仿生機(jī)器魚胸鰭波動(dòng)與擺動(dòng)融合推進(jìn)機(jī)制建模及實(shí)驗(yàn)研究

范 增, 王揚(yáng)威,2*, 劉 凱, 趙東標(biāo)

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仿生機(jī)器魚胸鰭波動(dòng)與擺動(dòng)融合推進(jìn)機(jī)制建模及實(shí)驗(yàn)研究

范 增1, 王揚(yáng)威1,2*, 劉 凱1, 趙東標(biāo)1

(1. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 江蘇 南京, 210016; 2. 東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱, 150040)

為研制出高性能仿生水下推進(jìn)器, 文中以魟魚為仿生原型, 并借鑒擺動(dòng)模式魚類推進(jìn)機(jī)制, 提出了一種胸鰭波動(dòng)與擺動(dòng)融合推進(jìn)機(jī)制的新型推進(jìn)方式。設(shè)計(jì)了仿生機(jī)器魚的機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng), 建立了融合胸鰭波動(dòng)與擺動(dòng)推進(jìn)機(jī)制的動(dòng)力學(xué)模型, 在理論分析的基礎(chǔ)上, 實(shí)驗(yàn)研究了平均推進(jìn)力和游動(dòng)速度與擺動(dòng)胸鰭面積和頻率、幅值等運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明, 理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)相同, 仿生機(jī)器魚的平均推進(jìn)力與平均游動(dòng)速度隨擺動(dòng)胸鰭面積增大而先增大后減小, 隨頻率、幅值的增大呈線性遞增關(guān)系, 最大平均推進(jìn)力達(dá)2.8 N, 最大游速達(dá)121 mm/s。文中所做研究可為改善機(jī)器魚的游動(dòng)性能提供參考。

仿生機(jī)器魚; 融合推進(jìn)機(jī)制; 波動(dòng)與擺動(dòng); 胸鰭; 動(dòng)力學(xué)模型

0 引言

在經(jīng)過億萬年優(yōu)勝劣汰的物種選擇后, 魚類進(jìn)化出能快速躲避天敵、捕食以及高效覓食等能力, 展現(xiàn)出優(yōu)秀的游動(dòng)性能。相對(duì)于傳統(tǒng)基于螺旋槳的水下推進(jìn)器, 魚類游動(dòng)具有高效率、機(jī)動(dòng)性高、穩(wěn)定性好及對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小等特點(diǎn), 因此, 仿生機(jī)器魚的研究受到國(guó)內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注[1]。根據(jù)推進(jìn)力產(chǎn)生的部位, 魚類的推進(jìn)模式可分為身體/尾鰭(body and/or caudal fin, BCF)推進(jìn)模式和中間鰭/對(duì)鰭(median and/or paired fin, MPF)推進(jìn)模式[2]。前者主要由尾鰭周期性擺動(dòng)產(chǎn)生前向推力, 具有推進(jìn)效率高、推進(jìn)力大等特點(diǎn)[3]; 后者通過在胸鰭上形成向后傳播的行波產(chǎn)生前向推力, 相對(duì)于前者其推進(jìn)力和游動(dòng)速度較小, 但游動(dòng)穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性較高[4-5]。

基于生物形態(tài)結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)特征仿生原理, 國(guó)內(nèi)外科研人員為研究高性能水下機(jī)器人, 研制出了大量BCF模式[6-8]與MPF模式[9-11]仿生機(jī)器魚樣機(jī)。由于魚類的游動(dòng)機(jī)理目前尚未完全揭示, 以及仿生機(jī)器魚表面材料無法感知水下流體的變化, 導(dǎo)致仿生機(jī)器魚樣機(jī)的游動(dòng)性能與魚類還有一定的差距, 科研人員在改善仿生機(jī)器魚的游動(dòng)性能方面做了大量研究工作。王揚(yáng)威[12]研制了基于胸鰭波動(dòng)與仿生噴射系統(tǒng)的復(fù)合推進(jìn)機(jī)制的仿生墨魚, 并采用形狀記憶合金(shape memory alloy, SMA)作為仿生胸鰭的驅(qū)動(dòng)器, 實(shí)驗(yàn)表明該復(fù)合式推進(jìn)機(jī)制的仿生機(jī)器魚能實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)彎, 具有較高的機(jī)動(dòng)性。Behbahani等[13]研制了基于胸鰭與尾鰭擺動(dòng)的高機(jī)動(dòng)性仿生機(jī)器魚, 其尾鰭擺動(dòng)提供前向推力, 通過一對(duì)安裝在身體兩側(cè)的胸鰭協(xié)同擺動(dòng)提供偏轉(zhuǎn)力矩, 實(shí)驗(yàn)顯示其最大轉(zhuǎn)彎速度達(dá)140o/s。Tan團(tuán)隊(duì)[14]研制了仿生雙鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚, 通過20個(gè)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)波, 實(shí)現(xiàn)了前進(jìn)、后退、自轉(zhuǎn)和側(cè)向游動(dòng), 具有較好的水下機(jī)動(dòng)性。Bi等[15]研制出了仿生蝠鲼, 采用搖桿機(jī)構(gòu)來帶動(dòng)鰭面擺動(dòng), 并對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。Liao等[16]研制出以雙擺動(dòng)尾鰭和噴射推進(jìn)機(jī)構(gòu)作為推進(jìn)系統(tǒng)的復(fù)合推進(jìn)機(jī)制仿生機(jī)器魚, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該復(fù)合推進(jìn)機(jī)制相對(duì)單尾鰭擺動(dòng)機(jī)制, 展示出較高的可控性與機(jī)動(dòng)性, 同時(shí)由噴射系統(tǒng)產(chǎn)生出了高瞬間加速度。

文中以基于MPF模式的生物魟魚為仿生原型, 融入BCF模式推進(jìn)機(jī)制設(shè)計(jì)出一種基于胸鰭波動(dòng)與擺動(dòng)融合推進(jìn)機(jī)制的仿生機(jī)器魚; 建立了融合胸鰭波動(dòng)與擺動(dòng)推進(jìn)的水動(dòng)力模型, 通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法分析了幅值、頻率及波數(shù)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)仿生機(jī)器魚的游動(dòng)速度和推進(jìn)力的影響。

1 仿生機(jī)器魚機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 仿生原型生物特征分析

魟魚屬鰩科(見圖1), 其環(huán)形胸鰭沿身體中線對(duì)稱分布, 游動(dòng)時(shí)單側(cè)胸鰭上呈現(xiàn)1.2~1.5個(gè)波數(shù), 屬于典型的胸鰭波動(dòng)推進(jìn)模式。根據(jù)前人研究成果[17], 魟魚的游動(dòng)特征可總結(jié)如下。

圖1 生物魟魚

1) 沿身體均勻分布的軟骨鰭條由腹部肌肉與背部肌肉包裹, 在兩側(cè)肌肉交替收縮與舒張作用下, 軟鰭條上下運(yùn)動(dòng), 游動(dòng)時(shí), 其身體保持平穩(wěn)。

2) 相鄰的軟骨鰭條間由結(jié)締組織連接, 構(gòu)成環(huán)形胸鰭。鰭條間以穩(wěn)定滯后相位差振動(dòng), 在環(huán)形胸鰭上形成向后傳播的正弦波, 當(dāng)左右鰭條振幅不相等時(shí), 便可產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩, 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于仿生學(xué)原理, 采用生物形態(tài)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特征仿生的方法設(shè)計(jì)仿生機(jī)器魚樣機(jī)(見圖2)。機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分為外部殼體、姿態(tài)調(diào)整單元、推進(jìn)單元和能量供給單元。其中, 殼體輪廓根據(jù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)擬合出的三維曲面模型, 并通過3D打印制作; 姿態(tài)調(diào)整單元由4個(gè)步進(jìn)電機(jī)和4個(gè)質(zhì)量塊構(gòu)成; 推進(jìn)單元由均勻分布的20個(gè)舵機(jī)與仿生鰭條構(gòu)成, 由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)鰭條振動(dòng)模仿魟魚軟骨運(yùn)動(dòng), 這20個(gè)舵機(jī)環(huán)形陣列分布設(shè)計(jì), 能實(shí)現(xiàn)融合胸鰭波動(dòng)與擺動(dòng)推進(jìn)機(jī)制推進(jìn), 當(dāng)20個(gè)鰭條擺動(dòng)的相位差為零時(shí), 可實(shí)現(xiàn)BCF模式魚類的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng), 相位差不為零時(shí), 在胸鰭呈現(xiàn)向后傳播的行波, 實(shí)現(xiàn)MPF模式波動(dòng)推進(jìn); 能量供給單元的4塊航模電池組成。

圖2 仿生機(jī)器魚機(jī)械結(jié)構(gòu)

為提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性, 將仿生機(jī)器魚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為基于控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network, CAN)總線的分布式控制系統(tǒng)(見圖3), 控制芯片均采用低功耗STM32F103VET6微控制器, 主要包括3個(gè)部分: 上位機(jī)、中樞模式發(fā)生器(central pattern generator, CPG)鰭條驅(qū)動(dòng)單元和姿態(tài)調(diào)整單元。上位機(jī)與無線串口、慣性測(cè)量單元(inertial measurement unit, IMU)和超聲波傳感器連接, 通過無線串口接收個(gè)人計(jì)算機(jī)(personal computer, PC)端的控制命令, 并融合傳感器的外部實(shí)時(shí)環(huán)境信息計(jì)算出胸鰭波動(dòng)的頻率、幅值和波數(shù)以及步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào), 通過CAN總線發(fā)送給CPG驅(qū)動(dòng)單元和姿態(tài)調(diào)整單元; CPG驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)輸入?yún)?shù)實(shí)時(shí)計(jì)算出相互耦合的20路脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation, PWM)信號(hào)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)運(yùn)動(dòng); 姿態(tài)調(diào)整單元根據(jù)輸入脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)來改變質(zhì)量塊位置, 實(shí)時(shí)調(diào)整仿生機(jī)器魚的重心, 從而調(diào)整姿態(tài)。

圖3 仿生機(jī)器魚控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 基于胸鰭波動(dòng)與擺動(dòng)融合推進(jìn)機(jī)制水動(dòng)力建模

2.1 仿生機(jī)器魚胸鰭運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

圖4 胸鰭波動(dòng)與擺動(dòng)融合推進(jìn)機(jī)制運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

為了讓胸鰭波動(dòng)區(qū)域平滑過渡到擺動(dòng)區(qū)域時(shí), 不在柔性環(huán)形胸鰭運(yùn)動(dòng)波形上出現(xiàn)尖點(diǎn), 產(chǎn)生流體擾動(dòng), 則擺動(dòng)區(qū)域鰭條的擺角為

根據(jù)坐標(biāo)變換關(guān)系, 鰭條坐標(biāo)系相對(duì)于隨體坐標(biāo)系的變換矩陣為

2.2 融合推進(jìn)機(jī)制水動(dòng)力建模

2.2.1 胸鰭波動(dòng)區(qū)域水動(dòng)力

將式(9)對(duì)時(shí)間求導(dǎo), 可得到波動(dòng)胸鰭上任意一點(diǎn)的速度, 以及在切向和法向上的分量

根據(jù)大擺幅細(xì)長(zhǎng)體理論[18], 波動(dòng)鰭推進(jìn)力主要由其法向速度引起流體的動(dòng)量變化產(chǎn)生, 根據(jù)動(dòng)量守恒定理有

將式(8)~(10)代入式(11)得到平均推進(jìn)力為

2.2.2 胸鰭擺動(dòng)區(qū)域水動(dòng)力

根據(jù)二維波動(dòng)板理論, 可將擺動(dòng)區(qū)域胸鰭簡(jiǎn)化為剛性平板, 在擺動(dòng)過程中主要受到流體舉力[19], 如圖6所示, 其計(jì)算公式為

圖6 胸鰭擺動(dòng)區(qū)域水動(dòng)力分析

Fig. 6 Hydrodynamic analysis of pectoral fin swing area

由擺動(dòng)胸鰭的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程(5)得到單元擺動(dòng)胸鰭中心點(diǎn)繞其基點(diǎn)的擺動(dòng)角速度為

則因胸鰭擺動(dòng)引起的流體速度為

則可計(jì)算出擺動(dòng)胸鰭中心處的流體速度與水動(dòng)力攻角

將式(15)和式(16)代入式(13)可得到擺動(dòng)胸鰭在機(jī)器魚游動(dòng)方向上的推進(jìn)力為

2.2.3 流體阻力

仿生機(jī)器魚屬高雷諾數(shù)游動(dòng), 其受到的流體阻力主要為形體阻力, 可表示為

根據(jù)牛頓第二定律, 得到仿生機(jī)器魚游動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程為

將式(12)、式(17)和式(18)代入到式(19), 得到仿生機(jī)器魚的高階非線性動(dòng)力學(xué)方程, 式中各參數(shù)取值如表1所示, 采用Matlab中Runge-Kutta- Fehlberg方法得到高階非線性微分方程的數(shù)值解。理論計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示, 仿生機(jī)器魚的速度由零逐漸增大, 最終在穩(wěn)定均值0.5 m/s上下波動(dòng); 推進(jìn)力在0~8.5 N之間波動(dòng), 其平均值為4 N; 流體阻力由零逐漸增大, 最終穩(wěn)定在1.5~2.5 N之間; 加速度逐漸減小, 最終以振幅0.5在0值上下波動(dòng)。

表1 理論計(jì)算參數(shù)

圖7 仿生機(jī)器魚瞬時(shí)速度及位移

圖8 仿生機(jī)器魚瞬時(shí)推力、流體阻力及加速度

3 仿生機(jī)器魚游動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)與分析

圖9 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.1 推進(jìn)力實(shí)驗(yàn)

圖10 平均推進(jìn)力與擺動(dòng)胸鰭面積的關(guān)系

圖11 平均推進(jìn)力與鰭面擺動(dòng)頻率的關(guān)系

圖12 平均推進(jìn)力與鰭面擺動(dòng)幅值的關(guān)系

3.2 游動(dòng)速度實(shí)驗(yàn)

圖13 直線游動(dòng)軌跡序列圖

圖14 平均游速與擺動(dòng)胸鰭面積的關(guān)系

圖15 平均游速與鰭面擺動(dòng)幅值、頻率的關(guān)系

4 結(jié)束語

文中以生物魟魚為仿生藍(lán)本, 并借鑒BCF模式魚類擺動(dòng)推進(jìn)機(jī)制, 設(shè)計(jì)了基于胸鰭波動(dòng)與擺動(dòng)融合推進(jìn)機(jī)制的仿生機(jī)器魚; 建立了仿生機(jī)器魚融合胸鰭波動(dòng)與擺動(dòng)簡(jiǎn)化水動(dòng)力學(xué)模型; 最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證水動(dòng)力學(xué)模型的正確性, 以及實(shí)驗(yàn)研究了胸鰭波動(dòng)與擺動(dòng)融合推進(jìn)機(jī)制對(duì)機(jī)器魚游動(dòng)性能的影響及各運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)仿生機(jī)器魚游動(dòng)性能影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 胸鰭波動(dòng)與擺動(dòng)融合推進(jìn)機(jī)制能有效改善機(jī)器魚的游動(dòng)性能。以此次研究成果為基礎(chǔ), 進(jìn)一步工作將集中在以下三方面: 第一, 進(jìn)一步通過流體力學(xué)仿真分析結(jié)合流場(chǎng)測(cè)試來深入研究2種推進(jìn)方式的耦合機(jī)理, 進(jìn)而指導(dǎo)機(jī)器人的胸鰭融合區(qū)域結(jié)構(gòu)改進(jìn)和控制參數(shù)優(yōu)化; 第二, 研究更高效簡(jiǎn)潔的傳動(dòng)機(jī)構(gòu), 減少電機(jī)數(shù)量, 優(yōu)化整體機(jī)械結(jié)構(gòu); 第三, 增強(qiáng)機(jī)器魚對(duì)外部實(shí)時(shí)環(huán)境的感知能力, 并能基于感知的外部環(huán)境進(jìn)行自主路徑規(guī)劃與跟蹤。

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Modeling and Experimental Research of Integrating Propulsion Mechanism of Pectoral Fin’s Fluctuation and Swing for the Biomimetic Robotic Fish

FAN Zeng, WANG Yang-wei, LIU Kai, ZHAO Dong-biao

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

For developing a high-performance biomimetic underwater thruster, this paper takes stingray as a biomimetic prototype and learns from the fish’s swing-mode propulsion mechanism to propose a new type of propulsion mode that integrates pectoral fin’s fluctuation and swing propulsion mechanisms. The mechanical structure and control system of the biomimetic robotic fish are designed, and a dynamic model integrating the pectoral fin’s fluctuation and swing propulsion mechanisms is built. Based on the theoretical analysis, the relations of the average propulsive force and swimming speed with the motion parameters such as area of swinging pectoral fin, the swing frequency, and amplitude are studied experimentally. The results show that the theoretical calculations and the experimental results have the same tendency; the average propulsive force and the average swimming speed of the robotic fish increase first and then decrease with the increase of the swing pectoral fin area, and they increase linearly with the swing frequency and amplitude increasing—the maximum average propulsive force reaches to 2.8 N, and the maximum swimming speed reaches to 121 mm/s.The research may provide a reference for improving swimming performance of the robotic fish.

biomimetic robotic fish; integrating propulsion mechanism; fluctuation and swing; pectoral fin; dynamics model

TP242; TB301.2

A

2096-3920(2019)02-0166-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.02.007

范增, 王揚(yáng)威, 劉凱, 等. 仿生機(jī)器魚胸鰭波動(dòng)與擺動(dòng)融合推進(jìn)機(jī)制建模及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(2): 166-173.

2018-06-28;

2018-10-08.

江蘇省自然科學(xué)基金(BK20171416); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(NS2016055).

*王揚(yáng)威(1980-),男,博士,高級(jí)工程師. 主要從事仿生機(jī)器人、機(jī)電一體化技術(shù)及智能裝備的研究.

(責(zé)任編輯: 許 妍)