新型仿生牧漁機器人

摘 要：為解決傳統水下機器人的高噪聲及其螺旋槳在高速旋轉時會產生多余的渦流和熱量的問題，研發出一款能耗小、對環境友好、適合于多種環境的新型仿生牧漁機器人。建立了12個舵機聯合驅動仿生魚鰭的數學模型和運動學模型，通過分析舵機扭矩、舵機臂長、舵機擺放位置、魚鰭材質、魚鰭形狀比例等參數，提出了最優的推進機構設計方案，使得仿生牧漁機器人相比于傳統水下機器人具有更高的效率，填補了國內該類推進機構的技術空缺。

關鍵詞：水下機器人；仿生牧漁機器人；推進機構；AI

1 作品介紹

本項目設計的“魔鬼魚”仿生機器人模型如圖1所示。

針對該仿生機器人，建立了12個舵機聯合驅動仿生魚鰭的數學模型和運動學模型。基于多舵機聯動的驅動優勢，該機器人可根據舵機臂的擺動形式使橡膠魚鰭產生不同的波動模式。考慮到波動推進模式的多樣性與復雜性，通過多個舵機聯動來實現不同頻率和振幅的波推進模式。將12個25 kg的防水舵機對稱布局，一邊各6個等距放置，進而實現對橡膠魚鰭的驅動。舵機的固定端與殼體上設計的卡扣相連接，舵機的輸出軸端部固定有連接臂，位于機體同一側的若干個連接臂呈波浪形布置。

考慮了性能與負重的關系，仿生魚鰭部分采取了最適合的形狀以及邊長比例。考慮到魚鰭部分需兼具一定的彈性與強度，選取了2 mm厚度的普通橡膠作為仿生材料。2個橡膠鰭板分別鉸接在機體的兩側，位于機體同側的若干個連接臂分別與機體同側的鰭板固定連接。同時基于對魟魚的仿生度與美觀度要求，將橡膠魚鰭剪裁成半圓弧狀，中間寬、兩側窄。由于波動時鰭板會產生波狀形變，因此在設計連接時將連接臂的間隔設置為70 mm，而將鰭板上的連接部位間隔設置為90 mm，以適應相隔舵機擺動相位不同時鰭板的伸長量。

2 技術原理

2.1 流體力學原理

首先對“魔鬼魚”的計算模型進行簡化，由于舵機開口處與排水孔不是本項目研究的主要問題，從簡化計算和研究主要問題的角度出發，對模型進行簡化，如圖2所示。然后，對外流場進行建模，考慮到“魔鬼魚”整體體積偏大，為保證尾流充分發展并保證運算精度，采取“前四后八”原則，將“魔鬼魚”外殼置于外流場前部分，如圖3所示。

在完成外流場與“魔鬼魚”分析模型的建模與優化后，將2個模型進行合并并輸出為Parasolid（*x_t）格式，再導入Ansys Fluent軟件中。

考慮到影響“魔鬼魚”外殼整體流體性能的部分為“魔鬼魚”外殼前曲面部分，因此在多種方案對比分析中，僅改變“魔鬼魚”前外殼連接處的曲率大小，通過SolidWorks中的曲面與曲線命令實現多種方案的建模。其優化原則為：首先設置大范圍間隔，經過多次分析計算確定中心數值，再設置小間隔，最終求解出優秀的外殼設計方案。同時考慮到工程效率、實用性等方面，并不刻意追求絕對符合流體動力學性能的外殼。最終設計出邊界曲率分別為100 mm、125 mm、150 mm、175 mm、200 mm共5組分析模型。

在對“魔鬼魚”機器人模型進行數值計算的過程中，需要研究的主要問題為“魔鬼魚”外殼前部分曲率對其流體性能的影響，此時忽略其所受的形變，將其視為剛體。將網格劃分為3個部分：外部流場、“魔鬼魚”外殼前部分、“魔鬼魚”外殼其余部分。同時考慮到“魔鬼魚”外殼前部分為曲面結構，較為復雜，因此采用非結構化四面體網格結構，并對“魔鬼魚”外殼前部分進行局部加密，在多種方案下生成的網格數目均為315萬左右。最終通過網格質量檢查驗證其質量屬于較好層次，保證分析的精確度。

完成上述工作后在Ansys Fluent中進行參數設置，考慮到本文的分析為穩態分析，計算雷諾數，設置湍流模型為平流模型，壓力速度耦合方程組求解方法設置為Simple，欠松弛因子設置為默認。

邊界曲率分別為100 mm、125 mm、150 mm、175 mm、200 mm時的靜壓云圖如圖4所示。針對上述5次分析結果的最大靜壓值使用繪圖軟件進行曲線繪制，如圖5所示。

由此可以發現，當連接處曲率設置為175 mm時，外殼具有較好的流體動力學性能。因此將175 mm設置為中心數值，以5 mm為間隔，設置連接處曲率分別為170 mm和180 mm，再次進行靜壓分析，結果如圖6所示。

綜上所述，本文利用流體仿真分析軟件Ansys Fluent對“魔鬼魚”仿生機器人的外殼在流場中運動時所受的壓力進行了數值計算，通過對比分析不同邊界曲率下的數據，綜合考慮工程效率、實用性等方面，可以得出：當連接處曲率為175 mm時外殼具有相對較優的流體動力學性能。

2.2 電子技術原理

“魔鬼魚”仿生機器人的體積小，主要用于完成勘測工作，如水文信息收集、軍事探測等。因此，添加了包覆式保護框架，防撞能力較強；采用仿生魚鰭波推進方式，設備推力大，抗流能力強；同時搭載機械爪，用于實現對目標物體的抓取。操控手發出的信號通過纜線到達RS 485通信模塊，STM32接收到來自RS 485的信號并解算后控制機械爪上的舵機轉動，從而實現對目標物體的抓取。

“魔鬼魚”仿生機器人上搭載了多種傳感器，可用于水下環境監測以及實時觀查水下情況。選用的傳感器體積小，易于穿過各種復雜地形，旋轉靈活，拍攝清晰，能夠實時觀測魚類生長及健康狀況。另外機器人內置有溫度傳感器、水深傳感器、水中溶解氧傳感器、酸堿度傳感器、濁度傳感器以及水中溶解性固體檢測傳感器等多種傳感器，以此實現對水體多項指標的實時檢測。

溫度傳感器采用防水型溫度探頭傳感器XH-T106，其檢測精度為1%，檢測范圍為-50～105 ℃。水深傳感器使用MS5837高精度I2C接口壓力傳感器，水深測量分辨率達2 mm。水中溶解氧傳感器采用電化學氧氣傳感器40XV ME2-02。模組將電化學氧氣傳感器輸出的模擬信號放大后，送入STM32單片機ADC采集端口，經過STM32單片機內部處理，計算出水中的氧氣濃度。模組使用高精度運放AD86xx放大電路，集成ARM CortexMO 32位ADC采樣，采用串口方式輸出氧氣的體積分數，可通過串口標定校準輸出值，波特率為115 200。水中酸堿度傳感器的pH檢測范圍為0～14，工作溫度范圍為-55～125 ℃，功耗小于0.2 W。該傳感器通過與 DS18B20溫度傳感器的連接實現對液體溫度的讀取，并與單片機或上位機進行通信對各溫度下的液體pH值進行校正。水中濁度傳感器是利用光學原理，通過液體溶液中的透光率和散射率來綜合判斷濁度情況，濁度值是漸變量，通常在動態環境下進行檢測，并且傳感器采集的濁度值需要外接控制設備進行A/D轉換。該傳感器的工作電壓為DC 5V；工作電流為15 mA，響應時間小于500 ms，工作溫度范圍為-30～80 ℃。水中溶解性固體檢測傳感器是通過電導率采集電路中的信號，對電導率的測量采用頻率法，就是把電極和待測溶液的等效電阻作為一個多諧振蕩電路的阻抗元件，將待測溶液的電導率變化轉化為多諧振蕩電路的輸出頻率。以總溶解固體（Total Dissolved Solids， TDS）作為水質的評價指標。一般來說，TDS值越高，表示水中含有的溶解物越多，水越不潔凈。雖然在特定情況下TDS并不能有效反映水質的情況，但目前還是可以作為一種可以快速檢測水質的參數。該傳感器的工作電流為10 mA，TDS測量范圍為0～2 000 ppm，測量精度為±5%。TDS值計算公式：TDS（高8位）×256+TDS（低8位）；溫度值計算公式：[溫度（高8位）×256+溫度（低8位）]/10。

機器人的水下監測系統由控制系統、動力系統、結構及輔助系統3大部分組成。其中，控制系統主要包括主控制器、從控制器、深度計、攝像頭、舵機驅動器等。控制系統代碼邏輯如圖7所示。主控制器為Raspberry Pi，其主要用于圖像信息處理，并存儲六軸加速度傳感器的數據；從控制器為Pixhawk。Pixhawk具有板載的陀螺儀、加速度計、指南針，用于感知設備的狀態，采集傳感器信息，控制推進器、燈光、舵機等，調整橡膠魚鰭的擺動與轉動，同時聯合六軸加速度傳感器與深度計數據調整舵機運行，從而保障機器的實際工作狀況穩定。動力系統包括電源、舵機、橡膠魚鰭，為機器人移動等各種活動提供動力。整個系統的自主作業流程如圖8所示。

控制系統的硬件包括電池、舵機、舵機板、手柄、手柄接收器和紅外傳感器，再經過上位機編程來實現具體的運動控制。選用容量為4 200 mA·h的電池保證續航，選用配套的24路舵機控制板。手柄及手柄連接器通過藍牙模塊保證機器的遠程控制。紅外傳感器模塊選用漫反射光電開關傳感器E18-D80NK，探測距離遠，受可見光干擾小，易于裝配，支持機器人避障。

2.3 網絡傳輸基本原理

在網絡傳輸層面，將復雜的傳輸過程分為一個個層次模塊。模塊內部接收上一層傳遞的信息并進行處理，處理結束后傳遞到下一層。

應用層協議定義了運行在不同端系統上的應用進程如何相互傳遞報文。將協議標識的首部字段加在報文的首部，然后隨報文發送而發送。檢測時，取下首部字段，按協議要求將數據報文發送給首部字段對應的Socket即可。這樣報文就可以攜帶協議信息并保證被檢測到。

3 創新點

本項目運用反卡門渦街原理，由胸鰭擺動產生平移波形成前進的推力，通過改變鰭面產生的行波波形、波頻、波長和波傳播方向等要素來控制推力的大小和方向，從而模擬魚類的波推進模式，由此提供了一種有效的動量和能量的傳遞方式。該仿生機器人在高速巡游過程中加速性能好，能量利用效率高，與傳統的槳式推進模式相比，可以降低30%的能耗損失，提高40%的推進效率，具有高效、靈活、節能的優點。

本項目采用了3D打印技術，將設計思想快速驗證和迭代，使得零件生產和優化更加高效；使用了PLA的打印材料，對外殼進行一體化打印。在保證了高強度的前提下，不僅實現了低成本制造，還實現了高精度生產；無需加工方面的機械和磨具，節約成本，也方便了機器的安裝；同時進行了輕量化設計，順應了節能環保的號召，保證了機器的強度，提升了機器的可操縱性，減少了實際的體積和質量，提升了制作效率，同時減少了制作成本。

在選擇仿生魚鰭材料時，我們對多種環保材料從魚鰭剛度、延展性以及游動性能等方面進行了實驗，最終選擇使用新型混合材質橡膠材料，使得仿生魚鰭具有良好的柔性，能夠在跟隨構件擺動的基礎上最大限度地保證魚鰭表面連續性，減少湍流的產生，以此獲得優良的流體動力學特性；還具有足夠的強度，通過改變仿生魚鰭的偏轉角度，魚鰭便可以將整個機器支撐在地面上，通過周期性正弦波動式推進方式，實現在陸地、雪地、灘涂等多地形復雜環境下靈活移動。

4 市場前景

仿生牧漁機器人作為魚類推進機理和機器人技術的結合點，為研制新型水下航行器提供了一種新思路。該機器人將在復雜危險的水下環境作業、軍事偵察、水下救援、海洋生物觀察、考古等方面發揮重要作用，主要用于水下勘測、生物檢測，助力實現智能化生物研究。我們通過采用柔性魚鰭和梭形艙體，使該機器人相對傳統機器人而言對地形受限較小，可以穿梭于一些水下狹縫進行物資運輸。在一些水草叢生、水層較淺的復雜水域，水下機器人也可用于船體清潔檢測、船底探查、船體檢修等。除此之外，水下機器人還可用于航道排障、港口作業等。在較為平坦的城市道路、積雪深厚的雪地、碎石遍布的野外山地，該機器人也可用于道路檢測、野外搜尋救援等。雖然目前消費級的水下機器人都偏向于小型化，功能也較簡單，但未來隨著技術的發展，水下機器人會像服務機器人一樣，增加更多的類人功能，協助人類在水下進行工作。

按照目前情況來看，國內的大部分商用仿生機器人都處于起步階段，無論是技術還是市場環境，都還有很長的一段路要走。雖然市場規模沒有服務機器人大，但是在上面提及的幾大應用領域還是有巨大市場機會。隨著政府對海洋開發力度的加強，相信在政策上也會給仿生機器人行業提供更多的扶持。未來，仿生機器人將會成為繼水下機器人之后又一個潛力巨大的發展行業。我們的產品將為仿生機器人的發展提供新的視角，發揮不可忽視的力量。