張曼 麥文 王炳乾

摘要：設(shè)計(jì)一種采用單電機(jī)驅(qū)動單側(cè)胸鰭方式的牛鼻鰩機(jī)器魚.根據(jù)牛鼻鰩身體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動方式，設(shè)計(jì)長59.2 cm，寬73.6 cm，高15.6 cm的機(jī)器魚，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制.進(jìn)行運(yùn)動控制分析，驗(yàn)證機(jī)器魚的水平、垂直、轉(zhuǎn)彎和滑翔運(yùn)動.設(shè)計(jì)胸鰭鰭條運(yùn)動仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)器魚胸鰭鰭條弦向、展向和鰭尖運(yùn)動規(guī)律.結(jié)果證明，機(jī)器魚展向運(yùn)動類似正弦規(guī)律且頻率相同，弦向運(yùn)動類似正弦規(guī)律且幅度相同，胸鰭鰭尖振幅為49.42°.分析和仿真表明機(jī)器魚胸鰭的展向、弦向振動規(guī)律與牛鼻鰩胸鰭振動規(guī)律相似，能夠?qū)崿F(xiàn)滑翔功能，為進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器魚模型和搭建機(jī)器魚平臺并進(jìn)行水動力試驗(yàn)提供方向.

關(guān)鍵詞：仿生魚; 滑翔; 胸鰭機(jī)構(gòu); 牛鼻鰩

中圖分類號：TP242? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1001-8395（2024）05-0676-06

doi：10.3969/j.issn.1001-8395.2024.05.013

0 引言

水下作業(yè)系統(tǒng)一直以來備受世界各國關(guān)注.傳統(tǒng)的水下航行器具有推力大、速度快和易于控制等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，但存在效率低，平均效率在40%～50%[3-4]，且難于繼續(xù)提高的問題[1].螺旋槳還存在被植物纏繞和噪聲大等局限性[5].魚類經(jīng)過千萬年的自然選擇和進(jìn)化，身體機(jī)制和游泳模式已趨近完美，多數(shù)魚類游泳效率高于80%，而某些金槍魚的游泳效率高于90%.有些魚類還可在轉(zhuǎn)彎半徑小于體長10%～30%的情況下實(shí)現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎[3，6].

魚類的運(yùn)動大致可分為身體/尾鰭推進(jìn)（BCF）模式和中央鰭/對鰭推進(jìn)（MPF）模式[7].BCF模式魚類具有狹長身體，依靠身體產(chǎn)生推進(jìn)波，實(shí)現(xiàn)游泳.這類魚具有較好的速度、加速度和效率[1，8-9].MPF模式的魚類，在隱蔽性、機(jī)動性、穩(wěn)定性和噪聲等方面優(yōu)勢明顯[1，8].

MPF模式具有水動力地面效應(yīng)，具有諸多優(yōu)勢，得到了廣泛關(guān)注.如文獻(xiàn)[5，8，10-14]設(shè)計(jì)的Robo-ray機(jī)器魚，主要采用人工肌肉或電機(jī)驅(qū)動胸鰭實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)[3，15-16]以蝠鲼為原理設(shè)計(jì)的RoMan機(jī)器魚，Bianchi等[17]仿牛鼻鰩設(shè)計(jì)的主動控制機(jī)器魚.Wu等[18]仿蝠鲼設(shè)計(jì)的胸鰭鰭條驅(qū)動控制機(jī)器魚.

本文以牛鼻鰩為原型，針對多鰭條驅(qū)動模式存在控制復(fù)雜和續(xù)航能力差等問題，提出了一種改進(jìn)模型.采用3D建模技術(shù)，在單電機(jī)驅(qū)動單側(cè)多鰭條情況下，使總電機(jī)數(shù)量降到3個(gè).通過控制浮力系統(tǒng)和尾鰭，實(shí)現(xiàn)仿生魚的滑翔功能，節(jié)省大量能耗，明顯增強(qiáng)續(xù)航時(shí)間.通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性.

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對海洋博物館內(nèi)多個(gè)牛鼻鰩的游泳運(yùn)動分析，得到牛鼻鰩游泳時(shí)身體變形[12，19]、胸鰭輪廓圖和翼尖軌跡圖[12]，如圖1～3所示.

研究表明，牛鼻鰩胸鰭的振動頻率為0.5～1.2 Hz[12].振動過程中，振動幅度通常是翼展的0.3倍，上沖程運(yùn)動與下沖程運(yùn)動相似，方向相反[10，13].這種低振動頻率產(chǎn)生低噪聲，能降低環(huán)境影響.胸鰭的振動方向與游泳方向垂直，振動運(yùn)動產(chǎn)生推力，這種游泳方式能夠提高速度和效率[11，13].此外，在長距離遷徙過程中，牛鼻鰩采用滑翔，能耗低.

1.1 總體結(jié)構(gòu) 仿牛鼻鰩機(jī)器魚模型包括了6個(gè)部分：頭部、中部、后部、胸鰭、尾鰭和皮膚，如圖4和5.頭部有攝像頭、紅外傳感器、姿態(tài)傳感器、壓力傳感器、微處理器模塊、通信模塊、驅(qū)動電機(jī)、電池及電池管理模塊等，沿魚體對稱排布.后部包含浮力系統(tǒng).胸鰭蒙皮采用硅膠，皮膚采用彈性為1.5～2倍的透光尼龍布.頭部和中部用擋板、防水橡膠密封圈及防水密封膠進(jìn)行密封處理;后部和中部也采用擋板、防水橡膠密封圈及防水密封膠進(jìn)行密封處理.驅(qū)動電機(jī)輸出軸安裝有VA型氟橡膠水封和雙面膠蓋密封不銹鋼軸承，以解決旋轉(zhuǎn)軸密封和動力輸出的問題.

1.2 胸鰭結(jié)構(gòu) 胸鰭由左胸鰭和右胸鰭兩部分構(gòu)成，它們結(jié)構(gòu)相同，沿魚體對稱排布.此處，以左胸鰭為例，加以說明.根據(jù)鰭邊緣輪廓值，設(shè)計(jì)左鰭條長度及鰭條位置關(guān)系.左胸鰭由4個(gè)鰭條組成，包括第一鰭條、第二鰭條、第三鰭條和第四鰭條，如圖6.其中，第一、第二、第三鰭條平面連桿機(jī)構(gòu)簡圖如圖7所示，第四鰭條與第一鰭條結(jié)構(gòu)相同.左胸鰭由單個(gè)電機(jī)驅(qū)動，通過鰭條間驅(qū)動軸安裝角度差，實(shí)現(xiàn)鰭條間的相位差.鰭條平面連桿機(jī)構(gòu)將驅(qū)動電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)檫B桿往復(fù)的拍打運(yùn)動.由此，仿生魚可以在其鰭條皮膚表面產(chǎn)生正弦推進(jìn)波，在展向上產(chǎn)生與牛鼻鰩類似的拍打運(yùn)動.

牛鼻鰩胸鰭橫截面在展向上運(yùn)動頻率相同，在弦向上運(yùn)動幅度相同.第一鰭條曲柄OD與驅(qū)動電機(jī)連接，驅(qū)動電機(jī)以角速度ω0勻速轉(zhuǎn)動.以O(shè)為原點(diǎn)，第一鰭條平面機(jī)構(gòu)投影到兩坐標(biāo)系的方程組如下：

lEPsin?β+lEDsin?θ=LOPsin?γ+lODsin?α，lEPcos?β=lEDcos?θ，LOPcos?γ=lODcos?α，（1）

其中，lOD為曲柄OD長，lED為桿ED長，LOP為機(jī)架OP長，lEP為桿EP長，α、β、θ、γ分別為OD、EP、ED、OP與x坐標(biāo)的夾角.通過（1）式求得β和θ，故第一鰭條點(diǎn)A的位置方程如下：

xA=LOPcos?γ+lPAcos?β，yA=LOPsin?γ+lPAsin?β，（2）

其中，lPA為桿EP的直線延長桿長度.合理設(shè)置位置和桿長參數(shù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)A類似正弦規(guī)律運(yùn)動.

根據(jù)第一鰭條，設(shè)計(jì)第二鰭條.第二鰭條平面機(jī)構(gòu)投影到兩坐標(biāo)系的方程組如下：

lPGsin?β=lGFsin?δ，lPF=lPGcosβ-lGFcos?δ，（3）

其中，lPG為桿PG長，lGF為桿GF長，lPF為機(jī)架PF長，β和δ分別為PG、GF與x坐標(biāo)的夾角.通過（3）式求得lGF、δ，故第二鰭條點(diǎn)B的位置方程如下：

xB=LOPcos?γ+lPGcos?β+lBGcos?δ，yB=LOPsin?γ+lPGsin?β+lBGsin?δ，（4）

其中，lBG為桿GF的反向延長桿長度.合理設(shè)置位置和桿長參數(shù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)B類似正弦規(guī)律運(yùn)動.

根據(jù)第二鰭條，設(shè)計(jì)第三鰭條.第三鰭條平面機(jī)構(gòu)投影到兩坐標(biāo)系的方程組如下：

lHKsin?δ=lJKsin?ε+lHJsin?β，lHKcos?δ=lJKcos?ε+lHJcos?β，（5）

其中，lHK為桿HK長，lJK為桿JK長，lHJ為桿HJ長，ε為JK與x坐標(biāo)的夾角.通過（5）式求得lJK、ε，故點(diǎn)C在第三鰭條上的位置方程如下：

xC=LOPcosγ+lPHcos?β+? lKHcos?δ+lKCcos?ε，yC=LOPsin?γ+lPHsin?β+? lKHsin?δ+lKCsin?ε，（6）

其中，lKC為桿JK的直線延長桿長度.合理設(shè)置位置和桿長參數(shù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)C類似正弦規(guī)律運(yùn)動.

1.3 浮力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對續(xù)航問題，設(shè)計(jì)一種浮力系統(tǒng)，如圖8.在尾鰭的輔助下，實(shí)現(xiàn)滑翔功能.

該浮力系統(tǒng)主要包括：電磁閥、儲水器固定架、儲水器、水泵和連接軟管.儲水器由彈性橡膠材料制成，解決不可變形儲水器蓄水容量變化與內(nèi)部空氣壓力變化引發(fā)的問題.電磁閥和水泵協(xié)同控制儲水器液位，調(diào)整浮力.

2 仿真分析

2.1 運(yùn)動仿真 鰭條弦向運(yùn)動規(guī)律驗(yàn)證.控制鰭條驅(qū)動軸勻速運(yùn)動，取第一鰭條、第二鰭條、第三鰭條和第四鰭條的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別為點(diǎn)A、G、H、M，繪出垂直位移曲線，如圖9.相鄰鰭條間相位差90°，鰭條產(chǎn)生近似正弦波運(yùn)動規(guī)律，由仿真結(jié)果可知，仿生魚胸鰭的弦向運(yùn)動規(guī)律與牛鼻鰩胸鰭的一致.

鰭條運(yùn)動頻率和運(yùn)動幅度驗(yàn)證.控制鰭條驅(qū)動軸勻速運(yùn)動，取第三鰭條的3個(gè)節(jié)點(diǎn)，繪制垂直位移曲線，如圖10.點(diǎn)H是第三鰭條根部點(diǎn)，點(diǎn)K是第三鰭條中部點(diǎn)，點(diǎn)C是第三鰭條尖部點(diǎn).由仿真結(jié)果可知，仿生魚胸鰭橫切面在展向方向上的運(yùn)動頻率是相同的，運(yùn)動幅度從胸鰭根部到胸鰭遠(yuǎn)端逐漸增大，符合鰭條設(shè)計(jì)要求和牛鼻鰩胸鰭的運(yùn)動規(guī)律.

圖11呈現(xiàn)了仿生魚模型不同鰭條尖部振動角度變化規(guī)律.鰭條尖部最大振動幅度不超過49.42°，振動幅度小，接近牛鼻鰩胸鰭真實(shí)振動幅度.

2.2 運(yùn)動分析 左胸鰭驅(qū)動電機(jī)以一定大小和方向的角速度轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生推力FL.右胸鰭驅(qū)動電機(jī)以相同大小，相反方向的角速度轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生推力FR.當(dāng)FL=FR，仿牛鼻鰩機(jī)器魚向前運(yùn)動，如圖12（a）.左、右胸鰭驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動方向分別與前進(jìn)方向相反，則機(jī)器魚后退.

仿牛鼻鰩機(jī)器魚左、右胸鰭的振動頻率不同，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎.當(dāng)左胸鰭驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速更快，則FL>FR，仿牛鼻鰩機(jī)器魚右轉(zhuǎn)，如圖12（b）.反之左轉(zhuǎn)，如圖12（c）.左、右胸鰭驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，則FL=-FR，仿牛鼻鰩機(jī)器魚原地轉(zhuǎn)彎，如圖12（d）.

控制浮力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)垂直運(yùn)動.處理器根據(jù)壓力傳感器檢測的壓力值，通過水泵控制儲水量，進(jìn)而改變浮力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制.

仿牛鼻鰩機(jī)器魚在浮力系統(tǒng)和尾鰭協(xié)同工作下，實(shí)現(xiàn)滑翔運(yùn)動，如圖13.調(diào)整尾鰭，控制魚頭向下，并使浮力B小于重力G，其合力F可分解為Ft和Fn.在水的影響下，仿牛鼻鰩機(jī)器魚還受到阻力D和升力L.當(dāng)仿牛鼻鰩機(jī)器魚速度V較小時(shí)，F(xiàn)t>D，仿牛鼻鰩機(jī)器魚加速運(yùn)動.隨著速度增大，阻力[18]D增大，直到Ft=D，仿牛鼻鰩機(jī)器魚勻速運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)滑翔下潛.滑翔上浮控制與之相反.綜上，實(shí)現(xiàn)滑翔功能.

3 機(jī)器魚樣機(jī)

通過3D打印技術(shù)，制作完成機(jī)器魚樣機(jī)，如圖14所示.

該機(jī)器魚高15.6 cm，寬73.6 cm，長59.2 cm，重量約為3 kg.

4 結(jié)論

1） 分析牛鼻鰩身體結(jié)構(gòu)、胸鰭輪廓圖和翼尖軌跡圖，設(shè)計(jì)仿生牛鼻鰩機(jī)器魚的總體結(jié)構(gòu)、胸鰭鰭條長度及分布位置.

2） 采用單個(gè)驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動單個(gè)胸鰭，使胸鰭驅(qū)動電機(jī)數(shù)量減少，降低控制難度;在尾鰭輔助下，通過浮力系統(tǒng)調(diào)節(jié)仿生魚浮力大小，實(shí)現(xiàn)滑翔功能.

3） 通過仿生魚的運(yùn)動控制分析和胸鰭運(yùn)動仿真，驗(yàn)證仿牛鼻鰩機(jī)器魚模型的可行性.其中，運(yùn)動控制分析包括前進(jìn)運(yùn)動、后退運(yùn)動、垂直運(yùn)動、轉(zhuǎn)彎運(yùn)動和滑翔;對胸鰭運(yùn)動的仿真包括展向運(yùn)動仿真和弦向運(yùn)動仿真.

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Design and Analysis of A Robotic Cownose Ray

ZHANG Man1， MAI Wen1， WANG Bingqian2

（1. College of Physics and Electronic Engineering， Sichuan Normal University，? Chengdu 610101， Sichuan;2. Huaneng Dali Hydropower Co. Ltd.， Dali 671000， Yunnan）

Abstract：A robotic cownose ray with a single motor driving a unilateral pectoral fin was designed. According to the body structure and movement mode of the bull nose ray， a robotic fish with a length of 59.2 cm， a width of 73.6 cm， and a height of 15.6 cm was designed to achieve motion control. The motion control analysis was carried out to verify the horizontal， vertical， turning， and gliding motion functions of the robotic fish. The simulation experiment for the bar motion of the pectoral fin was designed to verify the pectoral fin bar chord， span， and tip motion rules of robotic fish. The results show that the spanwise motion of robotic fish is similar to the sine law with the same frequency， the chordwise motion is similar to the sine law with the same amplitude， and the maximum amplitude of the fin tip is 49.42°. The analysis and simulation results show that the oscillations of the pectoral fins of the robotic fish are similar to those of the ray， which can realize the gliding function， and provide direction for further optimization of the robotic fish model， construction of the robotic fish platform and the hydrodynamic test.

Keywords：bionic fish; gliding; pectoral fins mechanism; cownose ray

（編輯 鄭月蓉）

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（61901289）

*通信作者簡介：麥 文（1974—），男，副教授，主要從事機(jī)器人和信號處理的研究，E-mail：329050589@qq.com

引用格式：張曼，麥文，王炳乾. 仿牛鼻鰩機(jī)器魚設(shè)計(jì)與分析[J]. 四川師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，47（5）：676-681.