拍動(dòng)式仿鷂鲼水下機(jī)器人設(shè)計(jì)及其游動(dòng)性能試驗(yàn)

郭松子，馬俊，李志印，張進(jìn)華

1 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

2 海軍裝備部 項(xiàng)目管理中心，北京 100071

3 西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049

0 引 言

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，陸地石油、天然氣、稀有金屬等各類(lèi)資源日益減少。面對(duì)陸地資源日趨枯竭的現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)和利用海洋資源是人類(lèi)的迫切任務(wù)之一。為了滿足海洋探索和資源開(kāi)發(fā)的需求，近幾十年來(lái)，各國(guó)不斷加大水下自主水下航行器（AUV）的研究力度，AUV 領(lǐng)域發(fā)展迅猛。傳統(tǒng)AUV 多采用由螺旋槳組成的常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單、可靠性高、密封性好等優(yōu)點(diǎn)。但由于螺旋槳工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量空泡與旋渦，傳統(tǒng)AUV 工作時(shí)產(chǎn)生的噪音較大，對(duì)環(huán)境擾動(dòng)明顯，不利于在對(duì)靜謐性要求較高的條件下工作[1]。此外，螺旋槳驅(qū)動(dòng)器無(wú)法產(chǎn)生矢量推進(jìn)力，導(dǎo)致本體水下運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)動(dòng)性較差，難以滿足環(huán)境日趨復(fù)雜的水下勘探任務(wù)。

為了探索不同于螺旋槳推進(jìn)的其他高效率、機(jī)動(dòng)靈活的水下推進(jìn)方式，國(guó)內(nèi)外工程師將目光聚焦于海洋中各式各樣的魚(yú)類(lèi)，從魚(yú)類(lèi)的游動(dòng)方式中汲取靈感，希望通過(guò)模仿自然界中海洋生物的形態(tài)特征與游動(dòng)機(jī)理，為研制新型的高性能AUV 提供思路[2]。鲼科魚(yú)類(lèi)是典型的采用中央對(duì)鰭推進(jìn)的魚(yú)類(lèi)，擁有優(yōu)異的流體動(dòng)力學(xué)外形。其自身通過(guò)中央對(duì)鰭的拍動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力與附加控制力矩，具有水下運(yùn)動(dòng)靈活與穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。既能適應(yīng)遠(yuǎn)洋的長(zhǎng)距離遷徙，又具有低速靈活機(jī)動(dòng)的能力。采用中央對(duì)鰭拍動(dòng)推進(jìn)的鲼科魚(yú)類(lèi)逐漸成為工程師在設(shè)計(jì)新一代水下推進(jìn)器時(shí)不斷模仿與學(xué)習(xí)的對(duì)象。

早期拍動(dòng)式仿生機(jī)器魚(yú)的設(shè)計(jì)多以剛性為主，具有結(jié)構(gòu)可靠性高，產(chǎn)生推進(jìn)力大等優(yōu)點(diǎn)。但其也存在諸多不足，例如支撐骨架笨重、游動(dòng)效率低與環(huán)境適應(yīng)性差等，難以應(yīng)對(duì)日趨復(fù)雜的海洋探測(cè)任務(wù)。早在2004 年，日本學(xué)者就研發(fā)出了采用拍動(dòng)胸鰭驅(qū)動(dòng)的仿生魚(yú)原型機(jī)。機(jī)器魚(yú)胸鰭采用剛性骨架支撐，鰭面使用柔性硅膠板制作。原型樣機(jī)長(zhǎng)約為650 mm，翼展500 mm，重量為640 g，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最大游動(dòng)速度可達(dá)每秒1 倍體長(zhǎng)。此后，國(guó)內(nèi)學(xué)者Xu 等[3]與Gao 等[4]采用類(lèi)似的胸鰭結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出采用雙側(cè)剛性胸鰭拍動(dòng)推進(jìn)的仿蝠鲼機(jī)器魚(yú)BH-RAY3，通過(guò)水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究了其基本的推進(jìn)機(jī)理。德國(guó)Festo 公司也以蝠鲼為仿生對(duì)象，設(shè)計(jì)出采用剛性支撐電機(jī)驅(qū)動(dòng)的仿魔鬼魚(yú)機(jī)器魚(yú)AquaRay，憑借精妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方法，該機(jī)器魚(yú)能實(shí)現(xiàn)水中滑行，極大提升了機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)效率。EvoLogics 公司研發(fā)了采用人工噴氣推進(jìn)器作為驅(qū)動(dòng)器的仿蝠鲼機(jī)器魚(yú)。弗吉尼亞大學(xué)和美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室共同研發(fā)的MantaBot 原型樣機(jī)采用剛?cè)狁詈系脑O(shè)計(jì)思路，通過(guò)柔性胸鰭內(nèi)置剛性張拉機(jī)構(gòu)的伸縮來(lái)控制胸鰭擺動(dòng)，能較好模擬真實(shí)蝠鲼的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[5]。

隨著研究的深入，采用全柔性設(shè)計(jì)的仿生魚(yú)機(jī)器人因其具有結(jié)構(gòu)重量輕、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、游動(dòng)效率高等特點(diǎn)，受到越來(lái)越多的學(xué)者重視。Chew 等[6]通過(guò)水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)仿生胸鰭外側(cè)的被動(dòng)大變形有助于推進(jìn)效率的提升，并制作了鰭條與鰭面均為柔性材料的全柔性仿生胸鰭[7]。測(cè)試結(jié)果表明，采用此種柔性胸鰭推進(jìn)的原型樣機(jī)MantaDroid 的游動(dòng)速度最高可達(dá)1.7 倍體長(zhǎng)每秒，擁有較快的水下游動(dòng)速度。

通過(guò)總結(jié)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外拍動(dòng)式仿生魚(yú)的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，其研究焦點(diǎn)已從剛性鰭驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換到柔性鰭驅(qū)動(dòng)，從多自由度的主動(dòng)變形控制轉(zhuǎn)換到順應(yīng)周?chē)鳝h(huán)境的被動(dòng)變形設(shè)計(jì)，機(jī)器魚(yú)本體逐步實(shí)現(xiàn)了從身體外形相似到運(yùn)動(dòng)變形相似，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)仿生對(duì)象“形”和“態(tài)”的模仿?，F(xiàn)有的拍動(dòng)式機(jī)器魚(yú)樣機(jī)能完成包括直線游動(dòng)與定深巡游在內(nèi)的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)功能，但其水下機(jī)動(dòng)性能仍與真實(shí)的魚(yú)類(lèi)相差甚遠(yuǎn)，嚴(yán)重限制了它們?cè)诠こ讨械膽?yīng)用[8]。

針對(duì)上述不足，以研制游動(dòng)速度快，機(jī)動(dòng)性能高的拍動(dòng)式仿生魚(yú)為目標(biāo)，本文將提出一種采用對(duì)側(cè)柔性胸鰭拍動(dòng)推進(jìn)的仿生機(jī)器人（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“機(jī)器魚(yú)”）設(shè)計(jì)方案，并完成相關(guān)樣機(jī)的制作與游動(dòng)測(cè)試工作。制作完成的機(jī)器魚(yú)樣機(jī)（XJRoman）全長(zhǎng)385 mm，翼展寬度為550 mm，總質(zhì)量約為720 g。樣機(jī)在外形上充分借鑒真實(shí)鷂鲼（Eagle-ray）的流線型外形，以減少游動(dòng)時(shí)來(lái)自水流的阻力。通過(guò)兩側(cè)的柔性仿生胸鰭同步或異步地拍動(dòng)，機(jī)器魚(yú)能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度的靈活運(yùn)動(dòng)，擁有良好的水下機(jī)動(dòng)性。

1 拍動(dòng)式仿鷂鲼機(jī)器魚(yú)的設(shè)計(jì)與制作

1.1 機(jī)器魚(yú)整體設(shè)計(jì)方案

在充分參考幼年鷂鲼真實(shí)的尺寸大小與形態(tài)特征后，仿鷂鲼機(jī)器魚(yú)樣機(jī)設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。樣機(jī)整體呈流線外形，全長(zhǎng)385 mm，翼展寬度為550 mm，采用一對(duì)中央柔性仿生胸鰭驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)位于后端的水平尾舵調(diào)控俯仰游動(dòng)姿態(tài)。機(jī)器魚(yú)中間艙段用于容納包括運(yùn)動(dòng)控制板、慣性測(cè)量單元與水壓傳感器在內(nèi)的多種電子設(shè)備，為機(jī)器魚(yú)樣機(jī)游動(dòng)時(shí)的姿態(tài)與深度信息提供控制與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋。

圖1 仿鷂鲼機(jī)器魚(yú)樣機(jī)設(shè)計(jì)方案示意圖Fig. 1 Schematic design of the myliobatid-inspired robot

1.2 拍動(dòng)式仿生胸鰭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

仿生胸鰭是仿鷂鲼機(jī)器魚(yú)樣機(jī)的拍動(dòng)推進(jìn)裝置，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否很大程度上會(huì)影響機(jī)器魚(yú)本體的整體運(yùn)動(dòng)性能。仿生胸鰭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要考慮柔性拍動(dòng)胸鰭的解剖結(jié)構(gòu)特征，又要便于實(shí)現(xiàn)和控制[9]。為指導(dǎo)仿鷂鲼機(jī)器魚(yú)柔性胸鰭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)鷂鲼胸鰭進(jìn)行了解剖實(shí)驗(yàn)。胸鰭樣本整體呈三角旗狀，展弦比約為2。在使用外科手術(shù)刀剔除胸鰭表面肌肉組織結(jié)構(gòu)后，得到胸鰭內(nèi)部的骨骼結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。其結(jié)構(gòu)由多根呈放射狀排布的鈣化輻骨（鰭條）與輻間軟組織交疊組成。其中，每根輻骨由多段橈骨通過(guò)柔性關(guān)節(jié)連接，并可繞柔性軟骨關(guān)節(jié)小幅旋轉(zhuǎn)，展現(xiàn)出良好的生物柔順性。同時(shí)，胸鰭相鄰兩根輻骨之間通過(guò)細(xì)密的軟骨小節(jié)連接，一定程度上加強(qiáng)了沿弦長(zhǎng)方向的剛性，保證了胸鰭對(duì)弦向波形的控制。胸鰭樣本的整體厚度由根部至端部逐漸減小，因此其剛度由內(nèi)至外逐漸遞減，如圖2(b)所示。

圖2 解剖后的鷂鲼胸鰭實(shí)驗(yàn)樣本Fig. 2 The specimens of a dissected eagle-ray's pectoral fin

通過(guò)上述針對(duì)鷂鲼胸鰭的解剖學(xué)研究可總結(jié)出以下結(jié)論：

首先，鷂鲼胸鰭整體呈三角旗狀，弦展比約為2。胸鰭內(nèi)部多輻骨的布局與輻骨上的柔性軟骨相結(jié)合，可保證胸鰭運(yùn)動(dòng)時(shí)的生物柔性，使鷂鲼能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的拍動(dòng)前進(jìn)動(dòng)作，這對(duì)其運(yùn)動(dòng)的靈活性和穩(wěn)定性具有較大貢獻(xiàn)。

其次，胸鰭沿翼展方向的非均勻剛度分布特點(diǎn)對(duì)鷂鲼運(yùn)動(dòng)時(shí)的胸鰭展向變形具有重要意義。

因此，在后續(xù)的仿鷂鲼機(jī)器魚(yú)柔性胸鰭的設(shè)計(jì)中，為達(dá)到形態(tài)學(xué)仿生的目的，應(yīng)充分借鑒鷂鲼胸鰭的三角旗狀外形、多輻骨的布局與翼展方向的非均勻剛度分布的特點(diǎn)。通過(guò)類(lèi)似的輻骨驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)胸鰭的周期性往復(fù)拍動(dòng)。

基于上述鷂鲼胸鰭的形態(tài)學(xué)特征與解剖學(xué)特點(diǎn)，本文中試驗(yàn)樣機(jī)（XJRoman）采用的柔性仿生胸鰭如圖3 所示。柔性仿生胸鰭整體由柔性鰭面與柔性鰭條組成。其中3 根鰭條沿體長(zhǎng)方向橫置排列，其間距為100 mm。前緣驅(qū)動(dòng)鰭條（leading edge）與體長(zhǎng)方向夾角為80°，翼展方向長(zhǎng)度為220 mm，寬6 mm，厚度由根部6 mm 逐漸過(guò)渡至端部1 mm。驅(qū)動(dòng)鰭條的非均勻剛度分布設(shè)計(jì)，可保證拍動(dòng)時(shí)仿生胸鰭外側(cè)部分的大幅變形；中部及尾部被動(dòng)鰭條翼展方向長(zhǎng)度分別為180 與100 mm，寬度為4 mm。考慮到仿生胸鰭的整體柔性變形需求，3 根鰭條均采用柔性較好的高韌性尼龍（PA12）材料通過(guò)激光燒結(jié)技術(shù)制造，其拉伸模量約為1 700 MPa。尼龍材料的密度與水接近，約為1.13 g/cm3，沿XY方向抗斷裂延展率可達(dá)20%，能夠滿足柔性仿生胸鰭對(duì)材料機(jī)械性能的需求。仿生胸鰭的柔性鰭面采用硬度為30A 的硅膠澆筑成型。其中上部鰭面弦向高度為100 mm，展向?qū)挾葹?20 mm，厚度為2 mm；下部鰭面弦高100 mm，上端與底部寬度分別為180 和100 mm，厚度為2 mm。

圖3 試驗(yàn)樣機(jī)采用的柔性仿生胸鰭Fig. 3 A bionic pectoral fin adopted by the prototype

整個(gè)柔性仿生胸鰭通過(guò)位于前緣的驅(qū)動(dòng)鰭條往復(fù)擺動(dòng)，被動(dòng)地驅(qū)動(dòng)整個(gè)胸鰭拍動(dòng)。同時(shí)，仿生胸鰭在拍動(dòng)時(shí)能充分利用自身結(jié)構(gòu)剛度分布的特點(diǎn)，通過(guò)被動(dòng)變形形成的擊水角產(chǎn)生向前的推進(jìn)力。鰭面與鰭條均采用柔性材料制作，鰭面直接與鰭條連接。柔型仿生胸鰭除驅(qū)動(dòng)裝置以外，均采用密度與水接近的零浮力柔性材料制作。單側(cè)胸鰭由一個(gè)與驅(qū)動(dòng)鰭條相連接的高性能防水舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，在降低整體質(zhì)量的同時(shí)，最大程度上減少由驅(qū)動(dòng)器引入的機(jī)械能損耗，提升機(jī)器魚(yú)整體的工作效率。

1.3 機(jī)器魚(yú)樣機(jī)

制作完成的仿鷂鲼機(jī)器魚(yú)樣機(jī)（XJRoman）如圖4 所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由艙體部分、仿生柔性胸鰭、驅(qū)動(dòng)舵機(jī)及其內(nèi)部搭載的電子設(shè)備組成。其中，機(jī)器魚(yú)艙體部分呈流線型，包含頭部艙段、中間艙段與尾舵三個(gè)組成部分。上述組成部分均由PA12 尼龍材料通過(guò)3D 打印技術(shù)制造而成，具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。頭部艙段與中部艙段間采用可拆卸式拔插設(shè)計(jì)。當(dāng)頭部艙段與中部艙段扣合后，通過(guò)O 型密封圈能有效防水。仿生柔性胸鰭與艙體部分通過(guò)柔性旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接，并通過(guò)位于首部的防水舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生推進(jìn)力與附加控制力矩。機(jī)器魚(yú)的尾舵結(jié)構(gòu)主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生俯仰力矩，調(diào)節(jié)俯仰姿態(tài)角。機(jī)器魚(yú)樣機(jī)整體質(zhì)量為720 g，與其排水量相當(dāng)。因此在水中剛好保持零浮力狀態(tài)。

圖4 仿鷂鲼機(jī)器魚(yú)樣機(jī)的等軸側(cè)視圖Fig. 4 The isometric view of the fabricated prototype (XJRoman)

機(jī)器魚(yú)搭載的電子設(shè)備如圖5 所示，主要包括數(shù)據(jù)通信模塊、姿態(tài)感知模塊、深度位置感知模塊、供電模塊及運(yùn)動(dòng)控制板。運(yùn)動(dòng)控制板由一塊STM32F407IG 單片機(jī)及一塊電源管理芯片組成，能為外圍設(shè)備提供豐富的接口，其功能主要是負(fù)責(zé)接收各傳感器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生相應(yīng)的脈寬調(diào)制（PWM）控制信號(hào)，調(diào)整舵機(jī)擺動(dòng)角度與速度；無(wú)線通信模塊通過(guò)USART串口與運(yùn)動(dòng)控制板連接，將期望的運(yùn)動(dòng)指令傳輸至機(jī)器魚(yú)；姿態(tài)感知模塊與深度位置感知模塊通過(guò)I2C 串行通信總線與運(yùn)動(dòng)控制板相連，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制板中的定時(shí)器控制數(shù)據(jù)的采樣周期。

圖5 試驗(yàn)樣機(jī)電子設(shè)備鏈接框圖及物理連接Fig. 5 Diagram of the electronic connection of the prototype

自然界中，鲼科魚(yú)通過(guò)協(xié)調(diào)兩側(cè)胸鰭的擺動(dòng)頻率切換不同運(yùn)動(dòng)步態(tài)，實(shí)現(xiàn)靈活且平穩(wěn)的水中運(yùn)動(dòng)。對(duì)于拍動(dòng)式機(jī)器魚(yú)而言，設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)不僅需控制各驅(qū)動(dòng)器控制量當(dāng)前的輸出狀態(tài)，還需要考慮各輸出控制量之間的關(guān)系對(duì)樣機(jī)整體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的影響。因此，本文基于生物分層控制的思想，采用中樞模式發(fā)生器 （central pattern generator,CPG） 底層驅(qū)動(dòng)方法，通過(guò)控制兩側(cè)胸鰭與尾鰭所對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的輸出角度與耦合關(guān)系。試驗(yàn)樣機(jī)CPG 底層驅(qū)動(dòng)控制方法示意圖如圖6 所示。描述CPG 動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

圖6 試驗(yàn)樣機(jī)CPG 底層驅(qū)動(dòng)控制方法示意圖Fig. 6 Diagram of the coordinating control method for multiacutators based on CPG

式中：ai，bi和xi為方程中的狀態(tài)變量，分別代表第i個(gè)振蕩器當(dāng)前的幅度、偏移量與相位；i=1，2，3 分別為與仿鷂鲼機(jī)器魚(yú)左側(cè)舵機(jī)、右側(cè)舵機(jī)和尾部舵機(jī)相對(duì)應(yīng)的相位振蕩器；Ai與Bi分別為第i個(gè)振蕩器的期望幅度與期望偏移量；γi與ηi分別為幅值與偏移量的收斂系數(shù)，決定了方程中狀態(tài)量ai和bi收斂至期望值的速度；fi為振蕩器產(chǎn)生節(jié)律信號(hào)的頻率；μij為第i個(gè)振蕩器與第j個(gè)振蕩器之間的耦合系數(shù)，決定了對(duì)應(yīng)振蕩器之間的耦合強(qiáng)弱；φij為第i個(gè)振蕩器與第j個(gè)振蕩器之間的鎖存相位差；θij為第i個(gè)相位振蕩器最終輸出的舵機(jī)角度。上層PID 控制器僅需通過(guò)控制CPG網(wǎng)絡(luò)入口，即可實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)器間的協(xié)調(diào)控制。

PID1 控制器以中央控制板中集成的慣性傳感器（inertial measurement unit , IMU）采集的偏航角作為反饋信號(hào)，通過(guò)控制f1與f2左右胸鰭拍動(dòng)頻率的差值，實(shí)現(xiàn)游動(dòng)航向的控制；PID2 控制器則以IMU 采集的俯仰角作為反饋信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)φ3實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚(yú)游動(dòng)深度的控制。

2 樣機(jī)游動(dòng)性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)環(huán)境與數(shù)據(jù)處理

仿鷂鲼機(jī)器魚(yú)樣機(jī)（XJRoman）在50 m × 21 m ×2 m 的試驗(yàn)水域中進(jìn)行游動(dòng)性能試驗(yàn)（圖7）。試驗(yàn)中使用分辨率為4K 的GoPro-Hero8 防水?dāng)z像機(jī)對(duì)仿生魚(yú)樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)每秒60 幀的拍攝，隨后通過(guò)Adobe Premiere 幀處理軟件計(jì)算出機(jī)器魚(yú)的平均游動(dòng)速度。

圖7 試驗(yàn)樣機(jī)游動(dòng)性能測(cè)試環(huán)境Fig. 7 Experimental environment to test the prototype

2.2 游動(dòng)速度試驗(yàn)

基于對(duì)鷂鲼游動(dòng)形態(tài)的觀察，鷂鲼主要通過(guò)改變對(duì)側(cè)胸鰭的拍動(dòng)頻率實(shí)現(xiàn)游動(dòng)姿態(tài)、速度的調(diào)節(jié)。此外，在靜水條件下通過(guò)對(duì)仿生柔性胸鰭進(jìn)行的水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)（圖8 所示）發(fā)現(xiàn)，胸鰭在拍動(dòng)幅度為80°時(shí)各拍動(dòng)頻率下輸出推進(jìn)力較大。繼續(xù)增加拍動(dòng)幅度，推進(jìn)力無(wú)明顯提升，機(jī)器魚(yú)反而將受交替變化的升力影響，游動(dòng)穩(wěn)定性降低。

圖8 不同驅(qū)動(dòng)參數(shù)下仿生胸鰭輸出的平均推進(jìn)力Fig. 8 The average thrust of the bionic pectoral fin under different actuating frequencies and amplitudes

為測(cè)試試驗(yàn)樣機(jī)（XJRoman）的直線游動(dòng)速度，本文測(cè)試了試驗(yàn)樣機(jī)在胸鰭拍動(dòng)幅度為80°時(shí)不同胸鰭驅(qū)動(dòng)頻率下的平均游動(dòng)速度，測(cè)試結(jié)果如圖9 所示，試驗(yàn)測(cè)得的游動(dòng)速度均以倍體長(zhǎng)每秒（BL/s）表示。

圖9 試驗(yàn)樣機(jī)在不同拍動(dòng)頻率下的平均游動(dòng)速度Fig. 9 The average speed of the prototype while the pectoral fins being actuated in different frequencies

由圖可見(jiàn)，拍動(dòng)頻率的大小對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)的游動(dòng)速度產(chǎn)生了顯著的影響。當(dāng)機(jī)器魚(yú)胸鰭的拍動(dòng)頻率低于0.7 Hz 時(shí)，試驗(yàn)樣機(jī)的游動(dòng)速度隨著胸鰭拍動(dòng)頻率的增加而大幅增加，并在0.7 Hz 時(shí)達(dá)到最大值，約為1.9 倍體長(zhǎng)每秒。當(dāng)胸鰭的拍動(dòng)頻率超過(guò)0.7 Hz 后，試驗(yàn)樣機(jī)的平均游動(dòng)速度隨著胸鰭拍動(dòng)頻率的遞增而呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)。在拍動(dòng)幅度80°時(shí)，機(jī)器魚(yú)的直線游動(dòng)速度隨驅(qū)動(dòng)頻率的變化趨勢(shì)與仿生胸鰭靜水條件下測(cè)得的平均推進(jìn)力隨驅(qū)動(dòng)頻率的變化趨勢(shì)基本一致，且最大值點(diǎn)均出現(xiàn)在拍動(dòng)頻率0.7 Hz 處。

2.3 機(jī)動(dòng)性能試驗(yàn)

圖10（a）展示了仿鷂鲼機(jī)器魚(yú)進(jìn)行側(cè)V 型機(jī)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)圖像序列。在游動(dòng)過(guò)程中，胸鰭最大拍幅始終保持80°；左側(cè)胸鰭拍動(dòng)頻率為0.7 Hz；右側(cè)胸鰭拍動(dòng)頻率為0.5 Hz，略小于左側(cè)胸鰭。通過(guò)對(duì)機(jī)器魚(yú)左右胸鰭的差速控制，提升一側(cè)胸鰭所產(chǎn)生的升力與推進(jìn)力，為機(jī)器魚(yú)本體提供橫滾與偏航力矩。另一方面，通過(guò)調(diào)整尾舵的升降幅度，為機(jī)器魚(yú)本體提供俯仰力矩。V 型機(jī)動(dòng)成功模擬了真實(shí)鷂鲼捕捉獵物時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在執(zhí)行特定目標(biāo)水域的環(huán)境探測(cè)以及樣本收集任務(wù)中具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

圖10（b）展示了機(jī)器魚(yú)完成橫滾盤(pán)旋機(jī)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)圖像序列，整個(gè)過(guò)程可依次分為3 個(gè)階段：加速爬升、橫滾與盤(pán)旋。首先，機(jī)器魚(yú)通過(guò)同步拍動(dòng)兩側(cè)胸鰭，加速爬升至一定深度，隨后加快左側(cè)胸鰭拍動(dòng)速度使其本體向右弦橫傾，最后協(xié)調(diào)兩側(cè)胸鰭同步慢速拍動(dòng)以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的盤(pán)旋作動(dòng)。在本次試驗(yàn)中機(jī)器魚(yú)水中盤(pán)旋半徑約為0.5 m，展現(xiàn)出了靈活的機(jī)動(dòng)性。橫滾盤(pán)旋機(jī)動(dòng)動(dòng)作模擬了真實(shí)鷂鲼搜尋獵物時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可應(yīng)用于執(zhí)行對(duì)特定目標(biāo)的偵察跟蹤任務(wù)中。

圖10（c）展示了鷂鲼機(jī)器魚(yú)進(jìn)行下潛翻滾時(shí)的運(yùn)動(dòng)序列，從運(yùn)動(dòng)序列中可觀察到，機(jī)器魚(yú)在推進(jìn)力與尾舵提供的俯仰力矩共同作用下，沿逆時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行翻滾下潛。試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器魚(yú)在尾舵與胸鰭的配合下可以在水中實(shí)現(xiàn)大角度的翻滾，展現(xiàn)出了優(yōu)異的垂直機(jī)動(dòng)性能。

圖10 仿鷂鲼機(jī)器魚(yú)的機(jī)動(dòng)性能測(cè)試序列圖Fig. 10 Snap shots of the prototype during swimming tests

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于鷂鲼的生物解剖特點(diǎn)，提出了拍動(dòng)式仿鷂鲼機(jī)器魚(yú)樣機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案，并完成了初代原型樣機(jī)的制作工作。樣機(jī)由位于對(duì)側(cè)的全柔性仿生胸鰭驅(qū)動(dòng)，并依靠尾舵實(shí)現(xiàn)俯仰自由度的調(diào)控。采用密度較小的高韌性尼龍(PA12)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料制作殼體，降低了整體質(zhì)量，從而保證了樣機(jī)水下的機(jī)動(dòng)性。設(shè)計(jì)的CPG底層驅(qū)動(dòng)方法能有效協(xié)調(diào)左右胸鰭及尾舵的周期性擺動(dòng)，提升機(jī)器魚(yú)樣機(jī)游動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)仿生機(jī)器魚(yú)樣機(jī)的游動(dòng)性能測(cè)試可知，在保持柔性胸鰭拍動(dòng)幅度為80°的條件下，兩側(cè)柔性胸鰭拍動(dòng)頻率大小的改變對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)的游動(dòng)速度產(chǎn)生了顯著的影響。在一定頻率范圍內(nèi)，通過(guò)增加對(duì)側(cè)胸鰭的拍動(dòng)頻率能提升柔性仿生胸鰭輸出的平均推進(jìn)力，從而提升機(jī)器魚(yú)樣機(jī)的游動(dòng)速度，其最大游動(dòng)速度可達(dá)1.9 倍體長(zhǎng)每秒。而當(dāng)拍動(dòng)頻率超過(guò)0.7 Hz 后，增加對(duì)側(cè)胸鰭的拍動(dòng)頻率未能有效提升機(jī)器魚(yú)樣機(jī)的游動(dòng)速度。因此在后續(xù)的研究中，實(shí)現(xiàn)柔性胸鰭拍動(dòng)頻率的在線監(jiān)測(cè)與控制，使樣機(jī)處于較高效的工作區(qū)間尤為重要。

此外在機(jī)動(dòng)性能測(cè)試中，本文所設(shè)計(jì)的拍動(dòng)式仿鷂鲼機(jī)器魚(yú)可實(shí)現(xiàn)側(cè)V 機(jī)動(dòng)、橫滾盤(pán)旋與翻滾機(jī)動(dòng)等多種敏捷的水下運(yùn)動(dòng)，展現(xiàn)出了優(yōu)異的機(jī)動(dòng)性能。樣機(jī)在執(zhí)行水下搜救、探測(cè)以及戰(zhàn)術(shù)打擊等任務(wù)中具有較大應(yīng)用前景。