李 博 ,余應(yīng)明 ,曹永輝 ,,郝藝偉 ,潘 光 ,,曹 勇 ,*

(1.西北工業(yè)大學(xué)寧波研究院 無人航行技術(shù)研究中心,浙江 寧波,315048;2.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院,陜西 西安,710072)

0 引言

隨著海洋探索和開發(fā)需求的增加,自20 世紀(jì)90 年代,仿生機器魚已逐漸成為各高校及科研院所熱點研究領(lǐng)域之一。目前,國內(nèi)外仿生學(xué)研究人員普遍按照魚類的推進(jìn)部位和特點將仿生機器魚分為2 種,即身體/尾鰭模式 (body and caudal fin,BCF)和中央鰭/對鰭模式(median and/or paired fin,MPF)[1-2]。綜合現(xiàn)有研究結(jié)論,胸鰭推進(jìn)模式具有低速推進(jìn)效率高、游動穩(wěn)定性好且機動性優(yōu)良的特點[3-4];而胸鰭推進(jìn)模式的仿生機器魚又可以按照胸鰭鰭條的數(shù)目細(xì)分為2 類: 單鰭板驅(qū)動和多鰭條驅(qū)動。畢樹生團隊[5-9]研制了系列胸鰭擺動推進(jìn)的工程樣機(Robo Ray 1～5),其擺動胸鰭更加有效,游動速度近2 kn,同時經(jīng)過多次的版本迭代,從外形和游態(tài)上更加逼近真實魚類;邢城[10]設(shè)計了基于擺旋驅(qū)動單鰭板結(jié)構(gòu)布局的工程樣機,分析了擺旋機構(gòu)的運動機理并對樣機的推進(jìn)性能進(jìn)行了測試;沈林成等[11]對于多鰭條仿生魚波動胸鰭進(jìn)行設(shè)計和研究,對鰭條的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和運動規(guī)劃、控制等方面開展相關(guān)研究;武志軍[12]則研制了仿晶吻鰩機器魚,通過偏心輪機構(gòu)實現(xiàn)多鰭條的波動傳遞,得到的直線前游和轉(zhuǎn)彎機動實驗數(shù)據(jù)與計算機仿真數(shù)據(jù)匹配較好;范增等[13]以魟魚為仿生原型,設(shè)計了一款多鰭條波動機器魚,測試研究了機器魚最大平均推力為2.8 N,最大游速達(dá)121 mm/s。

從以上研究進(jìn)展可以了解到,單板胸鰭是通過單電機或兩電機配合驅(qū)動中間機構(gòu)帶動單鰭板,經(jīng)過對鰭板不同截面的剛度分布進(jìn)行設(shè)計,使得胸鰭拍動時發(fā)生變形從而推動水流獲得推進(jìn)力,其推進(jìn)效率高且游動穩(wěn)定性好,以往研究大多圍繞胸鰭推進(jìn)機構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化,如優(yōu)化前游的推進(jìn)效率、速度及穩(wěn)定性,但針對倒游推進(jìn)性能的研究并不多見;同時由于多鰭條驅(qū)動是通過多個電機帶動對應(yīng)鰭條在不同時間規(guī)律的上下擺動,形成連續(xù)的拍動水流,使得其擁有高機動及倒游特性,但其穩(wěn)定性能較差并且能耗較高。

文中為兼顧游動穩(wěn)定性及倒游特點,設(shè)計了一種基于胸鰭擺動推進(jìn)模式的分體式仿生柔體胸鰭結(jié)構(gòu),并將仿牛鼻鲼機器魚模型在循環(huán)水槽中進(jìn)行分體胸鰭與完整胸鰭對比測試實驗。循環(huán)水槽撲動推進(jìn)實驗結(jié)果表明,分體胸鰭結(jié)構(gòu)方案隨著頻率和幅值的增加,向后推力增加明顯,并且2 種胸鰭結(jié)構(gòu)前游推力接近,因此為仿牛鼻鲼機器魚實現(xiàn)高穩(wěn)定性及高機動性的控制研究提供參考。

1 仿生魚胸鰭推進(jìn)機構(gòu)設(shè)計

1.1 生物胸鰭特征分析

胸鰭擺動推進(jìn)的魚類以鲼科為代表,其中蝠鲼與牛鼻鲼最為典型(見圖1)。此種魚類身體呈扁平且總體呈菱形,具有一對較大且近似三角形的胸鰭[14];在運動過程中,胸鰭的柔性變形是影響推進(jìn)效率的最大因素[15],距離身體遠(yuǎn)端的鰭尖部分變形較大,而鰭根部分變形較小。Schaefer 等[16]通過對胸鰭擺動魚類的研究,發(fā)現(xiàn)鲼科魚類胸鰭骨架有相似性,即胸鰭骨骼沿展向(即沿翼展方向)呈現(xiàn)放射狀,且沿弦向(即沿身長方向)依次排列布局,其剛度分布: 靠近頭部鈣化嚴(yán)重,剛度更強;遠(yuǎn)離身體鈣化程度越弱,剛度減小;同時胸鰭骨骼之間聯(lián)結(jié)并產(chǎn)生交叉支撐,通過肌肉帶動對應(yīng)骨骼進(jìn)行靈活變形以及擺動拍水游動。Curet 等[17]分析了蝠鲼胸鰭的外形、肌肉以及骨骼分布,研究表明骨骼沿展向平行排列,每根骨骼在肌肉的帶動下可以繞著鰭根轉(zhuǎn)動,并且胸鰭骨骼和肌肉形成交叉支撐結(jié)構(gòu)。鈣化的骨骼在胸鰭內(nèi)部按照放射狀排布,其軟骨部分由多段橈骨組成,可以繞橈骨關(guān)節(jié)處做小幅值轉(zhuǎn)動,因此在胸鰭展向體現(xiàn)出一定的柔性。與此同時,各橈骨之間存在交錯式的聯(lián)結(jié)以及肌肉的結(jié)合,因此整個胸鰭仍會表現(xiàn)出一定的剛度。Salazar 等[18]對黃貂魚和蝠鲼的骨骼結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比,研究發(fā)現(xiàn)黃貂魚胸鰭骨骼越靠近身體內(nèi)側(cè),網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)越多,而在胸鰭邊緣的骨骼更加獨立;但蝠鲼的胸鰭骨骼幾乎都是交叉支撐結(jié)構(gòu)。Menzer 等[19]針對蝠鲼胸鰭前緣渦以及胸鰭彎曲度進(jìn)行流體分析,詳細(xì)分析了蝠鲼游動時胸鰭弦向攻角對推力的影響以及在此條件下所產(chǎn)生前緣渦場的表現(xiàn)形式。從現(xiàn)有對其胸鰭研究的文獻(xiàn)資料總結(jié)出以下特點: 1) 牛鼻鲼整體外形近似菱形,胸鰭輪廓近似三角形,且前緣至后緣的截面近似Naca 翼型曲線;2) 牛鼻鲼在游動過程中,展向及弦向上分別近似產(chǎn)生正弦波動,通過胸鰭拍動水流從而產(chǎn)生推力;3) 從對現(xiàn)有標(biāo)本掃描胸鰭骨骼發(fā)現(xiàn)胸鰭的鈣化分布從內(nèi)至外逐漸變?nèi)?并且骨骼與肌肉緊密結(jié)合,使胸鰭有良好的復(fù)合柔性,如圖2 所示[16]。

圖1 牛鼻鲼標(biāo)本Fig.1 Cow-nosed ray specimen

圖2 生物學(xué)骨骼分布Fig.2 Distribusion of biological skeleton

綜合考慮以上胸鰭運動特點,以牛鼻鲼胸鰭為仿生對象,并且對胸鰭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)一步測試驗證,討論一種同時具有良好前游推力和倒游性能的胸鰭結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)仿牛鼻鲼機器魚在沉船考察、珊瑚礁監(jiān)測等小空間場景的應(yīng)用能力。

1.2 胸鰭結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)仿牛鼻鲼機器魚胸鰭的擺動效果,采用雙舵機搭配擺旋機構(gòu)帶動胸鰭鰭板的方式,胸鰭鰭板由鰭板骨架和硅膠蒙皮組成,其骨架通過3D打印制得,將完整胸鰭鰭板和分體胸鰭鰭板在擺旋結(jié)構(gòu)固定位置進(jìn)行同位更換,保證基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的一致性;在機械與模型的背部設(shè)有六維力/力矩傳感器法蘭接口,可以實現(xiàn)在實驗平臺的對接,具體驅(qū)動方案如圖3 和圖4 所示。

圖3 仿牛鼻鲼機械魚模型Fig.3 Robotic cow-nosed ray model

圖4 實驗?zāi)Ｐ虵ig.4 Experimental model

由于實驗平臺尺寸的限制,設(shè)計以上仿牛鼻鲼機器魚工程樣機模型翼展為0.4 m,體長為0.25 m;現(xiàn)有設(shè)計完整胸鰭(即單板柔性鰭板)作為測試對照組,完整胸鰭鰭板(見圖5)弦向剛度由不同大小和深度的溝槽實現(xiàn)剛度連續(xù)變化,并且在尾緣處分離處理,擺旋機構(gòu)驅(qū)動完整胸鰭結(jié)構(gòu)(見圖6),從而實現(xiàn)胸鰭鰭板在拍動過程中展向連續(xù)被動彎曲且弦向同樣有被動彎曲,這樣連續(xù)的拍動增加了運動過程中高效的前游推進(jìn)。

圖5 完整胸鰭鰭板結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of complete pectoral fin

圖6 擺旋驅(qū)動完整胸鰭Fig.6 Swinging drive complete pectoral fin

分體胸鰭鰭板設(shè)計由前緣鰭板和后緣鰭板組成(見圖7),并且鰭板展向尖部和鰭板弦向設(shè)計有多個不同溝槽;為在撲動過程中增加鰭板弦向變形連續(xù)性,選擇0.6 mm 硅膠作為蒙皮材料貼敷在鰭板上下兩側(cè),構(gòu)成具有展向連續(xù)被動變形和弦向擺旋機構(gòu)主動驅(qū)動帶動鰭板被動連續(xù)變形的分體胸鰭結(jié)構(gòu)(見圖8)。

圖7 分體胸鰭鰭板結(jié)構(gòu)Fig.7 Split pectoral fin stucture

圖8 擺旋驅(qū)動分體胸鰭Fig.8 Swinging drive split pectoral fin

2 水動力實驗設(shè)計

2.1 實驗平臺

實驗平臺為一小型循環(huán)水槽,其外形尺寸為6 750 mm×1 805 mm×3 000 mm,試驗段截面積尺寸為1 500 mm×600 mm×800 mm,最高水深600 mm;樣機身長方向為六維力/力矩傳感器X方向,翼展方向為Y方向,垂直方向為Z方向,實驗?zāi)Ｐ筒季忠妶D9;將實驗?zāi)Ｐ头胖迷趯嶒炂脚_后,通過計算機對其進(jìn)行控制,實現(xiàn)單側(cè)兩舵機輸出弦向正弦擺動。

圖9 循環(huán)水槽實驗平臺Fig.9 Circulating water tank experimental platform

循環(huán)水槽可以提供穩(wěn)定流速,且其流速范圍為0.05～1.2 m/s,水流精度見表1。

表1 循環(huán)水槽參數(shù)Table 1 Parameters of circulating water tank

由于測試胸鰭尺寸較小,產(chǎn)生推力較小并且推力測量精度較高,因此選用ATI 六維力/力矩傳感器型號為SI-125-3,詳細(xì)參數(shù)見表2,其中Fx、Fy、Fz為空間坐標(biāo)方向的力,Tx、Ty、Tz為空間坐標(biāo)方向?qū)?yīng)的力矩。

表2 六維力/力矩傳感器參數(shù)Table 2 Parameters of six dimensional force/torque sensor

2.2 實驗方案設(shè)計與測試

擺旋機構(gòu)是實現(xiàn)兩驅(qū)動舵機與鰭板連接及傳動的重要組件,平面運動如圖10 所示。所有零件的關(guān)系: 零件1 與零件3 通過旋轉(zhuǎn)副連接;零件3與零件4 通過圓柱副連接;零件4 與零件5 通過旋轉(zhuǎn)副連接;零件5 與零件2 通過圓柱副連接。此機構(gòu)運動構(gòu)件n=5,空間每個構(gòu)件自由度為6,pi(i=1···5)為該構(gòu)件空間約束數(shù),因此可以計算擺旋機構(gòu)的空間自由度為

圖10 擺旋機構(gòu)二維原理圖Fig.10 Two-dimensional diagram of swing structure

經(jīng)過計算得到擺旋機構(gòu)空間自由度為2,與運動輸入數(shù)相等,因此采用兩舵機輸入時可以確定各構(gòu)件的運動及位置。

在實驗測試中,通過分別控制舵機1 與舵機2 轉(zhuǎn)動帶動擺旋機構(gòu)(見圖10)運動且兩舵機轉(zhuǎn)動角度隨時間保持一定角度值(以下稱為相位差),從而帶動胸鰭鰭板形成對應(yīng)相位差角度的攻角,在連續(xù)運動作用下,鰭板表現(xiàn)為正弦擺動推水;在此過程中,當(dāng)舵機1 先于舵機2 轉(zhuǎn)動且保持一定相位差則該胸鰭產(chǎn)生向前推力;反之,舵機2 先于舵機1 轉(zhuǎn)動且保持一定相位差則該胸鰭產(chǎn)生向后推力。

為實現(xiàn)胸鰭連續(xù)拍動,對兩舵機的運動控制需按照如下方程進(jìn)行描述

式中: θ1(t)與 θ2(t)分 別為在時 刻t時一 級擺桿和二級擺桿在其回轉(zhuǎn)平面中偏離中心位置的角度值;A1和A2分別為一級擺桿和二級擺桿設(shè)定偏離中心位置的最大幅值角度;?1和 ?2分別表示驅(qū)動擺桿的轉(zhuǎn)動角速度,在此實驗中設(shè)定角速度相等即?1=?2,由于角速度 ?=2πf,因此兩驅(qū)動擺桿轉(zhuǎn)動頻率亦相等;φ為兩驅(qū)動擺桿之間運動時的時序差,即運動相位差;δ1、δ2為兩驅(qū)動擺桿中心線所在平面與樣機中性面的初始夾角,由于文中討論的胸鰭為對稱撲動,理論上此角度設(shè)置為0。

通過以上描述分析可知,在控制樣機運動時需要給定3 個變量分別為轉(zhuǎn)動幅值A(chǔ)=20°、30°、40°,撲動頻率f=0.2、0.4、0.6、0.8 Hz 及擺桿運動相位差 φ,其中相位差設(shè)定為60°。依次按照以上設(shè)計變量進(jìn)行水動力測試實驗。

3 實驗結(jié)果分析

通過完成一系列水動力實驗,直流穩(wěn)壓電源供電電壓為7.4 V,將六維力/力矩傳感器采集的推力Fx數(shù)據(jù)及各工況下電流數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計,分別比較不同胸鰭結(jié)構(gòu)對推力及推力等效效率的影響;將推力Fx取平均值,得到胸鰭在20 個周期撲動過程中的平均推力,并將采集的電流值同樣進(jìn)行取平均;由功率P∝電流I,用 |Fx|表 示推力Fx數(shù)值均值,其與電流I的比值表示為推力等效效率 ε,即ε=|Fx|/I。

3.1 游動推力分析

對比分析前游推力數(shù)據(jù)及倒游推力數(shù)據(jù),結(jié)果見表3。

表3 推力對比分析Table 3 Comparison analysis of thrust

1) 分體胸鰭方式在前游(φ=-60°)工況下,與完整胸鰭方式在測試條件內(nèi)推力值接近,但隨著頻率的增加,分體式胸鰭推力增加的斜率大于整體式胸鰭方式,在高頻率、大幅值撲動的條件下,分體胸鰭方式可以提供更大的前游推力。

2) 分體胸鰭方式在倒游(φ=60°)工況下,在低頻率、小幅值的條件下產(chǎn)生的倒游推力較整體式胸鰭方式差,而隨著頻率、幅值的增加,倒游推力增加顯著。

實驗樣機翼展與體長比為1.6,參照二維波動板[20]理論進(jìn)行分析。前游工況下,完整胸鰭鰭板弦向剛度較分體胸鰭鰭板弦向剛度弱,在低拍動頻率和低拍動幅值時完整胸鰭鰭板弦向產(chǎn)生被動變形,即流體渦在胸鰭鰭面變形處脫落從而形成前向推力;但隨著拍動頻率和拍動幅值的增加,分體胸鰭鰭板的被動變形明顯優(yōu)于整體胸鰭鰭板,從而使流體渦脫落更加順暢,分體胸鰭方式在更大的頻率和幅值條件下推力將優(yōu)于整體胸鰭方式。反之,在倒游的工況下,由于分體胸鰭鰭板尾緣的剛度要大于整體胸鰭鰭板,但在低頻率、小幅值的條件下,分體胸鰭鰭板弦向剛度差較小,所以此條件倒游推力差于整體胸鰭鰭板;隨著拍動頻率和幅值的增加,分體胸鰭鰭板弦向變形明顯,有利于流體渦脫落,因此此時倒游推力顯著增加。

3.2 等效效率分析

通過表3 的對比結(jié)果發(fā)現(xiàn),分析驗證2 種胸鰭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的推力效率是十分必要的,因此按照以上方法分析了不同工況下的等效效率對比曲線(見表4),結(jié)果如下。

表4 推力等效效率對比Table 4 Comparison of thrust equivalent efficiency

1) 在前游(φ=-60°)工況下,隨著幅值和頻率的增加,推力等效效率接近,但分體胸鰭在幅值20°時推力等效效率明顯優(yōu)于完整胸鰭,并且在不同拍動幅值的條件下,幅值越大,等效效率拐點發(fā)生的頻率越小。

2) 在倒游(φ=60°)工況下,隨著撲動頻率的增加,完整胸鰭的推力等效效率逐漸下降,而分體胸鰭推力等效效率逐漸增加;然而隨著撲動幅值的增加,完整胸鰭在相同頻率的情況下,推力等效效率也表現(xiàn)出下降趨勢,而分體胸鰭的推力等效效率則表現(xiàn)出增加趨勢,同時兩胸鰭結(jié)構(gòu)倒游的等效效率曲線交點的頻率逐步減小。

從以上結(jié)論可以看出,前游條件下,隨著幅值的增加,分體胸鰭鰭板的等效效率拐點頻率逐漸減小,根據(jù)二維波動板理論,胸鰭鰭板產(chǎn)生足夠的被動變形,有利于流體渦的脫落。倒游條件下,實驗曲線表明,隨著頻率的增加分體胸鰭等效效率曲線斜率向上,且完整胸鰭等效效率曲線斜率向下;根據(jù)二維波動板理論,隨著幅值的增加,胸鰭鰭板產(chǎn)生被動變形,有利于流體渦在鰭板前緣的脫落,所以分體胸鰭鰭板與完整胸鰭鰭板等效效率曲線交點頻率逐漸減小。

3.3 小結(jié)

基于二維波動板理論并對2 種胸鰭結(jié)構(gòu)的推力和等效效率數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,文中設(shè)計的分體胸鰭方式隨著拍動頻率和幅值的增加,前游推力與完整胸鰭方式接近,但斜率較后者更大;前游推力等效效率會隨著拍動幅值的增加而發(fā)生拐點,并且拐點頻率逐步變小;倒游推力同樣隨著幅值的增加拐點頻率逐漸減小,且分體胸鰭方式倒游推力顯著優(yōu)于完整胸鰭方式;倒游推力等效效率亦體現(xiàn)此規(guī)律。

綜上所述,分體胸鰭結(jié)構(gòu)在前游推力和推力等效效率接近的情況下,產(chǎn)生倒游的推力及等效推進(jìn)效率的曲線斜率隨著拍動頻率和拍動幅值增加均保持遞增趨勢,較完整胸鰭結(jié)構(gòu)明顯提升。

4 結(jié)論

文中針對2 種胸鰭結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比實驗,為解決擺旋機構(gòu)胸鰭倒游推力的需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗證,通過前游和倒游推力以及前游和倒游推力等效效率2 個方面的綜合對比,分析表明: 1) 分體胸鰭結(jié)構(gòu)的前游推力稍低于完整胸鰭,但隨著頻率和幅值的增加將優(yōu)于完整胸鰭結(jié)構(gòu);分體胸鰭結(jié)構(gòu)的倒游推力同樣隨著頻率和幅值的增加而優(yōu)于完整胸鰭;2) 分體胸鰭結(jié)構(gòu)的推力等效效率隨著頻率和幅值的增加而增加,在高頻大幅值的情況下優(yōu)于完整胸鰭。文中2 種胸鰭結(jié)構(gòu)隨著拍動幅值的增加,拐點頻率逐漸減小,因此,鰭板結(jié)構(gòu)剛度分布對推力的影響較大。實驗亦表明優(yōu)化胸鰭結(jié)構(gòu)在近乎不影響前游推力的情況下可以提升倒游推力。未來將進(jìn)一步從優(yōu)化胸鰭剛度的分布和流場分析的角度提升胸鰭的推進(jìn)性能,從而使基于擺旋推進(jìn)機構(gòu)仿生魚的游動穩(wěn)定性及機動性得到綜合提升。