高 昂，楊恩慧，張金諾，崔靜宇，權(quán)雙璐，胡 橋

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引言

立足于現(xiàn)階段我國建設(shè)海洋強(qiáng)國的戰(zhàn)略規(guī)劃，研制水下智能裝備、構(gòu)建水下技術(shù)平臺是我國發(fā)展海洋科技的前景目標(biāo)。仿生機(jī)器作為水下智能裝備的重要分支，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性[1]，在海洋資源勘探、海洋環(huán)境治理、海洋信息檢測等實踐領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)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(jìn)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(jié)能的推進(jìn)方式，兼具靈活性和平穩(wěn)性，水母以其特殊的運動模式在仿生學(xué)領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)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(qū)動的微型仿生水母，可以達(dá)到37 mm/s的速度[4]；美國弗吉尼亞理工學(xué)院研制了一款基于SMA的伸縮變形驅(qū)動的仿生水母機(jī)器人，其最大運行速度可達(dá)54 mm/s[5]；德國FESTO公司研制的AquaJelly機(jī)器水母依據(jù)魚鰭設(shè)計觸須結(jié)構(gòu)，帶動末端鰭片劃水推進(jìn)[6]；中國科學(xué)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(jī)構(gòu)的仿生機(jī)器水母[7]。

國內(nèi)外學(xué)者對仿生水母的相關(guān)研究僅限于單一驅(qū)動方式，推進(jìn)效率不高，并且缺乏對水母感知功能的實現(xiàn)。因此，本文以機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計和控制功能實現(xiàn)為目標(biāo)，研制了一種撲動–噴射雙驅(qū)動模式的仿水母機(jī)器人，可實現(xiàn)水下全向運動，并且搭載的趨光控制系統(tǒng)可實現(xiàn)水下探測及環(huán)境感知的功能，為構(gòu)建水下探測平臺提供了一種集高效性、平穩(wěn)性、環(huán)境適應(yīng)性于一體的水下智能裝備。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

水母主要結(jié)構(gòu)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(jìn)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(huán)境中光源變化的功能。

圖1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.1 Overall structure design

本文針對仿生水母的推進(jìn)效率問題，提出了一種基于雙驅(qū)動推進(jìn)結(jié)構(gòu)的仿生水母，可有效提高推進(jìn)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(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和趨光控制系統(tǒng)組成，通過舵機(jī)驅(qū)動的曲柄滑塊實現(xiàn)水母撲動–噴射雙驅(qū)動的高效運動方式，由舵機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)結(jié)合陀螺儀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過改變重心實現(xiàn)閉環(huán)的水中姿態(tài)調(diào)節(jié)；以仿生水母為基體，模擬水母趨光特性，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建趨光控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)朝向光源運動的功能。

1.1 腔體結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)具有低阻力系數(shù)，使水母具有更高的游動速度。并對腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過CFD仿真對不同徑高比下腔體結(jié)構(gòu)的阻力系數(shù)分析，設(shè)計最優(yōu)結(jié)構(gòu)的徑高比約為0.55︰1，優(yōu)化后的最小阻力系數(shù)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(shè)計在保證結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)作為控制單元核心，內(nèi)部大空間密封艙設(shè)計，可集中放置電氣控制硬件設(shè)備。

圖3 腔體結(jié)構(gòu)Fig.3 Cavity structure

1.2 雙驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計

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

1.2.1 柔性鰭條結(jié)構(gòu)設(shè)計

部分水母觸手具有推進(jìn)及改變運動方式的功能，基于此設(shè)計剛?cè)峤Y(jié)合的鰭條結(jié)構(gòu)，呈輻射狀對稱分布于腔體周圍，采用內(nèi)外雙片式結(jié)構(gòu)，外片固定，內(nèi)片固連曲柄滑塊實現(xiàn)上下運動，帶動鰭條產(chǎn)生形變實現(xiàn)擺動推進(jìn)，根部設(shè)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(chǎn)生渦流從而提高推進(jìn)力及推進(jìn)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(dǎo)入 Adams 中，給定鰭條的運動參數(shù)建立驅(qū)動模型，對外片添加固定約束，內(nèi)片添加位移約束，限制鰭條的位移和轉(zhuǎn)角，并得到運動位移及速度圖，證明所設(shè)計的雙片式鰭條結(jié)構(gòu)具有柔性變形能力。

仿水母機(jī)器人由鰭條撲動產(chǎn)生的反向推進(jìn)力驅(qū)動，推進(jìn)力的大小直接影響仿生水母的運動性能，鰭條擺動所能產(chǎn)生的推進(jìn)力取決于流體性質(zhì)和鰭條參數(shù)：

式中：F為鰭條表面所能產(chǎn)生的推進(jìn)力；ρ為流體密度；Cd為阻力系數(shù)；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(zhuǎn)動角度影響；vu為運動方向單位矢量，得到鰭條轉(zhuǎn)動角度θ與推進(jìn)力F(t)關(guān)系。

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

圖6 推進(jìn)力–旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系曲線Fig.6 Propulsion force-rotation angle relationship curve

鰭條擺動過程中，提供的推進(jìn)力隨自身的旋轉(zhuǎn)角度增大而增大，且具有趨于平穩(wěn)的峰值，為了獲得最大的推進(jìn)力，設(shè)置鰭條最大旋轉(zhuǎn)角度為60°，此時阻力系數(shù)為1.126 3，平均最大推進(jìn)力為0.082 3 N，鰭條結(jié)構(gòu)可提供的最大推進(jìn)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(jié)構(gòu)由舵機(jī)驅(qū)動的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)提供動力，而偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的急回特性可提高鰭條擺動速度，合理選擇曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的參數(shù)對優(yōu)化仿生水母的運動性能具有重要意義。通過workbench靜力學(xué)仿真確定連接于鰭條內(nèi)片的滑塊在柔性鰭條旋轉(zhuǎn)°

60時的運動行程為h=71.5 mm。設(shè)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(yīng)行程速比系數(shù)K= 1.668 7，機(jī)構(gòu)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(shù)：

1.2.2 管狀折紙結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)研究，自然界中部分水母通過收縮外殼擠壓內(nèi)腔的方式噴射推進(jìn)自身前進(jìn)，水流噴出產(chǎn)生的推力將使水母沿身體軸向方向運動。管狀折紙結(jié)構(gòu)[9]所能提供的推進(jìn)力大小與折紙單元結(jié)構(gòu)參數(shù)和流體性質(zhì)有關(guān)

式中，F(xiàn)為折紙結(jié)構(gòu)噴射所產(chǎn)生的推進(jìn)力；ρ為流體密度；1a、a2為折紙單元設(shè)計參數(shù)；S為出水口面積；v為折紙結(jié)構(gòu)收縮速度。根據(jù)相關(guān)研究[10]，折紙單元的優(yōu)化設(shè)計以最大儲水量和輸出剛度為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化結(jié)果表明最優(yōu)折紙結(jié)構(gòu)的1a、a2比值約為1.75︰1，因此設(shè)計的折紙結(jié)構(gòu)參數(shù)為a1＝50mm ，a2＝28mm。確定折紙單元參數(shù)后，提供的推進(jìn)力大小僅與出水口面積和收縮速度有關(guān)，而受舵機(jī)驅(qū)動的折紙結(jié)構(gòu)的收縮速度僅與其高度有關(guān)，通過對不同出水口面積和高度的折紙結(jié)構(gòu)進(jìn)行流體仿真，確定折紙結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

根據(jù)設(shè)計結(jié)果建立折紙結(jié)構(gòu)模型，其上部平臺連接進(jìn)水單向閥和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，利用滑塊上下運動實現(xiàn)折紙結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)Fig.8 Model of origami mechanism

此時，折紙結(jié)構(gòu)可提供的最大推進(jìn)力為0.180 2 N。通過CFD仿真獲得設(shè)計的折紙機(jī)構(gòu)的推進(jìn)速度約為24 mm/s。

設(shè)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(yīng)行程速比系數(shù)K= 1.890 8，求解運動方程后得到折紙結(jié)構(gòu)的曲柄滑塊參數(shù)：

1.2.3 雙驅(qū)動機(jī)構(gòu)協(xié)同性能

柔性鰭條結(jié)構(gòu)和管狀折紙結(jié)構(gòu)分別由對應(yīng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動，其提供的推進(jìn)力分別為0.493 8 N和0.180 2 N，推進(jìn)比例約為2.7︰1，采用同向舵機(jī)使得雙驅(qū)動結(jié)構(gòu)同時進(jìn)入工作行程以保證最大的推進(jìn)效率，能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)高效推進(jìn)。

1.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

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(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)通過舵機(jī)帶動2個重物塊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)水母重心的變化[11]，當(dāng)重力與浮力不再共線時，水母將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)趨勢，從而改變傾斜程度和運動方向，在一定范圍內(nèi)改變水母的重心位置來模擬水母氣囊內(nèi)充氣量的變化，從而實現(xiàn)水母在水下全向運動的目標(biāo)。

圖10 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)Fig.10 Steering mechanism

圖11 重心調(diào)節(jié)變化圖Fig.11 Adjustment of center of mass

通過配置重物塊的位置、重量，偏轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)半徑約為65 mm。在此基礎(chǔ)上，仿生水母的理論偏轉(zhuǎn)角為44.982 6°，考慮安全系數(shù)為1.5，得到仿生水母實際偏轉(zhuǎn)角度約為30°。

2 運動控制與趨光感知

2.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

仿水母機(jī)器人以STM32F411單片機(jī)作為控制核心，核心運算能力較高，可以實現(xiàn)接受仿生水母的大量傳感數(shù)據(jù)，并對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行實時且精確的運算，從而向運動結(jié)構(gòu)發(fā)出指令，控制仿生水母的鰭條結(jié)構(gòu)、折紙結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等運動，實現(xiàn)仿生水母的上游、下沉、轉(zhuǎn)向等各種運動功能。采用容量高達(dá)2 200 mA·h的鋰聚合物電池，可實現(xiàn)水母的持久續(xù)航。自主設(shè)計的電源系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計了過流、過壓防護(hù)，為水母的穩(wěn)定安全運行提供了支持。同時設(shè)計了電壓實時檢測電路，以對電路系統(tǒng)的電壓進(jìn)行實時監(jiān)測?；谟布橄髮樱℉ardware Abstraction Layer，HAL）開發(fā)一套穩(wěn)定高效的微控制器軟件系統(tǒng)，按照HAL規(guī)范實現(xiàn)對芯片接口的配置，兼具代碼標(biāo)準(zhǔn)和操作簡便的優(yōu)點，大大提高了開發(fā)效率。軟件設(shè)計中引入了FreeRTOS微控制器實時操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)功能的模塊化，即任務(wù)之間相互獨立，可依據(jù)需求建立對應(yīng)模塊，且可對獨立的功能模塊進(jìn)行獨立測試，極大地提高了工作效率。

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

2.2 趨光控制系統(tǒng)

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(huán)境的光源，根據(jù)光源變化發(fā)現(xiàn)和避開障礙物?；诖颂匦裕疚脑诜律傅那惑w結(jié)構(gòu)上設(shè)計趨光控制系統(tǒng)，使其可以感知外界紅外光線的變化，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法對光源位置進(jìn)行預(yù)測并做出反應(yīng)，即趨光運動。

趨光控制系統(tǒng)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(shè)計陣列光源結(jié)構(gòu)以抵抗水下光源的衰減，并且在腔體結(jié)構(gòu)上設(shè)計暗室以排除干擾光源的影響，在光源進(jìn)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(yù)測偏差，采用支持向量機(jī)、Logistic回歸、CART決策樹和K–近鄰算法模型4種機(jī)器學(xué)習(xí)方法處理傳感數(shù)據(jù)，通過對實驗數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果的處理后得到4種模型的準(zhǔn)確率、ACU和學(xué)習(xí)曲線，對比后最終選擇支持向量機(jī)模型。

對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行超參數(shù)優(yōu)化與模型訓(xùn)練，經(jīng)過訓(xùn)練后的模型位置檢測成功率高達(dá)90%，在Near-Miss算法生成的欠采樣測試數(shù)據(jù)集上，對于單個扇形區(qū)域進(jìn)行預(yù)測時，得到的概率曲線下所對應(yīng)的面積值高達(dá)0.983 6，證明了該算法在光源位置預(yù)測中具有較高的準(zhǔn)確性。

將光電傳感系統(tǒng)的感知功能應(yīng)用于自身的運動控制，當(dāng)仿生水母未檢測到外界有效光源時，重物塊僅采用微調(diào)方法以使水母保持豎直平衡，只在豎直方向進(jìn)行上游和下沉運動；當(dāng)仿生水母檢測到外界紅外光源時，機(jī)器學(xué)習(xí)算法模型控制重物塊偏向光源以改變水母運動方向，并結(jié)合鰭條和折紙結(jié)構(gòu)的驅(qū)動實現(xiàn)水母的趨光運動。

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

3 樣機(jī)研制與測試

3.1 樣機(jī)研制

根據(jù)設(shè)計結(jié)果，綜合考慮力學(xué)性能、材料性質(zhì)、制作成本等因素選擇制造材料，鰭條結(jié)構(gòu)既要滿足剛度要求，又要通過變形產(chǎn)生推進(jìn)力，因此選擇TPU 95A材料。而對于折紙結(jié)構(gòu)的折痕變形過程則利用軟膠翻模的方法進(jìn)行制造，非受力桿件采用輕質(zhì)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(shù)參數(shù)如表2。

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

3.2 測試實驗

分別對仿生水母的雙驅(qū)動推進(jìn)運動和趨光感知功能進(jìn)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(jìn)行。

實驗結(jié)果表明：仿生水母運行穩(wěn)定，采用的撲動–噴射雙驅(qū)動推進(jìn)模式相比于單一推進(jìn)模式具有更高的綜合推進(jìn)效率，運行速度相較于采用單擺動推進(jìn)的驅(qū)動方式提升約25%，證明了本文設(shè)計的雙驅(qū)動結(jié)構(gòu)是一種高效的推進(jìn)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(qū)動推進(jìn)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(zhuǎn)角度為30°，可實現(xiàn)水下環(huán)境中的全方位運動以及穩(wěn)定的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，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(qū)動方式增加約36%，最快游動速度達(dá)100 mm/s，在水下能夠?qū)崿F(xiàn)快速持續(xù)推進(jìn)；

4）通過均勻布置光電傳感器實現(xiàn)了對光源的識別追蹤，且在水下能夠通過轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)定向光源，通過驅(qū)動結(jié)構(gòu)實現(xiàn)趨光運動，識別距離約為0.3 m，響應(yīng)時間約為2 s。

4 結(jié)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(jié)構(gòu)噴射的雙驅(qū)動仿生水母，有效提升了水母推進(jìn)力和推進(jìn)效率，仿水母眼點特性。通過優(yōu)化陣列設(shè)計一種趨光控制系統(tǒng)，可自主實現(xiàn)在水下朝向光源運動，通過樣機(jī)試制與實驗驗證了提出的雙驅(qū)動機(jī)構(gòu)及趨光運動的可靠性。隨著水下通信技術(shù)不斷發(fā)展，搭載有水下通信系統(tǒng)的仿生水母將在深海探測、資源勘探、洋流能利用等技術(shù)領(lǐng)域[12]發(fā)揮出重要作用。