基于環形長鰭波動推進的仿生水下機器人設計

閆勇程，王揚威，蘭博文，趙東標

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

進入新世紀以來，人類開發海洋資源的步伐不斷加快，各種新型水下探測機器人應運而生。傳統的基于螺旋槳的水下推進器，在推進過程中會產生側向渦流，降低推進效率，并且會產生較大的噪聲，槳葉易被水草纏繞，對環境擾動較大。而在長期的自然選擇與遺傳進化中，海洋生物擁有了優異的水下運動能力，為水下機器人的研究提供了設計靈感。基于生物推進方式的仿生水下機器人在游動機動性、游動效率以及環境擾動等方面具有較大的優勢[1-2]，國內外研究人員根據魚類的游動推進方式已經研究出了多種水下仿生機器人[3-9]。

目前魚類的運動推進模式主要分為2種：身體/尾鰭(body and/or caudal fin，BCF)推進模式和中央鰭/對鰭(median and/or paired fin，MPF)推進模式[10-11]。BCF推進模式仿生機器魚最早問世[1]，MPF推進模式仿生機器魚起步較晚，但由于在低速游動下，推進效率、機動性、穩定性較BCF模式更為出色[12]，更適應水下搜救、環境監測、資源勘查、軍事偵察等水下復雜環境下的作業任務。

本文從鰩科魚類魟魚的胸鰭波動運動中獲得靈感，基于胸鰭波動推進運動的生物學特征分析和運動學模型[6-9]，提出一種環狀胸鰭波動推進仿生水下機器人的結構與控制系統設計方案，并通過游動試驗驗證了設計的合理性，展示了環狀胸鰭波動推進方式的優良機動性與穩定性。

1 仿生原型的生物學特征分析與運動學建模

魟魚是一種典型的以MPF模式推進的底棲型魚類，身體扁平，呈圓盤狀，擁有寬大的胸鰭、臀鰭及細長的尾鰭，如圖1所示。魟魚依靠柔性胸鰭的波動運動實現直線游動和機動轉彎，游動時身體基本不隨胸鰭的波動而晃動，擁有優異的游動穩定性和機動性。

魟魚胸鰭由沿身體周向分布的肋軟骨支撐，在軟骨兩側對稱分布的肌肉纖維差動拉動作用驅動下，鰭面可形成不同的推進波形以適應運動的要求和流場的變化。整個胸鰭的波形近似是沿胸鰭周向的諧波，其運動可簡化為由局部肋軟骨和肌肉纖維構成的鰭面單元的柔性彎曲運動在不同相位差擬合的條件下形成的[13-14]。

圖1 珍珠魟

為了描述魟魚胸鰭的波動柔性鰭面，建立了隨體坐標系OBXBYBZB和鰭面單元坐標系OFXFYFZF，如圖2所示。隨體坐標系的原點位于魟魚體盤的中心，鰭面單元坐標系的原點位于每個鰭面單元的基點，OFXF方向為沿鰭面單元的長度方向。在忽略鰭面厚度的情況下，胸鰭可簡化成圍繞在身體周圍的無厚度環形面，且胸鰭的波動運動沿OBXB軸對稱；鰭面可看成是由繞OBZB軸均布的鰭面單元構成，鰭面單元的運動為繞鰭面單元坐標系OFYF的周期擺動運動。

圖2 魟魚胸鰭鰭面坐標系

依據建立的坐標系及相關簡化假設，可計算出任意第i個鰭面單元上的任意點P在隨體坐標系中的坐標：

FPi=[lcosθ,0,lsinθ]Tl∈[0,L]

(1)

根據齊次坐標變換，鰭面單元坐標系相對于隨體坐標系的變換矩陣為：

(2)

其中，φ為鰭面單元坐標系坐標軸OFXF與隨體坐標系OBXB軸所成的夾角。

所以P在隨體坐標系中的齊次坐標可表示為：

(3)

根據假設，第i個鰭面單元的擺角運動規律設為：

θi(t)=θmax(i)sin(2πfit-φi)

(4)

其中，θmax(i)為第i個鰭面單元的最大擺角；fi為第i個鰭面單元的擺動頻率；t為運動時間；φi為第i個鰭面單元的初始相位。

為進一步簡化工程實際應用，對式(4)做進一步簡化，假設所有鰭條的最大擺角相同，即θmax(i)=θmax；所有鰭條的擺動頻率相同，即fi=f；鰭條初始相位φi隨鰭條編號i線性變化，表示為：

(5)

其中，n為一側胸鰭的波數；N為一側胸鰭的鰭面單元總數，φ0為鰭面單元的初始相位。則公式(4)變為：

(6)

2 環狀長鰭波動推進仿生水下機器人設計

2.1 仿生水下機器人總體結構設計

環狀長鰭波動推進仿生水下機器人(圖3)由上殼體、下殼體、端蓋、環形長鰭、沉浮模塊、姿態控制模塊、控制電路、電池和配重組成。環形長鰭是仿生水下機器人的推進裝置，其結構包括伺服舵機、碳纖維鰭條和柔性鰭膜(圖4)，而碳纖維鰭條用于模擬魟魚胸鰭的鰭面單元，通過伺服舵機帶動鰭條的周期擺動運動來使整個環形鰭面形成規律的波動運動，鰭條總數為20個，且沿圓周均布，柔性鰭膜材質為硅膠材質。下殼體是仿生水下機器人的安裝基體，舵機、電池、配重、姿態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計有靜態沉浮模塊。上殼體與下殼體貼合安裝并進行涂膠密封后形成仿生水下機器人的殼體結構，上、下殼體及端蓋是由光敏樹脂3D打印而成。端蓋與上殼體之間通過螺釘相連，采用膠圈密封方式來實現機器人內部的密封，端蓋便于拆裝，用于仿生機器人的電池充電和系統維護。沉浮模塊(圖5)用于控制仿生機器人在水中的靜態下沉和上浮，采用活塞式結構，通過步進電機帶動絲杠旋轉推拉活塞實現從外界環境吸入和向外界排除水，從而改變機器人自身的質量，達到仿生機器人的沉浮目的。姿態控制模塊由沿仿生機器人周向均布的4個滑臺機構組成，每個滑臺上安裝有質量塊，通過4個位置的質量塊移動實現質心調節。控制電路是機器人的中央控制器，實現運動指令的接收和各功能模塊的動作。配重被用于平衡機器人的浮力，確保在沉浮模塊未吸入水的情況下，仿生機器人能基本彎曲浸入水中。

圖3 仿生水下機器人結構圖

圖4 環形鰭面結構

圖5 沉浮模塊結構

2.2 仿生水下機器人控制系統設計

仿生水下機器人的控制系統(圖6)包括：上位機、無線通信模塊、主控模塊和運動控制模塊。上位機通過USB與無線信號發射板連接，將運動控制指令傳送至仿生機器人。無線通信模塊由一對無線發射和接收電路組成，實現指令參數的傳輸。主控模塊由一塊STM32F103RC單片機、超聲波傳感器、水壓傳感器及姿態傳感器組成，主要功能是將上位機的運動指令進行解析，將具體鰭波動參數傳輸至運動控制模塊，同時通過超聲、水壓和姿態傳感器來實時感知仿生水下機器人的運動狀態參數。運動控制模塊由一塊STM32F103VE單片機構成，其功能是依據主控模塊的運動參數，將具體控制量輸出給伺服舵機，以及沉浮模塊和姿態控制模塊中的步進電機。

圖6 控制系統電路原理框圖

圖7為環形長鰭波動推進仿生水下機器人樣機。樣機最大直徑為460mm，高124mm，整個實物樣機質量為10.8kg。

3 仿生水下機器人游動試驗

為了研究環形長鰭推進仿生水下機器人的游動性能，分別進行了直線游動、轉彎游動和浮潛游動試驗。

仿生水下機器人直線游動時，采用沿游動推進方向兩側胸鰭對稱波動的方式，單側鰭面波數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圖像序列，可以看出該仿生水下機器人依靠圓環形長鰭的波動運動，實現了與魟魚胸鰭相似的柔性波動運動，表現出非常好的游動穩定性，游動速度達到45 mm/s。

仿生水下機器人的原地機動轉向是通過完整環形鰭面呈現2個周期完整波形，行波方向繞機體往一個方向傳播，以此來推動機器實現機動轉彎游動。圖9為仿生水下機器人原地順時針機動轉彎游動的圖像序列。此時鰭條最大擺角為20°，頻率為0.8Hz，轉向速度約為42.8°/s。試驗研究表明，仿生樣機在轉向的過程中轉彎半徑極小，機器人在水中的位置幾乎沒有偏移，并且整個樣機的運動也表現得非常平穩。

仿生水下機器人不僅能通過沉浮模塊來實現靜態的下潛和上浮，還能通過控制仿生樣機內部質心調整機構，實現樣機質心的偏移，從而使整個仿生樣機的前進方向與水平面成一定攻角，再配合游動速度來實現動態的浮潛。這種運動有利于游動過程中實時的姿態調整。圖10和圖11分別為仿生水下機器人動態下潛和上浮游動，此時下潛、上浮的攻角約為25°，鰭條最大擺角為30°，游動頻率為1Hz。

圖10 仿生樣機下潛游動

圖11 仿生樣機上浮游動

4 結語

本文在分析魟魚生物原型形態學與運動學的基礎上，設計了一種與魟魚胸鰭波動運動相似的環形長鰭波動推進仿生水下機器人，并研制了樣機。通過直線巡游、機動轉彎和動態下潛與上浮的試驗研究，驗證了仿生水下機器人推進的有效性。環形長鰭波動推進方式為仿生水下機器人提供了一種穩定性好、機動性高的推進策略，能實現水下六自由度的游動運動，以后還將進一步研究環形長鰭波動推進器的水運力學問題，為未來高性能水下機器人的開發提供了一種新型的推進方案。

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