楊茂冠 陳欣 彭梓晴 呂錦浩 馬梁明 楊坤悅 袁爭(zhēng) 宋加雷

(東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523808)

魚類在海洋中經(jīng)過數(shù)億年的進(jìn)化，形成了非凡的游動(dòng)性能，具有高速、高機(jī)動(dòng)性、高效率、低噪音等特點(diǎn)。有研究表明，魚類的游泳效率超過90%[1]。盡管魚類的速度和效率不一定達(dá)到了最優(yōu)，但其整體的運(yùn)動(dòng)性能卻接近最優(yōu)，因此，吸引了生物學(xué)家們對(duì)魚類運(yùn)動(dòng)機(jī)理[2-6]的研究，特別是Lighthill提出的細(xì)長(zhǎng)身體理論[7]作為預(yù)測(cè)力和效率的有效工具，已被廣泛用于機(jī)器人魚設(shè)計(jì)。機(jī)器人學(xué)者在魚類運(yùn)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，不斷研制和完善具有魚類運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的仿生機(jī)器魚。魚類推進(jìn)模型根據(jù)不同的推進(jìn)部分[8-9]分為兩類：一是身體和/或尾鰭(BCF)游泳運(yùn)動(dòng)；二是中鰭和/或配對(duì)鰭(MPF)游泳運(yùn)動(dòng)，陰影區(qū)域表示推力產(chǎn)生中涉及的部分[8]如圖1所示

圖1 魚類推進(jìn)模型圖

BCF推進(jìn)方式的魚類彎曲身體以產(chǎn)生向后移動(dòng)并延伸到尾鰭的推進(jìn)波。在這種行波的傳播過程中，行波的振幅向后增加，行波的速度超過魚的游泳速度。這種類型的魚推進(jìn)約占魚類種類的85%。MPF推進(jìn)方式的魚類靠中鰭及/或雙鰭游動(dòng)，這些鰭包括胸鰭、背鰭和臀鰭。因此在仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)時(shí)，大部分采用身體-尾鰭波動(dòng)推動(dòng)形式。1994年，美國(guó)麻省理工學(xué)院MIT成功研制了世界上第一條真正意義上的仿生機(jī)器金槍魚RoboTuna[10]，隨后相繼研制了RoboPike、VCUUV(如圖2所示)。

圖2 麻省理工學(xué)院研制的多款機(jī)器魚

英國(guó)埃塞克斯大學(xué)自2003以來，在機(jī)器魚研究中也有重大成果。最先被人熟知的是其G系列中的G9機(jī)器魚，G9的升降性能是當(dāng)時(shí)世界上最好的,最大上升和下降速度分別約為1.5 cm/s和2 cm/s。2014年，同課題組還研制了iSplash-Ⅰ、iSplash-Ⅱ兩條機(jī)器魚[11-12]如圖3所示。iSplash-Ⅰ采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，長(zhǎng)0.25 m, 最大速度3.4 BL/s(6.8 Hz), 其巡航速度保持在2.8 BL/s(6.6 Hz)； iSplash-Ⅱ機(jī)器魚游動(dòng)速度最高可達(dá)11.6 BL/s(20 Hz)，它在最大速度(以體長(zhǎng)/秒為單位)和耐力(保持最高速度的持續(xù)時(shí)間)方面優(yōu)于真正的鲹科運(yùn)動(dòng)的魚，然而其電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使其只能直線游動(dòng)，而不能隨便轉(zhuǎn)彎。

圖3 埃塞克斯大學(xué)設(shè)計(jì)的三款機(jī)器魚

日本自上世紀(jì)90年代以來一直在研究仿生機(jī)器魚，如圖4所示，為研究仿生機(jī)器魚最優(yōu)推進(jìn)方法，日本運(yùn)輸省船舶技術(shù)研究所NMRI先后研制了PPF系列、PF系列和UPF系列仿生機(jī)器魚。PF系列和UPF系列應(yīng)用于水下試驗(yàn)且研究機(jī)器魚在水下游動(dòng)的基本性能。

圖4 日本運(yùn)輸省船舶技術(shù)研究所先后研究的幾款機(jī)器魚

1999年，北京航空航天大學(xué)研制出國(guó)內(nèi)第一條仿生機(jī)器鰻魚，通過伺服電動(dòng)機(jī)分離控制，最快速度1.5 m/s(2 Hz)，該校的另一條機(jī)器魚SPC-Ⅱ用于研究盤旋和轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性，采用完全剛體耐艙，能在深度5 m內(nèi)進(jìn)行定深的自主航行。2001年，中國(guó)科學(xué)院復(fù)雜系統(tǒng)和智能科學(xué)實(shí)驗(yàn)室,北京大學(xué)航空航天學(xué)院機(jī)器人研究所合作開發(fā)了一種無線電控制的四連桿仿生機(jī)器魚，該機(jī)器魚長(zhǎng)0.4 m，最大游速0.32 m/s(2 H)；2016年，該團(tuán)隊(duì)研制了一種具有跳躍動(dòng)作的仿生海豚機(jī)器人，該機(jī)器魚成功躍出水面，成為了國(guó)內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)自我推進(jìn)仿生機(jī)器魚如圖5所示。此外，國(guó)防科技大學(xué)、北京大學(xué)、華南理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校均有團(tuán)隊(duì)在研制仿生機(jī)器魚，而且發(fā)展很快，成果很多。下文設(shè)計(jì)一款水下機(jī)器魚，使其能夠在水下高效的游動(dòng)，并執(zhí)行指定的水下搜索、探測(cè)與救援任務(wù)。

圖5 我國(guó)高校研制的幾款仿生機(jī)器魚

1 設(shè)計(jì)方法

本項(xiàng)目將設(shè)計(jì)制作一款智能避障軟體機(jī)器魚，該機(jī)器魚仿照自然中應(yīng)用最廣泛的身體-尾鰭推進(jìn)模式如圖6所示，采用軟體硅膠尾鰭連接三個(gè)串聯(lián)的舵機(jī)形式，實(shí)現(xiàn)S型擺動(dòng)提供推力。

通過在機(jī)器魚上配備通訊與傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位和避障測(cè)距，可以在水下執(zhí)行搜索、探測(cè)等任務(wù)。

1.1 SolidWorks三維模型

圖6 仿生機(jī)器魚裝配體

仿生機(jī)器魚主要是通過多個(gè)舵機(jī)串聯(lián)的形式實(shí)現(xiàn)魚體的擺動(dòng)。通過多個(gè)舵機(jī)相互配合，達(dá)到模擬魚的動(dòng)態(tài)軌跡。關(guān)于舵機(jī)數(shù)目的選擇以及具體的擺放位置可針對(duì)所需進(jìn)行調(diào)整。本文使用的機(jī)器魚是采用三舵機(jī)串聯(lián)形成的魚體與軟體硅膠尾鰭連接的形式，實(shí)現(xiàn)S型的擺動(dòng)提供推力，這樣的機(jī)器魚除能控制好長(zhǎng)度外還能有一定的靈活性。在外形和運(yùn)動(dòng)上，都能達(dá)到較好的模擬效果。機(jī)器魚除了魚體結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)之外,在舵機(jī)外側(cè)使用橡皮套膜進(jìn)行密封，以加強(qiáng)樣機(jī)防水可靠性，同時(shí)需要考慮魚體的浮潛，為此，我們考慮了輔助結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，利用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，可通過重心的調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)魚體的潛浮。

1.2 Adams運(yùn)動(dòng)仿真

為了更好的研究仿生魚形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以使用Adams仿真軟件輔助研究。我們將仿生魚形機(jī)器人模型導(dǎo)入到Adams軟件中，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副和接觸力的添加，不斷修改驅(qū)動(dòng)的函數(shù)，參考生物魚S型運(yùn)動(dòng)，從而設(shè)定魚尾鰭為硅膠材料，其余主要為PLA材料和碳素鋼。通過分析計(jì)算將驅(qū)動(dòng)的函數(shù)設(shè)置為y=A(x)sin(ks+wt)，為了簡(jiǎn)便分析方法，我們使用Adams軟件對(duì)機(jī)器魚進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析的模型是取自我們?cè)赟olidWorks中的裝配體，然后建立了正弦函數(shù)的步態(tài)生成方法，分別為0.2sin(t)、0.3sin(t)和0.4sin(t)，以控制三個(gè)伺服系統(tǒng)的相位差，以及約束附件自由度，如固定、旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，從而完成魚的S形模擬運(yùn)動(dòng)如圖7所示。實(shí)現(xiàn)在Adams中進(jìn)行對(duì)仿生魚形機(jī)器人的S型運(yùn)動(dòng)仿真，仿真后通過軟件的求解器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以為研究實(shí)體機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)提供了較好的參考數(shù)據(jù)。

圖7 仿生機(jī)器魚仿真圖

1.3 硬件選用與程序控制

在仿生機(jī)器魚中使用的是STM32F103C8T8型號(hào)，程序使用3個(gè)pwm通道控制三個(gè)無刷防水IPX893舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的C型啟動(dòng)和S型擺動(dòng)，采用滾珠絲桿的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)重心實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的上浮下潛，其中通信是使用了HC-06模塊、GPS定位和聲納測(cè)距模塊，可以通過PC端實(shí)現(xiàn)控制和實(shí)時(shí)顯示機(jī)器魚的相應(yīng)數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠通過雙向通訊系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制。

1.4 樣機(jī)以及水中測(cè)試

樣機(jī)外殼為按照上述模型制作的樹脂3D打印件，魚尾鰭則是以碳纖維為骨架制作的硅膠軟體魚尾。電子元件安放在樣機(jī)頭部的平臺(tái)上，用捆扎帶和熱溶膠進(jìn)行固定，并在平臺(tái)下方空間安裝配重塊，使樣機(jī)得以在水中保持平衡。樣機(jī)通過其內(nèi)置的HC-06藍(lán)牙模塊與主控端(手機(jī))通信，實(shí)現(xiàn)無線控制。樣機(jī)總長(zhǎng)為72 cm,最大寬度30 cm,最大高度25 cm, 總重7 kg；尾鰭寬度為24 cm，長(zhǎng)度為14 cm，有效擺動(dòng)面積約為164.79 cm2，如圖8所示。測(cè)試場(chǎng)地為搭建的便攜泳池，在水池底部用長(zhǎng)方形網(wǎng)格進(jìn)行標(biāo)記。泳池上方裝有一個(gè)高速高清攝像機(jī)，記錄實(shí)驗(yàn)過程配合泳池底部標(biāo)記進(jìn)而能獲取相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖9所示：

圖8 實(shí)物樣機(jī)

圖9 水中測(cè)試

2 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)過程中，我們采用如下裝置:量程為10 m,誤差為0.01 mm的皮尺、記時(shí)精度為99.997 685%的卡西歐秒表、型號(hào)：NPX-GS6500UM,分辨率為640×480的高速攝像機(jī)、1.2 m×2 m×0.3 m折疊水池、馬克筆。我們通過控制機(jī)器魚的擺動(dòng)角度，分別為15°、20°和25°；實(shí)現(xiàn)硅膠尾鰭推進(jìn)模式下機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)過程的速度跟蹤。在相同的擺角下，對(duì)不同延遲進(jìn)行了速度分析：設(shè)置4組延遲變量：260 ms、300 ms、320 ms、380 ms。我們用正方形數(shù)格數(shù)和勾股定理來估計(jì)魚游動(dòng)的曲線距離，并用卡西歐秒表來計(jì)算游泳時(shí)間，計(jì)算各組的速度，最后使用python分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)的圖表。實(shí)驗(yàn)誤差的來源如下：視頻中記錄的坐標(biāo)方格位置與真實(shí)坐標(biāo)方格位置存在差異。

2.2 測(cè)試結(jié)果

圖10 速度與舵機(jī)延遲的關(guān)系結(jié)果(固定擺角20°)

圖11 不同延遲的條件下速度與舵機(jī)擺角的關(guān)系結(jié)果

圖10實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在固定擺角200時(shí)，仿生機(jī)器魚的巡游速度與舵機(jī)延遲相關(guān)，這與魚類學(xué)家的研究結(jié)果一致。當(dāng)舵機(jī)延遲在340 ms內(nèi)，機(jī)器魚的巡航速度與舵機(jī)延遲成正相關(guān)，當(dāng)舵機(jī)延遲大于340 ms時(shí)機(jī)器魚的速度成下降趨勢(shì)。在340 ms左右實(shí)現(xiàn)了最大速度。這是因?yàn)檠舆t達(dá)到一定值時(shí)，舵機(jī)的反應(yīng)有置空時(shí)段，導(dǎo)致整體擺動(dòng)偏離魚體波方程，最終結(jié)果是導(dǎo)致仿生機(jī)器魚的巡航速度下降。圖11顯示在不同擺角下的速度曲線。當(dāng)擺動(dòng)延時(shí)較小時(shí)(280 ms)，擺角增加使速度有下降趨勢(shì)；而當(dāng)擺動(dòng)延時(shí)增大時(shí)，機(jī)器魚巡航速度隨舵機(jī)擺角增大而減小。這說明擺角與延時(shí)存在相關(guān)性來獲得最大游動(dòng)速度。一般來說，小擺角對(duì)應(yīng)小擺動(dòng)延時(shí)，大擺角對(duì)應(yīng)大的擺動(dòng)延時(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)測(cè)試了一款應(yīng)用于水下探測(cè)的智能避障軟體機(jī)器魚。機(jī)器魚的驅(qū)動(dòng)采用身體-尾鰭波動(dòng)的方式，通過設(shè)置波動(dòng)的函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚快速向前的推進(jìn)。同時(shí)，尾鰭采用了軟體硅膠材料，可以在舵機(jī)驅(qū)動(dòng)左右搖擺時(shí)被動(dòng)變形，實(shí)現(xiàn)S型驅(qū)動(dòng)，同時(shí)能夠存儲(chǔ)彈性勢(shì)能在后續(xù)的運(yùn)動(dòng)中釋放，提高推進(jìn)效率。通過在機(jī)器魚上配備聲納傳感器、GPS模塊，藍(lán)牙模塊等傳感器形成聯(lián)合系統(tǒng)，可以在水下執(zhí)行搜尋探索的任務(wù)，如仿生機(jī)器魚通過無線通信控制，聲納傳感器測(cè)距反饋規(guī)劃路線，快速到達(dá)溺水者所在位置，同時(shí)攜帶簡(jiǎn)單的救援輔助物品，搜救人員通過獲取目標(biāo)的GPS位置后，精準(zhǔn)救援。