基于柔順機構的雙驅動仿生水母設計

高 昂，楊恩慧，張金諾，崔靜宇，權雙璐，胡 橋

（西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049）

0 引言

立足于現階段我國建設海洋強國的戰略規劃，研制水下智能裝備、構建水下技術平臺是我國發展海洋科技的前景目標。仿生機器作為水下智能裝備的重要分支，具有良好的環境適應性[1]，在海洋資源勘探、海洋環境治理、海洋信息檢測等實踐領域具有巨大的潛在應用價值。水母作為海洋中一類重要生物，相較于魚類的尾鰭式和背鰭式游動，具有一種特殊的噴射推進模式[2]。通過肌肉的快速收縮改變自身腔體體積完成排水，利用噴射的反作用力運動，且能有效利用流場能量，是一種高效節能的推進方式，兼具靈活性和平穩性，水母以其特殊的運動模式在仿生學領域獲得了廣泛的關注和研究[3]。意大利微工程研究中心研制了一種通過磁鐵磁力作用排水驅動的微型仿生水母，可以達到37 mm/s的速度[4]；美國弗吉尼亞理工學院研制了一款基于SMA的伸縮變形驅動的仿生水母機器人，其最大運行速度可達54 mm/s[5]；德國FESTO公司研制的AquaJelly機器水母依據魚鰭設計觸須結構，帶動末端鰭片劃水推進[6]；中國科學院自動化研究所的肖俊東和喻俊志研制了一款基于多連桿機構的仿生機器水母[7]。

國內外學者對仿生水母的相關研究僅限于單一驅動方式，推進效率不高，并且缺乏對水母感知功能的實現。因此，本文以機電系統設計和控制功能實現為目標，研制了一種撲動–噴射雙驅動模式的仿水母機器人，可實現水下全向運動，并且搭載的趨光控制系統可實現水下探測及環境感知的功能，為構建水下探測平臺提供了一種集高效性、平穩性、環境適應性于一體的水下智能裝備。

1 整體結構設計

水母主要結構由腔體和觸手組成，通過肌肉收縮改變腔體體積完成排水推進的運動過程，觸手呈輻射對稱狀分布于傘狀腔體四周，部分水母具有感知環境中光源變化的功能。

圖1 整體結構設計Fig.1 Overall structure design

本文針對仿生水母的推進效率問題，提出了一種基于雙驅動推進結構的仿生水母，可有效提高推進效率。仿生水母由仿水母主控艙、柔性撲水鰭條[8]、折紙噴射機構、轉向機構和趨光控制系統組成，通過舵機驅動的曲柄滑塊實現水母撲動–噴射雙驅動的高效運動方式，由舵機驅動的轉向結構結合陀螺儀傳輸的數據，通過改變重心實現閉環的水中姿態調節；以仿生水母為基體，模擬水母趨光特性，結合機器學習算法構建趨光控制系統，可以實現朝向光源運動的功能。

1.1 腔體結構

傘狀腔體是水母承受運動阻力的主要部分，仿照緣葉水母的長圓形腔體結構具有低阻力系數，使水母具有更高的游動速度。并對腔體結構參數進行優化，通過CFD仿真對不同徑高比下腔體結構的阻力系數分析，設計最優結構的徑高比約為0.55︰1，優化后的最小阻力系數為0.011。

圖2 腔體壓力分布云圖Fig.2 Cavity pressure distribution cloud map

采用鏤空肋板的設計在保證結構剛度的同時減輕重量，保證了水母運動的靈活性和高效性。同時，將腔體結構作為控制單元核心，內部大空間密封艙設計，可集中放置電氣控制硬件設備。

圖3 腔體結構Fig.3 Cavity structure

1.2 雙驅動機構設計

自然界中水母主要通過裙帶擺動和改變內腔海水容量的方式實現運動。因此，仿生水母采用鰭條撲動和折紙噴射雙驅動方式，分別模擬水母的裙帶彎曲和內腔排水。并通過由舵機帶動的具有急回特性的偏置曲柄滑塊機構，分別帶動鰭條結構與折紙結構，來模擬水母運動時鰭條緩慢舒展而迅速收攏，內腔緩慢吸水而迅速擠壓噴射的特點，從而實現鰭條的“慢展快縮”以及折紙的“慢上快下”。

1.2.1 柔性鰭條結構設計

部分水母觸手具有推進及改變運動方式的功能，基于此設計剛柔結合的鰭條結構，呈輻射狀對稱分布于腔體周圍，采用內外雙片式結構，外片固定，內片固連曲柄滑塊實現上下運動，帶動鰭條產生形變實現擺動推進，根部設置大面積撲水式鰭，增大了鰭條的尖端位移幅值并在水下產生渦流從而提高推進力及推進效率。

圖4 雙片式柔性鰭條Fig.4 Two-piece flexible fin ray

將鰭條的三維模型導入 Adams 中，給定鰭條的運動參數建立驅動模型，對外片添加固定約束，內片添加位移約束，限制鰭條的位移和轉角，并得到運動位移及速度圖，證明所設計的雙片式鰭條結構具有柔性變形能力。

仿水母機器人由鰭條撲動產生的反向推進力驅動，推進力的大小直接影響仿生水母的運動性能，鰭條擺動所能產生的推進力取決于流體性質和鰭條參數：

式中：F為鰭條表面所能產生的推進力；ρ為流體密度；Cd為阻力系數；S為鰭條迎水面面積；v為相對于流體的運動速度并且受轉動角度影響；vu為運動方向單位矢量，得到鰭條轉動角度θ與推進力F(t)關系。

圖5 Adams柔性仿真Fig.5 Flexible simulation of Adams

圖6 推進力–旋轉角度關系曲線Fig.6 Propulsion force-rotation angle relationship curve

鰭條擺動過程中，提供的推進力隨自身的旋轉角度增大而增大，且具有趨于平穩的峰值，為了獲得最大的推進力，設置鰭條最大旋轉角度為60°，此時阻力系數為1.126 3，平均最大推進力為0.082 3 N，鰭條結構可提供的最大推進力為0.493 8 N。

圖7 鰭條靜力分析圖Fig.7 Static analysis diagram of fin rays

柔性鰭條結構由舵機驅動的曲柄滑塊機構提供動力，而偏置曲柄滑塊機構的急回特性可提高鰭條擺動速度，合理選擇曲柄滑塊機構的參數對優化仿生水母的運動性能具有重要意義。通過workbench靜力學仿真確定連接于鰭條內片的滑塊在柔性鰭條旋轉°

60時的運動行程為h=71.5 mm。設定偏置曲柄滑塊的偏距為e= 27.0 mm，極位夾角為θ= 45.1°，對應行程速比系數K= 1.668 7，機構運動方程如下：

式中：α為曲柄與水平面的夾角。求解運動方程后得到曲柄滑塊參數：

1.2.2 管狀折紙結構設計

根據研究，自然界中部分水母通過收縮外殼擠壓內腔的方式噴射推進自身前進，水流噴出產生的推力將使水母沿身體軸向方向運動。管狀折紙結構[9]所能提供的推進力大小與折紙單元結構參數和流體性質有關

式中，F為折紙結構噴射所產生的推進力；ρ為流體密度；1a、a2為折紙單元設計參數；S為出水口面積；v為折紙結構收縮速度。根據相關研究[10]，折紙單元的優化設計以最大儲水量和輸出剛度為優化目標，優化結果表明最優折紙結構的1a、a2比值約為1.75︰1，因此設計的折紙結構參數為a1＝50mm ，a2＝28mm。確定折紙單元參數后，提供的推進力大小僅與出水口面積和收縮速度有關，而受舵機驅動的折紙結構的收縮速度僅與其高度有關，通過對不同出水口面積和高度的折紙結構進行流體仿真，確定折紙結構參數如下：

根據設計結果建立折紙結構模型，其上部平臺連接進水單向閥和曲柄滑塊機構，利用滑塊上下運動實現折紙結構的軸向拉伸和壓縮，下部固定平臺則安裝有出水單向閥。

圖8 折紙機構Fig.8 Model of origami mechanism

此時，折紙結構可提供的最大推進力為0.180 2 N。通過CFD仿真獲得設計的折紙機構的推進速度約為24 mm/s。

設定偏置曲柄滑塊的偏距為e= 27.0 mm，極位夾角為θ= 55.5°，對應行程速比系數K= 1.890 8，求解運動方程后得到折紙結構的曲柄滑塊參數：

1.2.3 雙驅動機構協同性能

柔性鰭條結構和管狀折紙結構分別由對應的曲柄滑塊機構驅動，其提供的推進力分別為0.493 8 N和0.180 2 N，推進比例約為2.7︰1，采用同向舵機使得雙驅動結構同時進入工作行程以保證最大的推進效率，能夠實現持續高效推進。

1.3 轉向機構

自然界中部分水母會通過控制傘體頂部氣囊里的充氣量從而改變運動方向，轉向機構通過舵機帶動2個重物塊進行旋轉運動，實現水母重心的變化[11]，當重力與浮力不再共線時，水母將產生旋轉趨勢，從而改變傾斜程度和運動方向，在一定范圍內改變水母的重心位置來模擬水母氣囊內充氣量的變化，從而實現水母在水下全向運動的目標。

圖10 轉向機構Fig.10 Steering mechanism

圖11 重心調節變化圖Fig.11 Adjustment of center of mass

通過配置重物塊的位置、重量，偏轉范圍和搖柄長度，得到仿生水母重心的變化圖像，最終確定重物塊的重量為0.935 kg，可調節旋轉半徑約為65 mm。在此基礎上，仿生水母的理論偏轉角為44.982 6°，考慮安全系數為1.5，得到仿生水母實際偏轉角度約為30°。

2 運動控制與趨光感知

2.1 電氣控制系統設計

仿水母機器人以STM32F411單片機作為控制核心，核心運算能力較高，可以實現接受仿生水母的大量傳感數據，并對大量數據進行實時且精確的運算，從而向運動結構發出指令，控制仿生水母的鰭條結構、折紙結構、轉向機構等運動，實現仿生水母的上游、下沉、轉向等各種運動功能。采用容量高達2 200 mA·h的鋰聚合物電池，可實現水母的持久續航。自主設計的電源系統包含多個電壓等級，為電氣特性相異的器件提供更多選擇，且系統設計了過流、過壓防護，為水母的穩定安全運行提供了支持。同時設計了電壓實時檢測電路，以對電路系統的電壓進行實時監測?；谟布橄髮樱℉ardware Abstraction Layer，HAL）開發一套穩定高效的微控制器軟件系統，按照HAL規范實現對芯片接口的配置，兼具代碼標準和操作簡便的優點，大大提高了開發效率。軟件設計中引入了FreeRTOS微控制器實時操作系統，該系統不僅可以實現功能的模塊化，即任務之間相互獨立，可依據需求建立對應模塊，且可對獨立的功能模塊進行獨立測試，極大地提高了工作效率。

圖12 電氣控制系統框圖Fig.12 Block diagram of electrical control system

2.2 趨光控制系統

水母擁有一種原始的視覺器官——眼點，它們分布在傘狀體頂部的外緣，可以感知外界環境的光源，根據光源變化發現和避開障礙物?；诖颂匦?，本文在仿生水母的腔體結構上設計趨光控制系統，使其可以感知外界紅外光線的變化，并結合機器學習算法對光源位置進行預測并做出反應，即趨光運動。

趨光控制系統以集成感光芯片為核心元件，均勻布置在腔體四周，考慮到感光元件的接收角度限制，每隔60°布置一組感光單元以滿足全向感知的要求，采用960 nm的紅外波段作為傳感光源，設計陣列光源結構以抵抗水下光源的衰減，并且在腔體結構上設計暗室以排除干擾光源的影響，在光源進口處安裝紅外濾波膜片排除非傳感光源的影響。

針對光源位置預測偏差，采用支持向量機、Logistic回歸、CART決策樹和K–近鄰算法模型4種機器學習方法處理傳感數據，通過對實驗數據和實驗結果的處理后得到4種模型的準確率、ACU和學習曲線，對比后最終選擇支持向量機模型。

對采集數據進行超參數優化與模型訓練，經過訓練后的模型位置檢測成功率高達90%，在Near-Miss算法生成的欠采樣測試數據集上，對于單個扇形區域進行預測時，得到的概率曲線下所對應的面積值高達0.983 6，證明了該算法在光源位置預測中具有較高的準確性。

將光電傳感系統的感知功能應用于自身的運動控制，當仿生水母未檢測到外界有效光源時，重物塊僅采用微調方法以使水母保持豎直平衡，只在豎直方向進行上游和下沉運動；當仿生水母檢測到外界紅外光源時，機器學習算法模型控制重物塊偏向光源以改變水母運動方向，并結合鰭條和折紙結構的驅動實現水母的趨光運動。

圖13 趨光運動Fig.13 Schematic diagram of phototaxis motion

3 樣機研制與測試

3.1 樣機研制

根據設計結果，綜合考慮力學性能、材料性質、制作成本等因素選擇制造材料，鰭條結構既要滿足剛度要求，又要通過變形產生推進力，因此選擇TPU 95A材料。而對于折紙結構的折痕變形過程則利用軟膠翻模的方法進行制造，非受力桿件采用輕質空心鋁合金制造，受力傳動桿件則采用剛度更好的不銹鋼材料，具體材料選擇如表1。

表1 仿生水母制造材料表Table 1 Manufacturing materials

圖14 仿生水母實體Fig.14 Bionic jellyfish

選定合適材料后，采用3D打印和翻模注塑制造水母實體，其主要技術參數如表2。

表2 仿生水母主要技術參數Table 2 Main technical parameters of bionic jellyfish

3.2 測試實驗

分別對仿生水母的雙驅動推進運動和趨光感知功能進行實驗，水下實驗在半徑1 m、深度1.5 m的圓柱形水池中進行。

實驗結果表明：仿生水母運行穩定，采用的撲動–噴射雙驅動推進模式相比于單一推進模式具有更高的綜合推進效率，運行速度相較于采用單擺動推進的驅動方式提升約25%，證明了本文設計的雙驅動結構是一種高效的推進方式，仿生水母綜合性能如下：

1）仿生水母總重為8.4 kg，浮力為8.35 kg，浮力略小于重力，可在水中自主緩慢下沉；

圖15 雙驅動推進實驗Fig.15 Dual drive propulsion experiment

圖16 趨光運動實驗Fig.16 Phototaxis experiment

2）最大偏轉角度為30°，可實現水下環境中的全方位運動以及穩定的反饋調節系統，同時具有較高的靈活性；

3）總推力為0.674 N，相比于單擺動驅動方式增加約36%，最快游動速度達100 mm/s，在水下能夠實現快速持續推進；

4）通過均勻布置光電傳感器實現了對光源的識別追蹤，且在水下能夠通過轉向結構定向光源，通過驅動結構實現趨光運動，識別距離約為0.3 m，響應時間約為2 s。

4 結束語

本文以水母為仿生對象，提出了一種柔性鰭條撲動與折紙結構噴射的雙驅動仿生水母，有效提升了水母推進力和推進效率，仿水母眼點特性。通過優化陣列設計一種趨光控制系統，可自主實現在水下朝向光源運動，通過樣機試制與實驗驗證了提出的雙驅動機構及趨光運動的可靠性。隨著水下通信技術不斷發展，搭載有水下通信系統的仿生水母將在深海探測、資源勘探、洋流能利用等技術領域[12]發揮出重要作用。