一種面向水下植被監(jiān)測的仿生海龜設(shè)計(jì)

陳金言， 李俊杰， 仝金濤， 段睿玨， 王猛猛， 肖愛平， 黃 晨

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

在治理水體污染、恢復(fù)湖泊水體生態(tài)環(huán)境方面，除了各種治污工程外，水下植被生態(tài)修復(fù)也是一種重要的措施。水下種植水草以及水下植被信息采集的人工作業(yè)方式工作效率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大。近年來通過對水生生物的仿生學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，海龜、海豚、企鵝以及各種魚類等海洋生物主要依靠鰭狀肢或尾翼的劃水產(chǎn)生動(dòng)力，盡管這些生物體形不一，但是他們卻具有爆發(fā)力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性高、穩(wěn)定性好等共同特點(diǎn)[1]。仿生海龜是目前研究和應(yīng)用較多的仿生機(jī)械產(chǎn)品，大多采用多電機(jī)控制，使用一個(gè)位旋電機(jī)外加一個(gè)拍旋電機(jī)的綜合作用，使海龜?shù)那耙韺?shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡[2]；或根據(jù)對海龜撲翼運(yùn)動(dòng)方式的分析，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)模仿實(shí)現(xiàn)海龜撲翼的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)動(dòng)，凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)豎直運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)同步進(jìn)行，在關(guān)鍵點(diǎn)相互結(jié)合實(shí)現(xiàn)海龜撲翼的運(yùn)動(dòng)軌跡[3-4]。

本文設(shè)計(jì)了一種面向湖泊水下植被監(jiān)測的仿生海龜，對其行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、下潛機(jī)構(gòu)、采集機(jī)械臂進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研究，虛擬樣機(jī)仿真試驗(yàn)表明了該方案的可行性，能夠?qū)崿F(xiàn)水下植被的種植與采集。

1 仿生海龜?shù)姆桨冈O(shè)計(jì)

基于水下作業(yè)需求考慮，仿生海龜在運(yùn)動(dòng)功能上應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：(1)能夠較好的直行，有一定的推進(jìn)力；(2)能夠靈活的轉(zhuǎn)彎；(3)有下潛的能力；(4)有樣本采集的能力。

1.1 運(yùn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)并優(yōu)化的仿生海龜盡量減少電機(jī)數(shù)量，從而降低仿生海龜?shù)恼w質(zhì)量及控制難度。仿生海龜?shù)闹鱾鲃?dòng)系統(tǒng)僅采用一個(gè)電機(jī)控制所有水翼的運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)前肢水翼采用連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)劃水運(yùn)動(dòng)，要求劃水時(shí)面積大，在劃水完畢后，向前收翼準(zhǔn)備下次劃動(dòng)時(shí)的面積小，具有足夠的推進(jìn)力；兩后肢水翼僅需完成上下?lián)渌?，提供一定的推進(jìn)力，采用凸輪機(jī)構(gòu)控制其上下擺動(dòng)；兩前肢水翼之間采用差速器結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。仿生海龜機(jī)械傳動(dòng)方案簡圖如圖1所示。

圖1 仿生海龜機(jī)械傳動(dòng)方案簡圖

1.2 轉(zhuǎn)向功能實(shí)現(xiàn)

仿生海龜三維模型如圖2所示，整個(gè)機(jī)械裝置僅使用一個(gè)電機(jī)便能實(shí)現(xiàn)其功能要求。在前肢兩翼的差速器兩端安裝制動(dòng)裝置，在需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向的時(shí)候，制動(dòng)裝置對一側(cè)軸進(jìn)行制動(dòng)減速，由式(1)可知另一側(cè)軸轉(zhuǎn)速增加，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

(1)

當(dāng)兩軸以相同速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，即前進(jìn)狀態(tài)，n1=n3=nH。當(dāng)一軸抱死，n1=0時(shí)，n3=2nH，即一側(cè)軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，另一側(cè)軸的轉(zhuǎn)速同時(shí)也增加，更加有利于海龜?shù)霓D(zhuǎn)向。

圖2 仿生海龜三維模型

2 仿生海龜關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 前肢水翼連桿機(jī)構(gòu)

海龜水翼末端的軌跡在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)呈“8”字形，海龜水翼在上揮和下拍過程中，通過不斷改變擊水攻角，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的調(diào)節(jié)和前進(jìn)運(yùn)動(dòng)[5]。根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)的特征，鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的剛體位置和軌跡，利用四桿機(jī)構(gòu)連桿曲線的復(fù)雜性可以進(jìn)行仿海龜推進(jìn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[6-7]。本文采用傳統(tǒng)的剛體導(dǎo)引機(jī)構(gòu)的方法來設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)，通過給出連桿的3個(gè)給定位置，找到曲柄與搖桿的位置與長度，從而設(shè)計(jì)出連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)仿生海龜所需要的運(yùn)動(dòng)。

連桿機(jī)構(gòu)在向后劃水時(shí)需要提供足夠的動(dòng)力，因此需要其在向后劃水時(shí)有較大的攻角，在設(shè)計(jì)此連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，給定3個(gè)確定的位置，連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖如圖3所示，連桿與水平面的夾角分別為40°，60°和30°。連桿在向下劃動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，在布置3個(gè)位置時(shí)要注意，讓60°最大攻角的位置處于3個(gè)位置的最下端，40°的位置在左邊偏上，30°的位置在右邊偏上，以使其中垂線的交點(diǎn)，即固定鉸鏈的位置在連桿最低點(diǎn)以上，能使其正確劃水。

圖3 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖

di1xA+di2yA+di3=0

(2)

式中，i=2，3，…，n，xA和yA為A的絕對坐標(biāo)。

di1=2[xB1(1-cosθ1i)+yB1sinθ1i

+xP1cosθ1i-yP1sinθ1i-xP1]

(3)

di2=2[yB1(1-cosθ1i)-xB1sinθ1i

+yP1cosθ1i+xP1sinθ1i-yP1]

(4)

di3=2(-xP1yB1-xP1yP1+xP1yP1+xB1yP1)sinθ1i)

+2(xP1xB1-xP1xP1+yP1yP1+yB1yP1)cosθ1i

(5)

給定連桿5個(gè)特定位置和姿態(tài)，代入方程即可求得鉸接點(diǎn)A和B1的位置xA、yA和xB1、yB1。由于連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性僅與其各個(gè)桿件之間的長度比有關(guān)，與絕對的長度無關(guān)，因此求出來相對的比值之后，可以根據(jù)仿生海龜?shù)某叽纾瑢B桿尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇，經(jīng)matlab仿真驗(yàn)證，連桿尺寸參數(shù)見表1。

表1 連桿的參數(shù)表

2.2 轉(zhuǎn)向差速機(jī)構(gòu)

在行星齒輪機(jī)構(gòu)差速功能實(shí)現(xiàn)的過程中，起關(guān)鍵作用的是兩個(gè)行星齒輪，具有動(dòng)軸特性的行星齒輪將從動(dòng)環(huán)形齒輪傳遞過來的動(dòng)力分配到兩個(gè)半軸齒輪上，并且分配的大小根據(jù)實(shí)際情況而自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)左側(cè)遇到較大的阻力時(shí)，行星輪將較多的驅(qū)動(dòng)力分配到右側(cè)半軸齒上，當(dāng)右側(cè)遇到較大的阻力時(shí)，行星輪將較多的驅(qū)動(dòng)力分配到左側(cè)半軸齒輪上[8]。

轉(zhuǎn)向差速機(jī)構(gòu)采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)件，通過對齒輪強(qiáng)度進(jìn)行校核，可以得到齒輪的參數(shù)見表2。

表2 差速器的參數(shù)表

3 虛擬樣機(jī)仿真分析

利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立仿生海龜?shù)奶摂M樣機(jī)模型，仿生海龜虛擬樣機(jī)模型如圖4所示，并分別對前肢的位移、速度與后肢的位移、速度等進(jìn)行步態(tài)分析。

圖4 仿生海龜虛擬樣機(jī)模型

前肢位移與速度曲線如圖5所示，通過一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)差速器進(jìn)而帶動(dòng)前肢的擺動(dòng)，前肢主要是曲柄連桿機(jī)構(gòu)，其中的機(jī)架與地面添加固定副，曲柄與差速器中的小錐齒輪軸固定副連接，通過軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)，連架桿與搖桿均與其相連的桿添加轉(zhuǎn)動(dòng)副關(guān)系，從而使曲柄搖桿機(jī)構(gòu)達(dá)到相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)位移曲線。由前肢的速度曲線可以看出來，前肢不僅在劃水面積上能夠滿足提供足夠前進(jìn)動(dòng)力的要求，而且還具有一定的急回特性，在向后劃水的時(shí)候以較快地速度劃開，向前伸展準(zhǔn)備下次劃水時(shí)，以較小的攻角和較慢的速度進(jìn)行。

圖5 前肢位移與速度曲線

后肢位移曲線如圖6所示，后肢的運(yùn)動(dòng)主要是上下的擺動(dòng)，類似于搖桿機(jī)構(gòu)。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)錐齒輪軸上的凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，來帶動(dòng)后肢的上下擺動(dòng)。主要是在凸輪與后肢之間添加凸輪副約束，使其來完成固定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由后肢的速度曲線可以看出，后肢的擺動(dòng)由最高端擺向最低端，速度也是從零開始不斷加速，加速到最大值之后開始減速，當(dāng)速度減為零的時(shí)候，后肢也就擺動(dòng)到了最低端。然后和之前一樣，再由最低端運(yùn)動(dòng)到最高端，實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)。

圖6 后肢位移曲線

4 結(jié)束語

利用海龜運(yùn)動(dòng)的水翼法推進(jìn)裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性與靈活性，能適應(yīng)不同的水域要求進(jìn)行植被監(jiān)測。后續(xù)的設(shè)計(jì)可加入電控裝置，通過安裝攝像頭對水下的植被進(jìn)行探測，使用超聲波傳感器對前方的障礙進(jìn)行探測，通過反饋的電流和電壓的大小，對制動(dòng)裝置加以控制，還能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)避障的功能。該機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不僅貼合了海龜?shù)恼鎸?shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，更為水下植被修復(fù)提供了全新的思路和探究方向。