花如祥,徐小力,吳國(guó)新,朱紅秀
(北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100192)
電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚的設(shè)計(jì)優(yōu)化
花如祥,徐小力,吳國(guó)新,朱紅秀
(北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100192)
仿生機(jī)器魚有運(yùn)動(dòng)效率高、機(jī)動(dòng)性好等特點(diǎn),逐漸成為了仿生機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)機(jī)器魚的驅(qū)動(dòng)方式主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)等,體積較大、材料容易磨損,難以用來(lái)設(shè)計(jì)微型機(jī)器魚。采用新型動(dòng)力源,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),噪聲、振動(dòng)和機(jī)械損耗都比較小。基于此驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)出機(jī)器魚采用6個(gè)關(guān)節(jié)來(lái)運(yùn)動(dòng),優(yōu)化了機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)的流利程度和多樣性。
仿生機(jī)器魚;電磁驅(qū)動(dòng);外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);關(guān)節(jié)鏈接
10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.48
魚類特殊的游動(dòng)方式,為研究高性能的水下推進(jìn)器提供了新思路。工業(yè)設(shè)備和軍事等領(lǐng)域的需求推動(dòng)了仿生機(jī)器學(xué)研究。目前,仿生機(jī)器魚已成為仿生科研領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。其中,仿鲹科加新月形尾鰭推進(jìn)模式的機(jī)器魚,由于具備能源利用率高、推進(jìn)速度快等特點(diǎn),成為研究重點(diǎn)[1]。
仿生機(jī)器魚水下推進(jìn)技術(shù)對(duì)海洋考察、救生以及軍事領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值和巨大的應(yīng)用前景。在海洋設(shè)備檢測(cè)方面,仿生機(jī)器魚可以用于水下進(jìn)行設(shè)備的檢測(cè)。效率高,且成本較低。在軍事方面,可以應(yīng)用在隱蔽性較強(qiáng)的場(chǎng)合。由于仿生機(jī)器魚在聲納上的表現(xiàn)形式和生物魚類幾乎相同,并且具有噪聲低,對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小的特點(diǎn),這極利于隱蔽。
機(jī)器魚設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜而企且技巧性較強(qiáng)的工作,魚體的外形參數(shù)的不同,關(guān)節(jié)鏈接的方法不一,會(huì)使仿真效率存在著很大區(qū)別。采用電磁驅(qū)動(dòng)方式可使機(jī)器魚整體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。魚體采用6個(gè)關(guān)節(jié),各個(gè)關(guān)節(jié)的鏈接方式的優(yōu)化提高了控制運(yùn)動(dòng)的多樣性,使之能滿足在水中高效率的推進(jìn)運(yùn)動(dòng)。
目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立的機(jī)器魚多種多樣,本文選取關(guān)節(jié)機(jī)器魚進(jìn)行研究,其中最簡(jiǎn)單的2關(guān)節(jié)機(jī)器魚結(jié)構(gòu)由魚體、尾柄、尾鰭和胸鰭組成(圖1)。通過(guò)尾柄和尾鰭的擺動(dòng)擊水產(chǎn)生向前的推進(jìn)力。2關(guān)節(jié)機(jī)器魚是多關(guān)節(jié)機(jī)器魚的最簡(jiǎn)形式,其分析理論具有普遍意義。為了簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)分析,對(duì)2關(guān)節(jié)機(jī)器魚作4點(diǎn)假設(shè)。
(1)魚體、尾柄、尾鰭具有足夠的剛度,在慣性力和水作用力下發(fā)生的變形很小,可以忽略不計(jì);
圖1 2關(guān)節(jié)機(jī)器魚結(jié)構(gòu)示意
(2)不考慮尾柄、尾鰭擺動(dòng)引起的機(jī)器魚的重心和浮力作用點(diǎn)的變化;
(3)機(jī)器魚處于無(wú)限大、無(wú)流動(dòng)的水域當(dāng)中;
(4)機(jī)器魚潛水深度不變,且無(wú)側(cè)傾和俯仰運(yùn)動(dòng)。
阻礙機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)的力主要有摩擦阻力、形體阻力和渦流損耗。相比于形體阻力,摩擦阻力和形體損耗很小,可以忽略不計(jì)。根據(jù)萊特希爾細(xì)長(zhǎng)體理論,見(jiàn)式(1)。
式中 ρ——流體的密度,kg/m3
v———物體的速度,m/s
S———橫截面面積,m2
CD——魚體中間最大的橫截面積,m2CD可由式(2)計(jì)算得到。
式中 a——魚體最大橫截面積的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度,m
b——魚體最大橫截面積的短軸長(zhǎng)度,m
S可由式(3)計(jì)算得到。
式中 an——魚體第n段的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度,m
bn——魚體第n段的短軸長(zhǎng)度,m
由上式計(jì)算可得,S 為 25.2 cm2,f為 1.512v2。
機(jī)器魚的質(zhì)量主要有:尾鰭的質(zhì)量已知為0.45 g;電池的質(zhì)量,選擇鋰—二氧化錳中的CR1225電池,且需要 2節(jié)串聯(lián),即1.80 g。
機(jī)器魚受到的驅(qū)動(dòng)力如圖所示。
由圖2和資料可以計(jì)算出最大力矩Tmax。
圖2 驅(qū)動(dòng)力簡(jiǎn)圖
式中 f——魚體所受的阻力,N
r——所取截面距離魚體和尾鰭連接面的距離,m
A——魚體在所取截面中心所受阻力與x軸的夾角,°
f與力矩的關(guān)系為(5)式。
式中 l——魚體的總長(zhǎng),m
由式(5)可以得出,f=9.47×10-3N。
由驅(qū)動(dòng)力和阻力的計(jì)算可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的理論分析:①v=0.01 m/s時(shí),f=1.512×10-4N<fmax,魚可以游動(dòng)。②v=0.02 m/s時(shí),f=6.048×10-4N<fmax,魚可以游動(dòng)。③v=0.05 m/s時(shí),f=3.780×10-3N≥fmax,魚不能游動(dòng)??傻贸?,魚體在0.02~0.05 m/s時(shí)可以游動(dòng)。
選取真實(shí)的鲹科魚——藍(lán)圓鲹的形體參數(shù)作為初始仿真參數(shù),主要原因:①藍(lán)圓鲹數(shù)量巨大,生存能力強(qiáng),在自然進(jìn)化過(guò)程當(dāng)中,魚體外形和游動(dòng)規(guī)律相比于其他魚類更的優(yōu)越性;②身體橫截面呈橢圓型,在仿真過(guò)程當(dāng)中能減少運(yùn)算量、提高仿真精度。
選取一條真實(shí)的鲹科魚類,測(cè)量其總長(zhǎng)并擬合魚體外形曲線,可得l為260mm。魚體縱向曲線函數(shù)R(x),魚體橫向曲線函數(shù)(rx),分別見(jiàn)式(6)和式(7)。
在機(jī)器魚關(guān)節(jié)數(shù)量的選取上,關(guān)節(jié)數(shù)越多,游動(dòng)曲線與已知的魚體波方程貼合度越高,魚體柔性越大,越接近于真實(shí)魚類的游動(dòng)。但也應(yīng)考慮串聯(lián)結(jié)構(gòu)的累積誤差和尺寸約束,n并非越大越好。通常機(jī)器魚關(guān)節(jié)數(shù)n取值區(qū)間為2~10。本文中所設(shè)計(jì)的機(jī)器魚關(guān)節(jié)數(shù)取n=6,使柔性和誤差積累最優(yōu)化。
在各關(guān)節(jié)長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)上,由于魚體的擺動(dòng)主要集中在魚體體長(zhǎng)的后1/2,因此可視為魚體前130不作擺動(dòng)。又根據(jù)實(shí)際測(cè)量可知魚尾長(zhǎng)為47mm,根據(jù)柴志坤[7]提出的關(guān)節(jié)尺寸參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,其余 5關(guān)節(jié)比例應(yīng)為83:67:59:53:48。計(jì)算取整后各個(gè)關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度:關(guān)節(jié)1長(zhǎng)22mm;關(guān)節(jié)2長(zhǎng)18mm;關(guān)節(jié)3長(zhǎng)16mm;關(guān)節(jié)4長(zhǎng)14mm;關(guān)節(jié)5長(zhǎng)13;關(guān)節(jié)6長(zhǎng)47mm。
根據(jù)上面的測(cè)量數(shù)據(jù),得到機(jī)器魚軀干的14組數(shù)據(jù),每組高4,自頭部至尾鰭連接處的橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)和短軸長(zhǎng)分別為:(0,0),(12,7.2),(17,10.2),(20,12.0),(21,12.6),(22,13.2),(22,13.2),(21,12.6),(20,12.0),(19,11.4),(18,10.8),(17,10.2),(15,9.0),(10,6.0)。單位為mm。
在UG中先根據(jù)上面得出來(lái)的14組數(shù)據(jù)繪制曲線,然后利用樣條曲線和通過(guò)曲線網(wǎng)格構(gòu)建曲面的出魚體外殼的三維視圖(圖3)。
電磁驅(qū)動(dòng)的原理:有電流流過(guò)時(shí),在導(dǎo)線的外部就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),根據(jù)“右手螺旋法則”,如果大拇指指向電流流動(dòng)方向,那么其他四根手指的指向就是磁場(chǎng)方向。將這個(gè)導(dǎo)線纏繞在紙管(非鐵磁材料管)上,載流導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)疊加,再根據(jù)右手螺旋法則,如果四根手指指向電流流動(dòng)方向,那么大拇指的指向就是磁場(chǎng)的磁力線方向,規(guī)定磁力線的流出方向?yàn)镹(磁北極),流入方向?yàn)镾(磁南極)。鐵磁材料在磁場(chǎng)中會(huì)受到磁場(chǎng)作用,所以把永久磁鐵鑲嵌在魚體內(nèi)表面上,當(dāng)線圈通電時(shí)就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),與永久磁鐵產(chǎn)生力的作用,使機(jī)器魚的各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng),當(dāng)控制線圈的電流大小和方向,就會(huì)使關(guān)節(jié)產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)。
基于上述的轉(zhuǎn)動(dòng)方法,本文設(shè)計(jì)出電磁驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)(圖4)。圖4中定軸是與機(jī)器魚上下內(nèi)壁相連,叉子圍繞定軸可左右擺動(dòng),而上下對(duì)稱的限制結(jié)構(gòu)是用來(lái)限制叉子只可左右擺動(dòng),不可上下運(yùn)動(dòng)。左右對(duì)稱的魚壁是抽象用來(lái)表示魚體的內(nèi)壁,左右對(duì)稱的磁鐵是指用來(lái)鑲嵌在魚體內(nèi)壁上的永久磁鐵。線圈纏繞在叉子上(圖5)。當(dāng)線圈通電時(shí),叉子產(chǎn)生磁場(chǎng)。如果此時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)相當(dāng)于磁鐵的S極,則會(huì)與內(nèi)壁上一邊的N極相吸,帶著叉子向N極擺動(dòng),周期性改變電流的方向即可使魚體左右擺動(dòng)??刂齐娏鞲淖兊念l率即可控制魚尾擺動(dòng)的頻率,而電流的頻率可以用單片機(jī)控制。
分析認(rèn)為,魚體之所以能夠前進(jìn),是由于脊椎曲線帶動(dòng)它所包絡(luò)的流體向后噴出,產(chǎn)生推力。鲹科魚類在游動(dòng)過(guò)程中通過(guò)尾鰭擺動(dòng)產(chǎn)生90%以上的推進(jìn)力。因此,尾部運(yùn)動(dòng)是研究機(jī)器魚的一個(gè)關(guān)鍵。尾部運(yùn)動(dòng)可以看作平動(dòng)和擺動(dòng)的合成。
根據(jù)目前所公開(kāi)的研究成果[8],可用4個(gè)參數(shù)為主要設(shè)計(jì)參考。
(1)尾鰭最大擊水角度 δmax,15°<δmax<25°;
(2)尾鰭擺動(dòng)—平動(dòng)相位差 φ,φ=90°;
(3)尾鰭擺動(dòng)軸平動(dòng)運(yùn)動(dòng)幅值 H,H=(0.075~0.100)l;
(4)尾鰭擺動(dòng)后緣最大 擺 幅 ATmax,ATmax≈0.100lB。
根據(jù)以上數(shù)據(jù)和前面提到的尾部長(zhǎng)度47mm,在UG軟件中,用魚體的外形進(jìn)行修剪,從X軸的213mm截到260mm,則得出魚尾部分,然后對(duì)其進(jìn)行抽殼,殼體厚度設(shè)為15mm。
圖3 機(jī)器魚三維圖
圖4 電磁驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)圖
圖5 叉子的三維簡(jiǎn)圖
因?yàn)樾铦M足后文的鏈接要求,所以把鏈接的叉子部分與魚尾設(shè)計(jì)到一起去,使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和滿足鏈接要求。UG簡(jiǎn)圖如圖6所示。
通過(guò)計(jì)算控制結(jié)構(gòu)1的長(zhǎng)度和魚尾部所鏈接的上一關(guān)節(jié)部分的內(nèi)部大小,使其滿足上述的各項(xiàng)參數(shù)。
圖6 魚體尾部三維簡(jiǎn)圖
對(duì)于魚體的其他部分,第一段是0~130mm魚頭部分,用于放置電路板和胸鰭。
圖7前面是所加入的舵機(jī),用于控制胸鰭的運(yùn)動(dòng),圖8中的2個(gè)十字架形狀結(jié)構(gòu)用于粘貼電路板,因?yàn)榭偣残枰隰~體內(nèi)部安裝4塊電路板,2個(gè)十字架形狀結(jié)構(gòu)有4個(gè)面,用于一個(gè)面粘貼一個(gè)電路板。在130mm的尾部也需要放置一個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝置,用于控制下一段的運(yùn)動(dòng)。魚頭部分的三維簡(jiǎn)圖如圖9所示。
因?yàn)槭?個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器魚,所以除了魚頭和魚尾的部分,剩下還有魚體的中間5個(gè)部分。這5個(gè)部分結(jié)構(gòu)相同,尺寸不同,各個(gè)部分的具體尺寸需根據(jù)具體的位置計(jì)算得出。
如圖10所示,前面叉子的部分就是圖2所示的結(jié)構(gòu),和魚壁相連。此部分的結(jié)構(gòu)1和上一部分的后面結(jié)構(gòu)2相鏈接,構(gòu)成魚體的各個(gè)部分的鏈接機(jī)構(gòu)。裝配鏈接后形如圖4。此鏈接方式簡(jiǎn)單有效,很好的貼合電磁驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式。各個(gè)部分的鏈接強(qiáng)度和剛度也能滿足要求。較傳統(tǒng)的鏈接方式更容易實(shí)現(xiàn),減小了操作的難度。在各個(gè)部分的左面壁上,留有2個(gè)直徑為5mm的孔洞,可用于在最后總體安裝時(shí)候,留給線路板上的線與各個(gè)部分的電磁驅(qū)動(dòng)裝置連接。
圖7 胸鰭部分三維簡(jiǎn)圖
圖8 電路板的放置簡(jiǎn)圖
圖9 魚頭部分三維簡(jiǎn)圖
圖10 魚體中間一部分的三維簡(jiǎn)圖
當(dāng)各個(gè)關(guān)節(jié)部分設(shè)計(jì)完成后,利用UG進(jìn)行各個(gè)部分的裝配(圖11)。
圖11 6關(guān)節(jié)機(jī)器魚總體裝配三維簡(jiǎn)圖
仿生機(jī)器魚相比于一般的AUV(水下自主航行器),具有機(jī)動(dòng)性好、運(yùn)動(dòng)效率高、利于隱身和無(wú)污染等優(yōu)勢(shì),其在目前和將來(lái),在海洋探測(cè)、海洋設(shè)備的檢測(cè)和軍事等領(lǐng)域?qū)⒂芯薮蟮膽?yīng)用前景。
基于鲹科月牙形尾鰭推進(jìn)裝置的微型仿生機(jī)器魚的研究,通過(guò)初始參數(shù)的選擇與計(jì)算,得出了模擬仿真的參數(shù),為數(shù)字化仿真打下了基礎(chǔ)。通過(guò)利用新型動(dòng)力源,采用不同的鏈接方式,增加了可操作性。并且優(yōu)化了各個(gè)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),為今后的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)和建議。
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〔編輯 吳建卿〕
國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2015AA043702),國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目51275052。