基于仿生水母的水下機器人結構設計與試驗研究*

張冬冬,江一行,范云杰,孫 壘

(浙江機電職業技術學院 智能制造學院,浙江 杭州 310053)

0 引 言

作為水下工作的極限作業機器人,水下機器人憑借其機動性好、自動化程度高等優勢,可代替人們完成水下探測、水下管道檢修等具有一定危險的水下工作。

隨著仿生技術的發展,近年來基于各類水下生物的仿生機器人研究逐漸深入,如仿生魚、仿生烏賊等。而水母因為其特有的噴射推進運動方式,與其他軀體波狀游動或胸鰭拍動推進的方式相比,具有噪音小、隱蔽性好、能耗低等優點,其仿生研究工作逐漸得到關注[1],國內外研究人員在仿生水母機器人研究工作上已取得一定的成果。

美國弗吉尼亞理工學院BRESSERS S等人[2]研發了一款名為“JetSum”的仿生水母機器人,通過形狀記憶合金(shape memory alloys,SMA)薄片的通電加熱后彎曲及恢復來模擬傘狀體的運動,實現水母機器人的噴射推進目的;但這種驅動方式容易受到水溫等環境因素的影響。閆興坤[3]通過對水母的運動機理和形態研究,設計出了一種仿生水母機器人,以傘狀體為主要仿生對象,采用串聯機構進行了機械臂設計,并對其進行了仿真分析和控制算法研究;但其結構較為復雜,且缺乏對轉向機構的設計。王琦等人[4]為了解決較小尺寸機器人實現高效軌跡控制的難題,設計并研制了一種微型仿水母機器人,通過重心調整機構和仿水母推進器的協同控制,有效實現了水下軌跡可控目的,并通過實驗進行了驗證;但該研究對水母生物本身的仿生設計不足,且動作原理與水母生物存在一定的差別。譚俊哲等人[5]根據水母噴射推進的方式,設計了一種以SMA彈簧作為驅動材料的仿生水母機器人,并采用數值模擬的方式研究了不同工作狀態下水母機器人的運動阻力特性;但該運動容易受到環境溫度的影響,且方案缺乏轉向系統設計。

上述研究內容主要是集中于水母生物某單一結構的仿生或運動特性的研究,其整體仿生效果不佳,且機械結構較為復雜。部分學者采用SMA驅動方式,雖然簡化了結構,但其驅動效果容易受到水溫等因素的影響,增加了水母機器人的運動不確定性。

針對上述問題,筆者基于對水母生物特性的研究,采用特征提取和功能耦合的方式,設計一種仿生水母機器人,運用矢量法對其關鍵推進機構進行運動學解析,并對實際設計案例進行剛柔耦合分析和模態分析,基于設計和分析結果進行實物樣機的制作與調試。

1 水母機器人仿生設計

1.1 生物特征介紹及運動功能分析

水母是海洋中一種古老的無脊椎動物,其身體結構與普通魚類不同,不僅沒有骨骼,且其含水量可達95%以上。

某類水母生物運動功能部位如圖1所示。

圖1 水母運動功能部位

水母的身體就像一把展開的傘,普通水母的傘狀體通常可以長到200 mm以上,傘狀體下面有一些須狀的條帶,也就是水母的觸手。

相比于軀體波狀游動或胸鰭拍動推進的大部分魚類身體結構,水母獨特的身體構造也決定了其具有與眾不同的運動方式。傘狀體是水母游弋的主要動力來源,水母采用收縮傘狀體擠壓內腔的方式,改變其內腔體積,噴出腔內的水,通過噴水推進的方式進行移動。

水母借助觸手可以有效地改變運動方向,水母在水中需要換向時,就會把觸手彎曲,通過觸手的彎曲使得前進時水流發生變化,最終達到換向的目的。

1.2 特征提取及功能耦合

有賴于簡單的運動方式,水母具有簡潔的外形。筆者采用特征提取、規則化等方法,對水母生物的外部造型特征及結構特征進行提取與總結。

為了使生物的結構優勢在仿生設計中得到較準確的表達,筆者將水母運動功能部位結構特征與仿生水母機器人主要功能進行耦合設計[6-7]。

確定仿生水母機器人的主要功能包括:

1)游動前進。仿生水母通過仿傘狀體噴射水流方式來提供動力,實現機器人的游動;

2)轉向調整。仿生水母通過以仿觸手伸展方向及角度調節來控制水流產生的分力,配合傘狀體的主動力,最終逐漸完成轉向動作;

3)上浮下潛。仿生水母通過浮力調節以及傘狀體的拍打速度調整機器人的上浮與下潛狀態。

1.3 方案設計

根據仿生水母機器人的功能要求進行方案設計,獲得整體機構原理如圖2所示。

圖2 仿生水母機器人機構原理圖

仿生水母機器人機械系統由三大機構組成,分別為主驅動機構、多桿仿生推進機構和空間轉向機構。其中,主驅動機構為多桿仿生推進機構提供動力,是仿生水母機器人游動的主要動力;多桿仿生推進機構安裝在水母機器人的中部(模擬真實水母傘狀體內腔),通過多桿仿生推進機構的擺動,模擬水母通過傘狀體內腔的收縮與擴張,來噴射水流推進自身的動作;空間轉向機構安裝在仿生水母機器人的底部(模擬真實水母的觸手部分),其通過方向和角度配合調節來模仿水母觸須靈活的姿態,并利用觸手葉片滑動水流產生分力,以達到改變水母的前進方向的目的。

筆者根據圖2所示的機構原理,并結合各部分尺寸參數要求,進行虛擬樣機的設計,獲得了仿生水母機器人的三維結構模型,如圖3所示。

圖3 三維結構模型

2 多桿推進機構運動學求解

多桿推進機構是仿生水母機器人的核心機構之一,也是水母機器人模擬水母傘狀體噴射腔體內水流的執行部分。因此,多桿推進機構的運動參數解析對于提高水母機器人的噴水推進效率和機器人水下運動控制具有重要意義。

根據圖2所示的機構原理圖,可以得到多桿推進機構的向量表示方式,如圖4所示。

圖4 多桿推進機構的向量表示

圖4中:ri表示圖中的各個向量,θi表示向量ri從正x軸逆時針測量的方向[8]。

根據閉環向量方程可得到機構的兩個公式表示如下:

r1+r2+r3+r4+r5=0

(1)

r6+r7+r8-r9=0

(2)

將式(1)簡化到x軸和y軸后,可以得到:

r1cosθ1+r2cosθ2+r3cosθ3+r4cosθ4+r5cosθ5=0

(3)

r1sinθ1+r2sinθ2+r3sinθ3+r4sinθ4+r5sinθ5=0

(4)

同理,將式(2)簡化到x軸和y軸后,可以得到:

r6cosθ6+r7cosθ7+r8cosθ8-r9cosθ9=0

(5)

r6sinθ6+r7sinθ7+r8sinθ8-r9sinθ9=0

(6)

由圖4可知:θ1=90°,θ2=0°,θ3=θ6,θ5=180°。將其代入式(3)～式(6),可以得到:

r2+r3cosθ3+r4cosθ4-r5=0

(7)

r1+r3sinθ3+r4sinθ4=0

(8)

r6cosθ3+r7cosθ7+r8cosθ8-r9cosθ9=0

(9)

r6sinθ3+r7sinθ7+r8sinθ8-r9sinθ9=0

(10)

為了消除公式中不必要的變量,將式(7)～式(10)轉化為:

r2+r3cosθ3-r5=-r4cosθ4

(11)

r1+r3sinθ3=-r4sinθ4

(12)

r6cosθ3+r7cosθ7+r8cosθ8=r9cosθ9

(13)

r6sinθ3+r7sinθ7+r8sinθ8=r9sinθ9

(14)

對式(11)和式(12)的兩邊分別取平方后相加,根據三角函數公式sin2θ+cos2θ=1,得:

(15)

同理,由式(13)和式(14)可以得到:

(16)

式(15)和式(16)為多桿推進機構尺寸綜合時的閉環方程。因此,共有10個未知數,包括8個未知常數和2個未知變量。此外,r1和θ3分別為輸入變量和輸出變量,它們須在尺寸綜合前給出[8]。

為了獲得后續研究工作的載體,筆者基于式(15)、式(16)給定了一個設計實例。

其尺寸參數如表1所示。

表1 設計案例對應各尺寸參數取值

根據實例參數取值,筆者采用SolidWorks軟件建立多桿推進機構的三維模型,并獲得其極限位置狀態,如圖5所示。

圖5 多桿推進機構三維模型及其極限位置狀態

3 仿真分析

3.1 剛柔耦合分析

多桿推進機構在水下工作時需要為仿生水母機器人的游動提供動力。根據作用力與反作用力原理,機構在噴射水流時會受到來自水體的反作用力,因此需要對結構的強度和剛度進行仿真分析,以確定其能夠滿足工作要求。

多桿推進機構的兩種位置狀態如圖6所示。

圖6 多桿推進機構的兩種位置狀態

機構由擴展狀態轉為收縮狀態的過程即為噴射水流的過程。在不考慮機構運行時的速度以及加速度影響時,噴射出的水流重力則可以近似等于多桿推進機構受到的來自水體的反作用力[9]。

根據設計模型,可以測算出多桿推進機構由擴張狀態轉為收縮狀態時噴射出的水流體積約為V排≈V擴-V縮=3.1 L-2.5 L=0.6 L,則多桿推進機構受到的反作用力約為Ft≈6 N。

在多桿推進機構的擴展和收縮過程中,其受力狀況比較復雜。筆者采用剛柔耦合分析的方式,研究其在不同擴展程度下的應力和變形響應[10-13]。

由于機構呈中心對稱分布結構,為了簡化計算,可以對單個多桿組合進行分析,需要將簡化后的模型導入ANSYS Workbench環境瞬態動力學模塊,在完成材料定義、柔性體創建、網格劃分、以及考慮安全系數的載荷施加等步驟后,進行剛柔耦合仿真分析,得到剛柔耦合分析結果,如圖7所示。

圖7 剛柔耦合分析結果

由圖7(a)可知,當機構處于最大擴展狀態時,其最大等效應力最大。

由圖7(b)、圖7(c)分析結果可知:結構在考慮安全系數后的載荷作用下,應力主要集中在多桿機構鉸接處,最大等效應力約為4.92 MPa,遠小于PE材料的許用強度,最大變形量約為3.89 mm,變形分布呈均勻變化的狀態。

因此,多桿推進機構的結構強度和剛度能夠滿足仿生水母機器人水下游動時的需求。

3.2 模態分析

筆者所設計的仿生水母機器人主要針對的是海洋探測、水質監察以及軍事偵察等應用場合。

由于海洋生物較為豐富,機器人在工作時容易受到其他大型海洋生物或生物群體的破壞與干擾,所以需要設置聲學驅魚裝置[6]。因此,仿生水母機器人結構不僅需要滿足水下工作時的強度剛度要求,還需避免驅魚裝置在工作時與機器人基體結構發生共振而影響活動部件的正常運行,這就需要對結構進行模態仿真分析。

模態是結構的固有振動特性,模態分析是動力學仿真的基礎,主要用于研究結構的固有頻率、模態振型等特性[14-18]。采用ANSYS Workbench等仿真軟件可以完成結構的計算模態仿真分析。

模態分析的動力學基本方程表示如下:

(17)

式中:[M]為結構質量矩陣;[C]為結構阻尼矩陣;[K]為結構剛度矩陣;{F(t)}為激振力矢量函數;{μ}為位移矢量。

筆者所設計仿生水母機器人不考慮激振力和阻尼的影響,因此式(17)可簡化為:

(18)

其對應的特征值方程為:

(19)

式中:ωi為第i階模態的固有頻率,i=1,2,3,…,n。

筆者對機器人結構進行簡化處理,然后將其導入至AWE環境進行仿真計算,得到前12階計算結果,如表2所示。

表2 模態頻率

由于結構在自由狀態下的仿真結果包含剛體模態,所以前6階頻率為0 Hz或接近于0 Hz[19]。

去除剛體模態后的7～12階的模態振型如圖8所示。

圖8 去除剛體模態后前6階模態振型

模態頻率為聲學驅魚裝置的選擇提供了依據,模態振型為多桿推進機構滿足共振頻率下繼續穩定工作指明了優化方向。

4 實物制作及水下調試

筆者根據仿生水母機器人設計模型進行實物樣機制作與調試,即采用3D打印技術獲取主要零部件,在多桿推進機構外側包裹一層柔性透明材料以模擬水母的傘狀體內腔,進行控制系統設計,并以電機驅動芯片DRV8833對有刷電機進行脈寬調制(pulse width modulation,PWM)調速,主驅動電機的調速范圍為0 r/min～80 r/min。

筆者對安裝好的智能控制部分所有電子元器件進行灌膠防水處理。

為實現移動終端對仿生水母機器人的遠程控制,筆者設計的通訊方式如圖9所示。

圖9 通訊方式示意圖

其中,水上通訊模塊同時搭載了藍牙收發裝置和無線電收發裝置。操作時,移動終端采用藍牙與水上通訊模塊建立連接,水上通訊模塊再采用無線電與仿生水母機器人建立連接。通過三點式的通訊設計,實現了遠距離移動終端控制目的,也提高了仿生水母機器人的水下無線通訊能力。

筆者通過控制系統調速設計初設主驅動電機的轉速約為40 r/min。

仿生水母機器人實物及初步水下試驗如圖10所示。

圖10 實物樣機及水下調試

圖10(b)所示機器人由位置①運動至位置③時大約耗時6 s,移動距離約為350 mm,表明在當前電機轉速下,機器人的直線運動速度約為58.3 mm/s。

圖10(c)所示為機器人在保持直線運動速度的情況下通過轉向機構實現轉向調節,由位置①轉向到位置④時大約耗時4 s,轉向角度約為90°,表明在當前電機轉速下機器人的轉向速度約為22.5°/s。

通過樣機水下試驗,初步驗證了上述設計方案的可行性,即仿生水母機器人具有較好的水下運動特性,能夠模擬水母生物進行水下移動、上浮、下潛和轉向等動作,且結構在試驗過程中未發生破壞和較大變形。

5 結束語

為了獲得一種噪音小、隱蔽性好的水下探測機器人,筆者以水母生物為對象,通過生物特征提取及功能耦合,設計了一種仿生水母機器人結構;采用矢量法對其關鍵推進機構進行了運動學求解,并給出了實際設計案例;運用ANSYS進行了剛柔耦合分析和模態分析。

研究結果如下:

1)多桿推進機構在運動過程中最大應力約為4.92 MPa,最大變形量約為3.89 mm,結構強度和剛度能夠滿足工作要求,低階頻率以及去除剛體模態后的模態振型可為聲學驅魚裝置的選擇提供依據;

2)實物樣機水下試驗結果表明,仿生水母機器人具有較好的水下運動特性,能夠模擬水母生物進行水下移動、上浮、下潛和轉向等動作,且結構在試驗過程中未發生破壞和較大變形;

3)仿生水母機器人在主驅動電機初設轉速的驅動下直線運動速度約為58.3 mm/s,轉向速度約為22.5 °/s。

筆者設計的仿生水母機器人后續可應用于水下探測及軍事偵察等場景,這些場景對于機器人的隱蔽性、噴射推進效率、續航能力以及水下復雜環境適應性都有一定的要求。

后續工作中,筆者將基于現有的研究成果開展相關的分析與試驗研究。