測(cè)機(jī)器人進(jìn)行了初步的仿真驗(yàn)證，假設(shè)水下機(jī)器人在航行中不會(huì)受到洋流等一些因素的干擾，只模擬機(jī)器人在穩(wěn)定環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)狀況，因此，仿真時(shí)只考慮機(jī)器人航行時(shí)受到的阻力。采用Fluent 進(jìn)行仿真，模擬水下觀測(cè)機(jī)器人在最大航速1.2 m/s 下的阻力值，得到的阻力系數(shù)如圖6 所示。

圖6 阻力系數(shù)迭代曲線Fig.6 Iterative curve of drag coefficient

可見阻力系數(shù)值在0.5 附近時(shí)趨于平穩(wěn)，且由軟件后臺(tái)監(jiān)測(cè)得到最終收斂的阻力系數(shù)值為0.501，相應(yīng)的阻力值為24.15 N，則單側(cè)波動(dòng)鰭至少需要產(chǎn)生12.08 N 的推力才能使水下機(jī)器人保持勻速穩(wěn)定航行。通過(guò)對(duì)波動(dòng)鰭流體動(dòng)力學(xué)仿真可知，當(dāng)頻率f=2 Hz、幅值θ=30°、波數(shù)n=2 時(shí)單個(gè)波動(dòng)鰭仿生推進(jìn)對(duì)應(yīng)的推力值為12.77 N，與水下機(jī)器人最大航速穩(wěn)定航行時(shí)單側(cè)波動(dòng)鰭所需的推力值較為接近。由此可知，本文所設(shè)計(jì)的仿生波動(dòng)鰭仿生推進(jìn)器達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠基本實(shí)現(xiàn)低速穩(wěn)定航行的目的。

3.2 設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

水下觀測(cè)機(jī)器人采用波動(dòng)鰭仿生推進(jìn)的方式，在水下航行的過(guò)程中，兩側(cè)波動(dòng)鰭通過(guò)鰭條有規(guī)律地?cái)[動(dòng)形成了鰭面的波動(dòng)，鰭面在波動(dòng)的過(guò)程中會(huì)形成局部的壓差使其產(chǎn)生了前進(jìn)的推力。通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)仿真評(píng)估的方法，驗(yàn)證了波動(dòng)鰭能夠產(chǎn)生有效的推力，證明波動(dòng)鰭推進(jìn)器達(dá)到了水下觀測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo)，初步實(shí)現(xiàn)了水下觀測(cè)機(jī)器人在海洋牧場(chǎng)觀測(cè)環(huán)境中的應(yīng)用。綜上，搭載了本研究設(shè)計(jì)的波動(dòng)鰭仿生推進(jìn)器的水下觀測(cè)機(jī)器人能夠有效提升海洋牧場(chǎng)的觀測(cè)能力，這對(duì)于海洋牧場(chǎng)的智能信息化水平以及海洋產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究結(jié)合結(jié)構(gòu)仿生原理提出了動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)方法，以水下觀測(cè)機(jī)器人推進(jìn)器設(shè)計(jì)為例對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。通過(guò)模仿藍(lán)斑條尾魟的胸鰭波動(dòng)推進(jìn)結(jié)構(gòu)，對(duì)水下觀測(cè)機(jī)器人的波動(dòng)鰭仿生推進(jìn)器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)，以流體動(dòng)力學(xué)仿真作為評(píng)估方法，得到了波動(dòng)鰭表面壓力變化情況，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的波動(dòng)鰭仿生推進(jìn)器能夠產(chǎn)生一定的推力。該方法為水下觀測(cè)機(jī)器人推進(jìn)器的相關(guān)設(shè)計(jì)研究提供了參考，為實(shí)現(xiàn)波動(dòng)鰭推進(jìn)仿生水下機(jī)器人在海洋牧場(chǎng)觀測(cè)環(huán)境中的應(yīng)用具有一定的借鑒意義。