一種仿生波動鰭裝置設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

吳夢妍，張 瑤

（1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110016；2.中國科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院，遼寧 沈陽 110169；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）在海洋開發(fā)、科學(xué)研究以及海洋安全等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，近些年得到迅速發(fā)展，各型產(chǎn)品紛紛投入使用。推進(jìn)系統(tǒng)作為海洋機(jī)器人的重要組成部分，其提供的推力、效率及尺寸等因素對AUV的設(shè)計(jì)與使用產(chǎn)生較大的影響。傳統(tǒng)的AUV推進(jìn)裝置包括：螺旋槳推進(jìn)器、噴水推進(jìn)器以及磁流體推進(jìn)裝置等[1]。螺旋槳推進(jìn)器依靠螺旋槳產(chǎn)生的推力為航行器提供動力，它是最簡單、最常用的推進(jìn)裝置，大多數(shù)的AUV均采用螺旋槳作為主推進(jìn)器，其特點(diǎn)是推進(jìn)效率高，但其在低速情況下存在著效率低，機(jī)動性不足的問題，并且還伴隨著噪音和水流擾動。噴水推進(jìn)器通過向航行器運(yùn)動相反的方向噴射加速后的水流，使船體受到水流的反作用力而產(chǎn)生推力[2]，具有附體阻力小、操縱性好的特點(diǎn)，但其機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大且低速情況下推進(jìn)效率低于螺旋槳推進(jìn)器。磁流體推進(jìn)器是利用局部空間內(nèi)海水中電流與磁場間的相互作用力，使海水運(yùn)動而產(chǎn)生推進(jìn)力。雖然磁流體推進(jìn)裝置是直接將電磁能轉(zhuǎn)換為水能，大大降低了機(jī)械噪音，但磁流體推進(jìn)器的使用需要大型發(fā)電機(jī)，這就極大限制了其在AUV特別是小型AUV平臺上的應(yīng)用。近些年來，模仿海洋生物的仿生推進(jìn)系統(tǒng)以其獨(dú)有的特點(diǎn)獲得了極高的關(guān)注度，其中魚類游動所展示出的高效性和快速性以及機(jī)動能力遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)器，還能夠安靜地融入水環(huán)境中。因此對模仿魚類的推進(jìn)方式的研究具有良好的應(yīng)用前景[3]。

魚類的推進(jìn)方式根據(jù)游動時產(chǎn)生推進(jìn)力部位的不同，主要分為兩種：身體尾鰭擺動（Bodycaudal Fin，BCF）推進(jìn)方式，典型代表為鲹科魚類；中鰭/對鰭（Median and/or Paired Fin，MPF）推進(jìn)方式，典型代表為鰩科魚類。BCF推進(jìn)方式因?yàn)槠涓咚傩远艿搅藦V泛的關(guān)注，而對MPF推進(jìn)方式的研究則相對較少。MPF推進(jìn)方式的特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的機(jī)動能力以及穩(wěn)定性，不僅能夠在復(fù)雜水下環(huán)境自由穿梭，并且其自身姿態(tài)基本不發(fā)生改變，非常適用于需要保持平臺穩(wěn)定的航行器使用，因此近年來逐漸受到研究人員的重視。目前，國內(nèi)外已有相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)利用不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)研制了模仿MPF推進(jìn)方式的仿生波動鰭推進(jìn)裝置，但其推進(jìn)效率和游動性能與真實(shí)魚類相比還有很大差距，這也限制了仿生波動鰭推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用。1999年，Rosenberger L J等[4]通過記錄了3只藍(lán)點(diǎn)黃貂魚的肌電圖數(shù)據(jù)來研究鰭的運(yùn)動模式，以及這些模式如何隨著游動速度的變化而變化。2002年，Toda Y等[5]建立了波動鰭模型并進(jìn)行了自由航行實(shí)驗(yàn)與水動力測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著波頻與波長的增加，機(jī)器人的游速變快。接著有許多的研究對波動鰭的運(yùn)動參數(shù)的影響做了水動力分析和實(shí)驗(yàn)。2009年，國防科技大學(xué)對波動鰭的鰭面形狀、包絡(luò)線以及運(yùn)動參數(shù)對于游速、推力、能耗和效率的影響做了實(shí)驗(yàn)[6]。2015年，Sfakiotakis M等[7]對波動鰭的波動參數(shù)對游速，能耗和效率的影響做了詳細(xì)的參數(shù)研究，并開發(fā)出了基于波動鰭的水下航行器?，F(xiàn)有的對于仿生波動鰭的研究大多僅涉及波動鰭運(yùn)動參數(shù)或運(yùn)動模式對于仿生波動鰭推進(jìn)力或推進(jìn)速度的影響，較少討論波動鰭的鰭面結(jié)構(gòu)和組成波動鰭的鰭條材質(zhì)以及鰭面松緊度等對于仿生波動鰭推進(jìn)力的影響。而這些因素在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中尤為重要，將會決定仿生波動鰭推進(jìn)裝置的推進(jìn)性能。

本文以鰩魚的推進(jìn)機(jī)理作為研究對象，設(shè)計(jì)了一套仿生波動鰭推進(jìn)系統(tǒng)及小型水槽實(shí)驗(yàn)裝置，在分析頻率、相位、幅度等因素對推力影響的基礎(chǔ)上[8]，本文主要就物理因素對推力的影響進(jìn)行分析。研究結(jié)果顯示，物理因素諸如鰭條材質(zhì)、鰭條間距、鰭面長寬比、鰭面安裝的松緊程度對于波動鰭產(chǎn)生的推力均有顯著影響。

1 波動鰭運(yùn)動模型

鰩科魚類的波動鰭形狀大小各異，在不同的推進(jìn)模式下波動鰭的運(yùn)動模式也有所不同，但在穩(wěn)態(tài)情況下波動鰭的運(yùn)動形式均可近似于正弦波。本文主要研究波動鰭穩(wěn)態(tài)運(yùn)動下的推力情況，因此把波動鰭的鰭面波簡化為正弦波，并且對真實(shí)魚類波動鰭的結(jié)構(gòu)做了簡化，具體做了如下假設(shè)：（1）鰭面形狀為矩形；（2）鰭條等幅振蕩。圖1為簡化的鰭面結(jié)構(gòu)，鰭面由N根內(nèi)嵌的鰭條與柔性蹼組成，鰭條之間的間距相等。每根鰭條遵循以下運(yùn)動規(guī)律：

式中：θi0表示鰭條的初始角位置；A代表鰭條的振幅；f表示振蕩頻率；φ則為相鄰鰭條之間的相位差。波動鰭的運(yùn)動能夠產(chǎn)生x,y,z3個方向的推力，分別為前向推力、側(cè)向推力和升力，其中沿著y方向的側(cè)向推力與z方向的升力均值為0，本文只研究前向推力，對側(cè)向推力與升力不進(jìn)行探討。

圖1 簡化的波動鰭模型

2 波動鰭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于鰩魚的形態(tài)學(xué)研究結(jié)果[4]以及上一節(jié)的運(yùn)動模型假設(shè)，設(shè)計(jì)了如圖2的仿生波動鰭推進(jìn)裝置。仿生波動鰭簡化了鰩魚的鰭面結(jié)構(gòu)，外形上采用了矩形的形狀。使用3根等長且等間距布置的鰭條構(gòu)成鰭面的鰭線陣列，每根鰭條都由一個獨(dú)立的舵機(jī)作為肌肉組織驅(qū)動，完成等幅的正弦擺動動作。為了使鰭面具備一定的彈性和延展性，波動鰭的柔性蹼材料選擇了0.3 mm厚度均勻的硅膠薄膜。整個鰭面由硬鋁合金的鰭條夾著硅膠膜組成。波動鰭的鰭條長240 mm，寬8 mm,厚2 mm，鰭條與薄膜之間通過四顆螺絲固定。舵機(jī)與鰭條之間通過圓盤連接器連接，圓盤連接器為3D打印的尼龍材料，強(qiáng)度足以承受鰭面運(yùn)動時水的反作用力矩。

圖2 仿生波動鰭推進(jìn)裝置

采用鋁合金型材作為仿生波動鰭的脊骨，舵機(jī)與鰭條的組合被等間距地固定于鋁合金型材上。如圖3示意圖所示，硅膠膜在鰭條上展開的長度為H，寬度為W，面積為H×W，鰭條之間的間距為D。在舵機(jī)的驅(qū)動下，3根鰭條帶動著硅膠膜完成正弦波動，從而在水下產(chǎn)生推力。

圖3 仿生機(jī)器人推進(jìn)裝置示意圖

3 電子控制系統(tǒng)

仿生波動鰭推進(jìn)裝置采用7.4 V的鋰電池供電。作為核心驅(qū)動器的伺服電機(jī)采用FEETECH SCS46型號的串行總線舵機(jī)。上位機(jī)采用WINDOWS系統(tǒng)的筆記本電腦，運(yùn)行著中樞模式發(fā)生器（Central Pattern Generators，CPGs）[9]，產(chǎn)生實(shí)時的舵機(jī)角位移，通過一根USB數(shù)據(jù)線，以1 000 000波特率的速度與舵機(jī)的驅(qū)動電路板進(jìn)行串口數(shù)據(jù)通信，傳輸舵機(jī)的實(shí)時角度，驅(qū)動電路板完成舵機(jī)的統(tǒng)一控制。舵機(jī)內(nèi)部的處理器實(shí)時采集舵機(jī)的角位移、速度、電壓、電流等信息，將數(shù)據(jù)通過驅(qū)動板發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行顯示，電子控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 電子控制系統(tǒng)

4 實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

圖5為仿生波動鰭推進(jìn)裝置實(shí)驗(yàn)平臺。仿生波動鰭推進(jìn)裝置被固定在一根直線導(dǎo)軌的滑塊上，由鋁型材組成的支架連接著滑塊與仿生波動鰭推進(jìn)裝置?；瑝K只能沿著導(dǎo)軌前后運(yùn)動，滑塊上方連接的亞克力平面放置著仿生波動鰭推進(jìn)裝置的控制電路板和電池。為了得到仿生波動鰭推進(jìn)裝置產(chǎn)生的推力的實(shí)時反饋，直線導(dǎo)軌上裝有一只S形拉壓力傳感器，其測量量程為1 kg 。隨著仿生波動鰭的運(yùn)動，其產(chǎn)生的實(shí)時推力由S型拉壓力傳感器測得并通過一塊顯示儀表進(jìn)行顯示，同時此數(shù)據(jù)將傳送到上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集記錄軟件。

圖5 仿生波動鰭推進(jìn)裝置實(shí)驗(yàn)平臺

實(shí)驗(yàn)所使用的水槽長1.6 m，寬0.8 m。實(shí)驗(yàn)裝置被固定在水槽上方。由于滑塊與直線導(dǎo)軌之間存在摩擦力作用會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的誤差，因此，直線導(dǎo)軌的兩端在固定時設(shè)置了高度差，安裝有傳感器的那一端偏低，使得滑塊本身重力的前向分量大于摩擦力，從而減小摩擦力的影響。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測試的主要目的在于研究物理因素——鰭面長寬比、鰭條間距、鰭條材質(zhì)、鰭面松緊程度等條件對于仿生波動鰭產(chǎn)生的推力的影響。以上物理因素相關(guān)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)都是在控制參數(shù)A=30°，f=1.0 Hz的條件下進(jìn)行。對每一組實(shí)驗(yàn)都進(jìn)行了5次重復(fù)測試，以重復(fù)測試的平均值作為這一組實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果，以降低隨機(jī)擾動對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，每一次實(shí)驗(yàn)選取仿生波動鰭的6個運(yùn)動周期進(jìn)行采樣，并且確保每一次實(shí)驗(yàn)前鰭條的位置處于中值、水槽內(nèi)的水保持平靜。每次采樣測得的推力數(shù)據(jù)需要減去靜止?fàn)顟B(tài)下傳感器測得的初始值才能作為真實(shí)值，并且由于推力不是一個穩(wěn)定值（如圖6-b），因此每一次實(shí)驗(yàn)需要取波動鰭6個運(yùn)動周期內(nèi)推力真實(shí)值的平均值作為本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

其中一次測試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖6-a所示，控制參數(shù)為幅值A(chǔ)=30°，頻率f=1.0 Hz，相位差φ=35°，記錄推力數(shù)據(jù)的起始時間在舵機(jī)開始運(yùn)動之前。由上到下分別為舵機(jī)反饋得到的實(shí)際角位移和測得的推力的原始數(shù)據(jù)曲線，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到：（1）仿生波動鰭推進(jìn)裝置產(chǎn)生的推力呈三角波形式，并且其周期為舵機(jī)運(yùn)動周期的1/2；（2）波動鰭的軸向推進(jìn)力方向與鰭上波傳播的方向相反，如圖3推進(jìn)裝置示意圖所示，當(dāng)相位差為正值時，仿生波動鰭上傳遞的正弦波的方向?yàn)榈?根鰭條到第1根鰭條，即沿著x軸負(fù)方向，而仿生波動鰭所產(chǎn)生的軸向推進(jìn)力方向沿著x軸正方向，這個結(jié)果驗(yàn)證了之前許多研究的理論結(jié)果[10]。

圖6-b中舵機(jī)角位移在0～1 s內(nèi)的過渡過程為CPG網(wǎng)絡(luò)的從初始狀態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過渡過程，3臺舵機(jī)的運(yùn)動軌跡相差35°相位角，運(yùn)動周期為1 s，幅值小于30°。在理想狀態(tài)下，3臺舵機(jī)的幅值應(yīng)該達(dá)到30°，但由于舵機(jī)能力的限制，實(shí)際的幅值小于30°，并且3臺舵機(jī)的最大幅值不同，這是由于3臺舵機(jī)的速度與加速度略有差別。下圖推力數(shù)據(jù)曲線展示的推力的起始值從1.2 N開始，這個數(shù)值為靜止?fàn)顟B(tài)下仿生波動鰭推進(jìn)裝置的重力分量。

圖 6 控制參數(shù) A=30°，f=1.0 Hz，φ=35°下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 鰭條間距

受限于實(shí)驗(yàn)平臺的尺寸，實(shí)驗(yàn)選取的鰭條間距D的參數(shù)范圍為（8 cm、9 cm、10 cm、11 cm），對每一組間距都測量了30°到60°范圍內(nèi)的7組相位差情況下的推力值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，可以看到，開始時隨著鰭條間距的增大，仿生波動鰭產(chǎn)生的推力也增大，但在間距為11 cm時仿生波動鰭產(chǎn)生的推力卻幾乎沒有增長，說明推力的增幅隨著間距的增大而減小，這一點(diǎn)與Sfakiotakis M等[10]的理論研究結(jié)果相符合。另外可以看到，當(dāng)鰭條間距為11 cm時，在30°到60°的相位差范圍內(nèi)，推力的大小幾乎不變，而鰭條間距為8 cm的鰭面，在此范圍內(nèi)的推力大小則明顯減小，觀察四組參數(shù)的推力數(shù)值曲線，可以得到結(jié)論：隨著鰭條間距增大，在30°至60°的相位差范圍內(nèi)，推力隨著相位差的增大產(chǎn)生的變化量也越小。得到這樣結(jié)果的原因，推測是由于鰭條間距越大，相鄰鰭條之間的最大角度差越大，在相同相位差的情況下，鰭條間距越寬的鰭面，鰭面帶給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的拉扯力越小，從而對推力的影響越小。

圖7 不同鰭條間距下的推力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.2 鰭面松緊度

實(shí)驗(yàn)固定了鰭條間距為7 cm，選取了（14 cm，15 cm）兩組鰭面寬度W，分別代表“緊”和“松”兩種狀態(tài)，在幅值為30°，頻率為1 Hz的情況下，測量了從20°～60°相位差所對應(yīng)的推力值，每5°進(jìn)行一次采樣，測試結(jié)果如圖8所示?？梢钥吹絻煞N鰭面狀態(tài)下推力大小的差別不大，相較之下，較緊的鰭面略占優(yōu)勢，能夠取得更大的推力值。在相位差為60°時兩者的推力相差最大，較緊的鰭面推力大小為1.43 N，較松的鰭面推力大小為1.23 N，相差0.2 N。

圖8 不同松緊度下的推力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.3 鰭面長寬比

實(shí)驗(yàn)固定了鰭面面積為285 cm2，選取了4組長寬比不同的鰭面進(jìn)行測試r=H/W=（0.65，0.79，0.99，1.27）。實(shí)驗(yàn)的控制參數(shù)為幅值30°，頻率1 Hz，相位差20°～60°，每5°進(jìn)行一次采樣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，圖例的標(biāo)注為長寬比r?？梢钥吹?，當(dāng)相位差小于等于45°時，較大的長寬比r，即對應(yīng)較長的鰭面長度H，能夠取得更大的推力，將4組長寬比按照推力大小進(jìn)行排列，順序?yàn)椋?.27，0.99，0.79，0.65），相位差大于45°之后，出現(xiàn)了曲線相交的情況，當(dāng)相位差達(dá)到60°時，前3組鰭面推力大小的順序正好相反，推測這是由于較小的鰭條間距在此時產(chǎn)生了較大的鰭面拉扯力，長寬比為0.65的鰭面由于之前的推力差距較大，因此在60°相位差的范圍內(nèi)沒有超過其他3組。

圖9 不同鰭條長度下的推力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.4 鰭條材質(zhì)

實(shí)驗(yàn)對于同一張鰭面，選取了不同材質(zhì)的兩種鰭條，一種是鋁合金，具有較大的剛性，不易產(chǎn)生形變；一種是亞克力，硬度低但彈性好，容易形變。在幅值為30°，頻率為1 Hz的控制參數(shù)下測量了相位差—推力數(shù)據(jù)，選取的相位差范圍為20°～65°，間隔5°進(jìn)行采樣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，可以看到采用鋁合金材料作為鰭條的仿生波動鰭相比于亞克力材料具有更大的推力，并且影響顯著。推測是由于亞克力易形變的特性造成鰭條末端的軌跡曲線變形嚴(yán)重，而鋁合金鰭條由于剛性較強(qiáng)，其末端軌跡基本符合舵機(jī)的輸出，因此產(chǎn)生推力更大。

圖10 不同鰭條材質(zhì)的推力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了仿生波動鰭推進(jìn)裝置，詳細(xì)介紹了仿生波動鰭的機(jī)械結(jié)構(gòu)與電控系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)測試分析了鰭條間距、鰭面松緊度、鰭面長寬比、鰭條材質(zhì)4個物理因素對于仿生波動鰭推進(jìn)裝置產(chǎn)生的推力的影響，得到以下研究結(jié)論：

（1）鰭條間距對仿生波動鰭產(chǎn)生的推力具有兩方面的影響，一方面，仿生波動鰭產(chǎn)生的推力隨著鰭條間距的增大而增大，但增幅減??；另一方面，鰭條間距較寬的鰭面受到相位差增大的影響而產(chǎn)生的變化量也越小；（2）鰭面松緊度對于仿生波動鰭產(chǎn)生推力的影響較小，較緊的鰭面能夠比較松的鰭面產(chǎn)生略大一些的推力，但也容易由于鰭面過緊而影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動；（3）在相位差小于等于45°時，具有較大長寬比（或者說鰭條長度更長）的鰭面，能夠產(chǎn)生更大的推力，但當(dāng)超過該相位差后，較大長寬比的鰭面不再具有優(yōu)勢，反而是較小長寬比的鰭面能夠取得更大的推力；（4）鰭條材質(zhì)對于仿生波動鰭產(chǎn)生的推力具有明顯的影響，強(qiáng)度較小的亞克力材質(zhì)的鰭條由于形變的影響，其產(chǎn)生的推力明顯小于強(qiáng)度較高的鋁合金鰭條產(chǎn)生的推力。后續(xù)的研究中，將結(jié)合理論模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更深入地分析物理因素、控制參數(shù)對于仿生波動鰭的影響。