基于IPMC仿生機器魚推進效率實驗研究

沈 奇 韓晨皓 王田苗 梁健宏

(北京航空航天大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，北京100191)

水下無人航行器在各個領(lǐng)域都被廣泛地使用.受自然界生物啟發(fā)，全世界的科學(xué)家和工程師設(shè)計了一系列的仿生水下機器人.智能材料的發(fā)展和應(yīng)用同樣對水下仿生機器人的發(fā)展起到了重要的作用［1-4］.在水下仿生機器人的推進模式的選擇上，離子聚合物金屬復(fù)合材料(IPMC，Ionic Polymer-Metal Composite)是一種很有前景的材料［5-6］.它由離子聚合膜和作為電極鍍在在兩側(cè)的金或者鉑金屬組成.如果在它們的厚度方向上施加一個電場，它就會彎曲，反之亦然.另外，如果給它施加一個外力，同樣可以得到一個可觀測的電壓值.它具有低觸發(fā)電壓(1～2V)、低能耗和高柔性的特點.因此通過使用IPMC能夠得到一種低噪聲、微型、柔性的仿生機器人.

許多基于IPMC的水下仿生機器人已經(jīng)被設(shè)計和制作.Yim等人提出了IPMC驅(qū)動器的動力學(xué)模型框架，通過這個模型可以對單片IPMC或者多片IPMC組成的水下驅(qū)動器進行建模，但是他們只對這個模型進行了仿真，并沒有通過實際實驗來證實［7］.Chen等人提出了一個IPMC推進仿生機器魚的模型，對IPMC機器魚的平均游動速度進行了建模，并設(shè)計實驗驗證模型［8-10］.Mbemmo等人提出了一種用來預(yù)測IPMC水下仿生機器魚運動的模型框架［11］，同時利用了數(shù)值計算和數(shù)字粒子圖像測速(DPIV，Digital Particle Image Velocimetry)對IPMC的流體動力學(xué)進行了分析［12-13］.但是這只是局限于單片固定的IPMC，缺乏對IPMC在一個整體的水下機器人系統(tǒng)中的分析.在微型機器人方面，因為其體積有限，所攜帶的能量也有限，因此游動效率是一個十分重要的參數(shù).迄今為止，很少有對IPMC仿生機器魚的推進效率開展研究.

本文設(shè)計實驗對機器魚推進效率開展研究.通過機器魚在水中自由游動來測定機器魚的推進速度.使用了一種新型的基于伺服拖拽系統(tǒng)的同步測量方法得到機器魚在水中推力和自推進速度.通過使用這種方法，機器魚能通過自身產(chǎn)生的推力進而以相應(yīng)的速度游動，而不再受外部裝置的限制.本文將圍繞機器魚的推力、能耗及穩(wěn)定時的游動速度開展實驗研究，并最終得到機器魚推進效率.其中，通過測試IPMC魚尾在空氣中和水下不同的環(huán)境中相同振幅下的能耗，獲得了機器魚在水下的能量輸出.本文將為IPMC效率測試的進一步研究奠定實驗基礎(chǔ).

1 IPMC機器魚樣機

本節(jié)將介紹IPMC機器魚樣機設(shè)計.圖1展示了機器魚樣機結(jié)構(gòu)，其包括了3個部分:①組成魚身的剛體外殼;②作為“肌肉”的IPMC;③尾端的塑料模擬魚尾.

整個身體的外形使用SolidWorks設(shè)計，同時使用尼龍材料通過3D打印機制作，使用黑色樹脂進行表面處理來達到光滑的效果，整個外形結(jié)構(gòu)設(shè)計接近橢圓型.它的外形結(jié)構(gòu)根據(jù)黃花魚(石首魚)的身體比例設(shè)計，以便于使其滿足流線型和減阻性的需求.IPMC通過作為夾緊裝置的小型矩形導(dǎo)電銅盤連接到魚的身體上.魚尾連接到IPMC的尾部來增加其在水中的推力.電池單元(兩節(jié)3.7 V串接)和電子設(shè)備裝在魚外殼內(nèi).受電機控制系統(tǒng)設(shè)計的啟發(fā)，本IPMC控制的設(shè)計使用了L289N的H-橋結(jié)構(gòu)，以滿足足夠大的電流及方便的I/O控制.配重被安置在了魚的底部使機械魚處于懸浮狀態(tài)，同時增加了其在滾轉(zhuǎn)、俯仰方向的穩(wěn)定性.對機器魚的實驗研究包括了水下的自由游動和伺服拖動系統(tǒng)下的推進.整條機器魚的長度(除去尾部)為144mm，高為52.5 mm，最寬部分為37.5 mm.整個機器魚的質(zhì)量接近180g.本文采用兩條不同尺寸的IPMC進行實驗測試，其尺寸如表1所示.

圖1 仿生機器魚樣機Fig.1 Prototype of biomimetic robotic fish

表1 IPMC的三維參數(shù)Table 1 Dimensional parameters of the IPMC

2 推進效率實驗測試

本節(jié)測試了IPMC機器魚的推進效率.推進效率 ηexp的表達式為［14］

通過測量推進力Texp，速度Uexp和能量損耗來得到推進效率的實驗結(jié)果.在2.1節(jié)中通過拖動系統(tǒng)和水缸進行了一系列的實驗.在2.2～2.4節(jié)中將分別介紹Uexp，Texp，的測量原理和測量結(jié)果.2.5節(jié)將給出推進效率的最終結(jié)果.

2.1 實驗裝置

實驗設(shè)計了伺服拖動系統(tǒng)，進行流體動力實驗來確定推進效率.整個伺服拖動系統(tǒng)由4 kW的交流電機驅(qū)動，同時被用于測量水下機器人自主推進的流體動力參數(shù)［15-16］.整個裝置的拖拽速度范圍從0.005～1 m/s，速度誤差為0.2%.

圖2中展示了一個自推進實驗裝置的機械結(jié)構(gòu)，機器魚及其附屬組件被垂直連接到力傳感器下，同時力傳感器由螺絲固定在推進實驗裝置上.機械魚整體沒入了水下，連接機器魚和力傳感器的桿在水面之上.采用一個測量范圍為1 N，靈敏度為0.01 N的傳感器測量軸向推力T(見圖2).同時在連接處設(shè)置了一個低阻軸承.根據(jù)杠桿原理，力傳感器上的力數(shù)值將會使作用在魚身上的合力放大100倍.魚的質(zhì)心G被設(shè)置在桿下，以便減少重力在實驗過程中的影響.

圖2 機器魚自推進測量系統(tǒng)及實驗裝置Fig.2 Experimental setup of the self-propulsion measurement system

控制單元和機器魚的電源被安裝在了一個沿著拖動方向(前進方向)運行的實驗裝置上.水槽尺寸為7.8 m×1.2 m×1.1 m，提供給了機器魚一個足夠大、移動不受邊界影響的空間.機器魚的位置處于水槽的中等深度以避免任何來自表面和水槽底部的干擾.目前本實驗只考慮到了機器魚游動的前進方向，對其橫向移動以及滾轉(zhuǎn)進行了限制.這個簡化的實驗方法(例如:增加了橫向約束和滾轉(zhuǎn)約束)被廣泛地使用在單獨考慮直線游動的魚類游動流體動力實驗研究上［17］.實驗中使用Nicolet Vision XP來記錄實驗數(shù)據(jù).

2.2 游動速度的測量

機器魚的速度是推進效率中一個重要的參數(shù)，本節(jié)將通過實驗對其進行測量.在本實驗中，機器魚在水槽中由IPMC推進自由游動，并利用一個計時器測量并記錄魚在穩(wěn)定游動狀態(tài)下游過一個給定距離(10cm)的時間.同時在振幅Av=3.3V的情況下以不同頻率的正弦電壓驅(qū)動來對比不同情況下的機器魚游動速度.如圖3所示，機器魚在水槽中游動.在每一個驅(qū)動頻率下，對機器魚的速度重復(fù)測量5次，最終得到了巡游速度Uexp的平均值.

圖3 IPMC機器魚在水中游動Fig.3 Snapshot of IPMC robotic fish swimming in the tank

圖4顯示了IPMC機器魚在水中自由游動的實驗數(shù)據(jù).對于每一個IPMC魚尾，都有一個相應(yīng)的最佳驅(qū)動頻率(接近于1.4 Hz)，使其能夠達到最高的游動速度.實驗表明，當(dāng)激勵頻率變得相對較高或較低時，IPMC機器魚的速度就會下降.

圖4 IPMC機器魚速度實驗數(shù)據(jù)Fig.4 Experimental results of IPMC robotic fish speed

2.3 推進力的測量

本小節(jié)通過流體力學(xué)實驗研究了IPMC機器魚的推動力和阻力.當(dāng)機器魚游動時，推進力和阻力是以合力體現(xiàn)的，因此推力不能直接被測量，所以設(shè)計拖拽系統(tǒng)來測量IPMC產(chǎn)生的推進力.傳統(tǒng)機器魚樣機的流體動力學(xué)實驗?zāi)Ｐ偷睦碚撝?，在前進方向上Text≠0，也就是說推進力并不等于阻力.因此，多余的力被外部的部件所吸收.也就是說，機器魚并不是自驅(qū)動的，而是在一個外部約束的情況下被迫地移動，同時推進力和阻力也不相等.考慮到主動和被動的拖拽方法，本文提出了一個全新的、結(jié)合了各自特點的自推進實驗方法.

圖4中測量并得到了在不同的尾部結(jié)構(gòu)下，機器魚在伺服拖動系統(tǒng)下的拖動速度.在每一個速度Uexp下，IPMC對應(yīng)相應(yīng)的正弦電壓輸入.在2.2節(jié)測量自由游動速度Uexp過程中也許會有一些誤差(例如:魚并不是直線游動，同時人為的時間測量誤差也存在).在拖拽實驗時通過調(diào)整拖拽的速度，以確保外部力T=0.根據(jù)牛頓定律，當(dāng)阻力FD等于推進力 Texp時，也即當(dāng)檢測力 T=(FD-Texp)×100=0時，可以認為沒有了上端的部件作用在其上的外部附加力，即機器魚是自推進狀態(tài)下游動.在實驗過程中IPMC機器魚在自推進狀態(tài)的游動范圍是70 cm.期間進行了超過100組的實驗對其進行了測試.

接下來對推進力Texp進行測量.當(dāng)機器魚以速度Uexp游動時，可以通過測量阻力FD來得到推進力Texp.為了得到阻力FD，將IPMC的輸入電壓設(shè)置為零值.在系統(tǒng)下以速度Uexp拖拽機器魚，就可以測得阻力FD.在此實驗中，對于每一個游動速度Uexp，分別對其進行了3次阻力實驗測量，以保證實驗結(jié)果的重復(fù)性和準確性.整個過程進行了超過70次的實驗.

圖5中展示了不同尺寸的IPMC魚尾的機器魚推進力實驗結(jié)果比較.當(dāng)頻率接近1.4 Hz時，IPMC尾部產(chǎn)生的推進力達到了最大值，此結(jié)果與圖4中展示的IPMC機器魚游動速度的結(jié)果相對應(yīng).本實驗同樣展示了可以通過增加執(zhí)行機構(gòu)的長度和末端的最大位移來提高推進力.圖6顯示了IPMC機器魚在不同速度下的推力.總體上，當(dāng)機器魚速度較大時，所輸出的推力也較大.

圖5 IPMC機器魚在不同頻率下的實驗推進力Fig.5 Experimental results of thrust produced by the IPMC robotic fish at various frequencies

圖6 IPMC機器魚在不同速度下的推力Fig.6 Thrust of IPMC robotic fish vs speed

2.4 能耗測量

為了得到機器魚在流體中游動狀態(tài)下的能量輸出，需要測量在不同情況下IPMC尾部的能耗.首先，IPMC尾部根據(jù)2.2節(jié)中電壓的輸入在水下進行擺動.通過激光感應(yīng)器測量末端位移Dflu.利用示波器對Dflu成像.圖7中給出了能耗測量裝置的示意圖，在實驗過程中記錄同步電壓輸入和電流輸出以及Dflu.之后，IPMC尾部在相同的電壓輸入下在空氣中擺動.基于示波器上的顯示，通過控制放大器上的電壓輸入，將IPMC在空氣中的位移調(diào)整到與Dflu一致，同時測量了IPMC在水下和空氣中的振動過程中電壓 Uflu，Uair和電流Iflu，Iair.在一個周期內(nèi)頻率f下IPMC機器魚尾輸出的平均能量可以通過以下方程得到:

其中ts代表了在IPMC工作時的任意時間點.最終，得到了機器魚推進過程中在水中消耗的能量.類似能耗測量方法已在其他機器魚推進效率實驗中得到了實踐［10-11］.

圖7 能耗測量裝置簡圖Fig.7 Schematic view of power consumption measurement apparatus

實驗發(fā)現(xiàn)，在同樣的電壓輸入下，IPMC在空氣中的形變要比水中運行時大.圖8給出了在頻率為1 Hz、等振幅下空氣中和水下IPMC尾部能耗、電壓電流輸出的比較.并對不同的頻率下IPMC的尾部輸出能量進行測量.圖9給出了流體中兩個IPMC尾部的能量輸出.發(fā)現(xiàn)隨著頻率的增加，IPMC尾部的能耗輸出顯著地增大.考慮到當(dāng)頻率相對增加時IPMC機器魚的推進力和速度下降的現(xiàn)象(圖4、圖5)，可以認為當(dāng)頻率相對較低時存在一個推進效率的最佳值.在實驗中，同樣可以觀察到IPMC尾部的振幅隨著頻率的增加而降低.

圖8 在1Hz下不同IPMC尾部能耗、電壓和電流的比較Fig.8 Comparison of experimental IPMC tail power consumptions，applied voltages and current outputs with equivalent vibrating amplitude at frequency of 1 Hz

圖9 流體中不同IPMC尾部的能量輸出Fig.9 Power output of different IPMC tails in fluid

2.5 推進效率

由之前的實驗得到了IPMC機器魚的推進效率實驗結(jié)果.基于對Texp，Uexp，的測量以及式(1)，便能獲得IPMC機器魚推進效率的實驗數(shù)據(jù)ηexp.

圖10中展示了推進效率的實驗數(shù)據(jù)結(jié)果ηexp.可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率最初增加時效率就會增加，當(dāng)頻率相對較高時效率反而會下降.當(dāng)頻率接近1 Hz時推進效率達到了最大值.同時不同的尾部會有不同的推進效率.

圖10 IPMC機器魚推進效率的實驗結(jié)果Fig.10 Experimental results of IPMC robotic fish thrust efficiency

圖11中給出了一個三維圖像，展示了在不同的IPMC激勵頻率下的推進效率和速度的對比.當(dāng)激勵頻率接近1Hz時，機器魚可以達到較高的效率，同時也得到了相對較高的速度.可以認為當(dāng)它的驅(qū)動頻率接近效率的最優(yōu)點時，IPMC機器魚在推進速度和推進效率上都可以達到一個很好的效果.

圖11 不同驅(qū)動頻率下機器魚推進效率和速度的三維圖Fig.11 3D plot of thrust efficiencies and velocities of IPMC robotic fish in various actuation frequencies

表2顯示了不同仿生機器魚的推進效率對比.之前在該實驗裝置下開展了對仿生機器魚推進效率的實驗研究［12］，基于“自主推進”條件的實驗測量方法，通過光機電一體化技術(shù)同步測量了機器魚的功耗、外力以及流場結(jié)果，并定量估算了機器魚的推進效率.測量結(jié)果表明，機器魚的推進效率與前人的3D-CFD數(shù)值計算取得較為一致的結(jié)果［13］.與本文實驗結(jié)果進行對比，可以發(fā)現(xiàn)IPMC仿生機器魚推進效率較低，通過對比圖6和圖9，相對于IPMC輸出推力，其消耗功率較大，這由IPMC本身特性所決定.同時，IPMC機器魚在水中游動時，其正負電極兩端的電勢差也會導(dǎo)致水發(fā)生電解反應(yīng)，這也是造成IPMC機器魚功率消耗較高的原因.

表2 不同仿生機器魚推進效率對比Table 2 Thrust efficiencies of different robotic fish

3 結(jié)論

本文提出了一種新型的實驗方法用來研究IPMC機器魚推進效率.主要結(jié)論如下:

1)提出了一種全新的機器魚游動效率測量方法，通過測量作用在機器魚身上的力來確定拖拽速度，在自推進的條件下能夠精確測量機器魚的推進效率.

2)機器魚的效率隨著驅(qū)動頻率的變化，先增大后減小，當(dāng)IPMC驅(qū)動頻率接近1 Hz時，IPMC機器魚的游動效率達到峰值2.3×10-3.

3)當(dāng)IPMC驅(qū)動頻率接近1 Hz，機器魚速度達到最大值，結(jié)合上面結(jié)論，游動效率的最優(yōu)驅(qū)動頻率接近于游動速度的最優(yōu)驅(qū)動頻率.

接下來的工作將著重研究柔性魚鰭對IPMC推進機器魚游動特性的影響，同時未來將關(guān)注剛性魚鰭等方面.未來的工作同樣也會包括IPMC機器魚高效率控制策略的研究，同時建立推進效率模型以適應(yīng)不同雷諾數(shù)的環(huán)境，以便于在各個尺度下研究機器魚的推進特性.

References)

［1］ Zhou C L，Low K H.Design and locomotion control of a biomimetic underwater vehicle with fin propulsion［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2012，17(1):25-35

［2］ Shen Q，Wang T M，Liang J H，et al.Hydrodynamic performance of a biomimetic robotic swimmer actuated by ionic polymer-metal composite［J］.Smart Materials and Structures，2013，22(7):075035

［3］ Wang T M，Shen Q，Wen L，et al.On the thrust performance of an ionic polymer-metal composite actuated robotic fish:modeling and experimental investigation［J］.Science China Technological Sciences，2012，55(12):3359-3369

［4］ Shen Q，Wang T M，Wen L，et al.Modelling and fuzzy control of an efficient swimming ionic polymer-metal composite actuated robot［J］.International Journal of Advanced Robotic Systems，2013，10:350

［5］ Shahinpoor M，Kim K J.Ionic polymer-metal composites:I.Fundamentals［J］.Smart Materials and Structures，2001，10(4):819-833

［6］ Shahinpoor M，Kim K J.Ionic polymer-metal composites:IV.Industrial and medical applications［J］.Smart Materials and Structures，2005，14(1):197-214

［7］ Yim W，Lee J，Kim K J.An artificial muscle actuator for biomimetic underwater propulsors［J］.Bioinspiration ＆ Biomimetics，2007，2(2):S31

［8］ Chen Z，Tan X B.A control-oriented and physics-based model for ionic polymer-metalcompositeactuators［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2008，13(5):519-529

［9］ Chen Z，Shatara S，Tan X B.Modeling of biomimetic robotic fish propelled by an ionic polymer-metal composite caudal fin［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2010，15(3):448-459

［10］ Mbemmo E，Chen Z，Shatara S，et al.Modeling of biomimetic robotic fish propelled by an ionic polymer-metal composite actuator［C］//2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA).Piscataway，NJ:IEEE，2008:689-694

［11］ Abdelnour K，Mancia E，Peterson S D，et al.Hydrodynamics of underwater propulsors based on ionic polymer-metal composites:a numerical study［J］.Smart Materials and Structures，2009，18(8):085006

［12］ Peterson S D，Porfiri M，Rovardi A.A particle image velocimetry study of vibrating ionic polymer metal composites in aqueous environments［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2009，14(4):474-483

［13］ Aureli M，Kopman V，Porfiri M.Free-locomotion of underwater vehicles actuated by ionic polymer metal composites［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2010，15(4):603-614

［14］ Anderson J M.Vorticity control for efficient propulsion［D］.Cambridge:Massachusetts Inst of Tech，1996

［15］ Wen L，Wang T M，Liang J H，et al.A novel method for simultaneous measurement of internal and external hydrodynamic force of self-propelled robotic fish［C］//2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems(IROS).Piscataway，NJ:IEEE Computer Society，2010:952-957

［16］ Wen L，Wang T M，Wu G H，et al.Quantitative thrust efficiency of a self-propulsive robotic fish:experimental method and hydrodynamic investigation［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2013，18(3):1027-1038

［17］ Borazjani I，Sotiropoulos F.Numerical investigation of the hydrodynamics of carangiform swimming in the transitional and inertial flow regimes［J］.Journal of Experimental Biology，2008，211(10):1541-1558