基于柔順機(jī)構(gòu)的雙驅(qū)動仿生水母設(shè)計(jì)

高 昂，楊恩慧，張金諾，崔靜宇，權(quán)雙璐，胡 橋

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

0 引言

立足于現(xiàn)階段我國建設(shè)海洋強(qiáng)國的戰(zhàn)略規(guī)劃，研制水下智能裝備、構(gòu)建水下技術(shù)平臺是我國發(fā)展海洋科技的前景目標(biāo)。仿生機(jī)器作為水下智能裝備的重要分支，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性[1]，在海洋資源勘探、海洋環(huán)境治理、海洋信息檢測等實(shí)踐領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價值。水母作為海洋中一類重要生物，相較于魚類的尾鰭式和背鰭式游動，具有一種特殊的噴射推進(jìn)模式[2]。通過肌肉的快速收縮改變自身腔體體積完成排水，利用噴射的反作用力運(yùn)動，且能有效利用流場能量，是一種高效節(jié)能的推進(jìn)方式，兼具靈活性和平穩(wěn)性，水母以其特殊的運(yùn)動模式在仿生學(xué)領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注和研究[3]。意大利微工程研究中心研制了一種通過磁鐵磁力作用排水驅(qū)動的微型仿生水母，可以達(dá)到37 mm/s的速度[4]；美國弗吉尼亞理工學(xué)院研制了一款基于SMA的伸縮變形驅(qū)動的仿生水母機(jī)器人，其最大運(yùn)行速度可達(dá)54 mm/s[5]；德國FESTO公司研制的AquaJelly機(jī)器水母依據(jù)魚鰭設(shè)計(jì)觸須結(jié)構(gòu)，帶動末端鰭片劃水推進(jìn)[6]；中國科學(xué)院自動化研究所的肖俊東和喻俊志研制了一款基于多連桿機(jī)構(gòu)的仿生機(jī)器水母[7]。

國內(nèi)外學(xué)者對仿生水母的相關(guān)研究僅限于單一驅(qū)動方式，推進(jìn)效率不高，并且缺乏對水母感知功能的實(shí)現(xiàn)。因此，本文以機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制功能實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，研制了一種撲動–噴射雙驅(qū)動模式的仿水母機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)水下全向運(yùn)動，并且搭載的趨光控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水下探測及環(huán)境感知的功能，為構(gòu)建水下探測平臺提供了一種集高效性、平穩(wěn)性、環(huán)境適應(yīng)性于一體的水下智能裝備。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水母主要結(jié)構(gòu)由腔體和觸手組成，通過肌肉收縮改變腔體體積完成排水推進(jìn)的運(yùn)動過程，觸手呈輻射對稱狀分布于傘狀腔體四周，部分水母具有感知環(huán)境中光源變化的功能。

圖1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Overall structure design

本文針對仿生水母的推進(jìn)效率問題，提出了一種基于雙驅(qū)動推進(jìn)結(jié)構(gòu)的仿生水母，可有效提高推進(jìn)效率。仿生水母由仿水母主控艙、柔性撲水鰭條[8]、折紙噴射機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和趨光控制系統(tǒng)組成，通過舵機(jī)驅(qū)動的曲柄滑塊實(shí)現(xiàn)水母撲動–噴射雙驅(qū)動的高效運(yùn)動方式，由舵機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)結(jié)合陀螺儀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過改變重心實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的水中姿態(tài)調(diào)節(jié)；以仿生水母為基體，模擬水母趨光特性，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建趨光控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)朝向光源運(yùn)動的功能。

1.1 腔體結(jié)構(gòu)

傘狀腔體是水母承受運(yùn)動阻力的主要部分，仿照緣葉水母的長圓形腔體結(jié)構(gòu)具有低阻力系數(shù)，使水母具有更高的游動速度。并對腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過CFD仿真對不同徑高比下腔體結(jié)構(gòu)的阻力系數(shù)分析，設(shè)計(jì)最優(yōu)結(jié)構(gòu)的徑高比約為0.55︰1，優(yōu)化后的最小阻力系數(shù)為0.011。

圖2 腔體壓力分布云圖Fig.2 Cavity pressure distribution cloud map

采用鏤空肋板的設(shè)計(jì)在保證結(jié)構(gòu)剛度的同時減輕重量，保證了水母運(yùn)動的靈活性和高效性。同時，將腔體結(jié)構(gòu)作為控制單元核心，內(nèi)部大空間密封艙設(shè)計(jì)，可集中放置電氣控制硬件設(shè)備。

圖3 腔體結(jié)構(gòu)Fig.3 Cavity structure

1.2 雙驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

自然界中水母主要通過裙帶擺動和改變內(nèi)腔海水容量的方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。因此，仿生水母采用鰭條撲動和折紙噴射雙驅(qū)動方式，分別模擬水母的裙帶彎曲和內(nèi)腔排水。并通過由舵機(jī)帶動的具有急回特性的偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，分別帶動鰭條結(jié)構(gòu)與折紙結(jié)構(gòu)，來模擬水母運(yùn)動時鰭條緩慢舒展而迅速收攏，內(nèi)腔緩慢吸水而迅速擠壓噴射的特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)鰭條的“慢展快縮”以及折紙的“慢上快下”。

1.2.1 柔性鰭條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

部分水母觸手具有推進(jìn)及改變運(yùn)動方式的功能，基于此設(shè)計(jì)剛?cè)峤Y(jié)合的鰭條結(jié)構(gòu)，呈輻射狀對稱分布于腔體周圍，采用內(nèi)外雙片式結(jié)構(gòu)，外片固定，內(nèi)片固連曲柄滑塊實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動，帶動鰭條產(chǎn)生形變實(shí)現(xiàn)擺動推進(jìn)，根部設(shè)置大面積撲水式鰭，增大了鰭條的尖端位移幅值并在水下產(chǎn)生渦流從而提高推進(jìn)力及推進(jìn)效率。

圖4 雙片式柔性鰭條Fig.4 Two-piece flexible fin ray

將鰭條的三維模型導(dǎo)入 Adams 中，給定鰭條的運(yùn)動參數(shù)建立驅(qū)動模型，對外片添加固定約束，內(nèi)片添加位移約束，限制鰭條的位移和轉(zhuǎn)角，并得到運(yùn)動位移及速度圖，證明所設(shè)計(jì)的雙片式鰭條結(jié)構(gòu)具有柔性變形能力。

仿水母機(jī)器人由鰭條撲動產(chǎn)生的反向推進(jìn)力驅(qū)動，推進(jìn)力的大小直接影響仿生水母的運(yùn)動性能，鰭條擺動所能產(chǎn)生的推進(jìn)力取決于流體性質(zhì)和鰭條參數(shù)：

式中：F為鰭條表面所能產(chǎn)生的推進(jìn)力；ρ為流體密度；Cd為阻力系數(shù)；S為鰭條迎水面面積；v為相對于流體的運(yùn)動速度并且受轉(zhuǎn)動角度影響；vu為運(yùn)動方向單位矢量，得到鰭條轉(zhuǎn)動角度θ與推進(jìn)力F(t)關(guān)系。

圖5 Adams柔性仿真Fig.5 Flexible simulation of Adams

圖6 推進(jìn)力–旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系曲線Fig.6 Propulsion force-rotation angle relationship curve

鰭條擺動過程中，提供的推進(jìn)力隨自身的旋轉(zhuǎn)角度增大而增大，且具有趨于平穩(wěn)的峰值，為了獲得最大的推進(jìn)力，設(shè)置鰭條最大旋轉(zhuǎn)角度為60°，此時阻力系數(shù)為1.126 3，平均最大推進(jìn)力為0.082 3 N，鰭條結(jié)構(gòu)可提供的最大推進(jìn)力為0.493 8 N。

圖7 鰭條靜力分析圖Fig.7 Static analysis diagram of fin rays

柔性鰭條結(jié)構(gòu)由舵機(jī)驅(qū)動的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)提供動力，而偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的急回特性可提高鰭條擺動速度，合理選擇曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的參數(shù)對優(yōu)化仿生水母的運(yùn)動性能具有重要意義。通過workbench靜力學(xué)仿真確定連接于鰭條內(nèi)片的滑塊在柔性鰭條旋轉(zhuǎn)°

60時的運(yùn)動行程為h=71.5 mm。設(shè)定偏置曲柄滑塊的偏距為e= 27.0 mm，極位夾角為θ= 45.1°，對應(yīng)行程速比系數(shù)K= 1.668 7，機(jī)構(gòu)運(yùn)動方程如下：

式中：α為曲柄與水平面的夾角。求解運(yùn)動方程后得到曲柄滑塊參數(shù)：

1.2.2 管狀折紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)研究，自然界中部分水母通過收縮外殼擠壓內(nèi)腔的方式噴射推進(jìn)自身前進(jìn)，水流噴出產(chǎn)生的推力將使水母沿身體軸向方向運(yùn)動。管狀折紙結(jié)構(gòu)[9]所能提供的推進(jìn)力大小與折紙單元結(jié)構(gòu)參數(shù)和流體性質(zhì)有關(guān)

式中，F(xiàn)為折紙結(jié)構(gòu)噴射所產(chǎn)生的推進(jìn)力；ρ為流體密度；1a、a2為折紙單元設(shè)計(jì)參數(shù)；S為出水口面積；v為折紙結(jié)構(gòu)收縮速度。根據(jù)相關(guān)研究[10]，折紙單元的優(yōu)化設(shè)計(jì)以最大儲水量和輸出剛度為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化結(jié)果表明最優(yōu)折紙結(jié)構(gòu)的1a、a2比值約為1.75︰1，因此設(shè)計(jì)的折紙結(jié)構(gòu)參數(shù)為a1＝50mm ，a2＝28mm。確定折紙單元參數(shù)后，提供的推進(jìn)力大小僅與出水口面積和收縮速度有關(guān)，而受舵機(jī)驅(qū)動的折紙結(jié)構(gòu)的收縮速度僅與其高度有關(guān)，通過對不同出水口面積和高度的折紙結(jié)構(gòu)進(jìn)行流體仿真，確定折紙結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果建立折紙結(jié)構(gòu)模型，其上部平臺連接進(jìn)水單向閥和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，利用滑塊上下運(yùn)動實(shí)現(xiàn)折紙結(jié)構(gòu)的軸向拉伸和壓縮，下部固定平臺則安裝有出水單向閥。

圖8 折紙機(jī)構(gòu)Fig.8 Model of origami mechanism

此時，折紙結(jié)構(gòu)可提供的最大推進(jìn)力為0.180 2 N。通過CFD仿真獲得設(shè)計(jì)的折紙機(jī)構(gòu)的推進(jìn)速度約為24 mm/s。

設(shè)定偏置曲柄滑塊的偏距為e= 27.0 mm，極位夾角為θ= 55.5°，對應(yīng)行程速比系數(shù)K= 1.890 8，求解運(yùn)動方程后得到折紙結(jié)構(gòu)的曲柄滑塊參數(shù)：

1.2.3 雙驅(qū)動機(jī)構(gòu)協(xié)同性能

柔性鰭條結(jié)構(gòu)和管狀折紙結(jié)構(gòu)分別由對應(yīng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動，其提供的推進(jìn)力分別為0.493 8 N和0.180 2 N，推進(jìn)比例約為2.7︰1，采用同向舵機(jī)使得雙驅(qū)動結(jié)構(gòu)同時進(jìn)入工作行程以保證最大的推進(jìn)效率，能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)高效推進(jìn)。

1.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

自然界中部分水母會通過控制傘體頂部氣囊里的充氣量從而改變運(yùn)動方向，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)通過舵機(jī)帶動2個重物塊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)水母重心的變化[11]，當(dāng)重力與浮力不再共線時，水母將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)趨勢，從而改變傾斜程度和運(yùn)動方向，在一定范圍內(nèi)改變水母的重心位置來模擬水母氣囊內(nèi)充氣量的變化，從而實(shí)現(xiàn)水母在水下全向運(yùn)動的目標(biāo)。

圖10 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)Fig.10 Steering mechanism

圖11 重心調(diào)節(jié)變化圖Fig.11 Adjustment of center of mass

通過配置重物塊的位置、重量，偏轉(zhuǎn)范圍和搖柄長度，得到仿生水母重心的變化圖像，最終確定重物塊的重量為0.935 kg，可調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)半徑約為65 mm。在此基礎(chǔ)上，仿生水母的理論偏轉(zhuǎn)角為44.982 6°，考慮安全系數(shù)為1.5，得到仿生水母實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度約為30°。

2 運(yùn)動控制與趨光感知

2.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仿水母機(jī)器人以STM32F411單片機(jī)作為控制核心，核心運(yùn)算能力較高，可以實(shí)現(xiàn)接受仿生水母的大量傳感數(shù)據(jù)，并對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時且精確的運(yùn)算，從而向運(yùn)動結(jié)構(gòu)發(fā)出指令，控制仿生水母的鰭條結(jié)構(gòu)、折紙結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)仿生水母的上游、下沉、轉(zhuǎn)向等各種運(yùn)動功能。采用容量高達(dá)2 200 mA·h的鋰聚合物電池，可實(shí)現(xiàn)水母的持久續(xù)航。自主設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)包含多個電壓等級，為電氣特性相異的器件提供更多選擇，且系統(tǒng)設(shè)計(jì)了過流、過壓防護(hù)，為水母的穩(wěn)定安全運(yùn)行提供了支持。同時設(shè)計(jì)了電壓實(shí)時檢測電路，以對電路系統(tǒng)的電壓進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測?；谟布橄髮樱℉ardware Abstraction Layer，HAL）開發(fā)一套穩(wěn)定高效的微控制器軟件系統(tǒng)，按照HAL規(guī)范實(shí)現(xiàn)對芯片接口的配置，兼具代碼標(biāo)準(zhǔn)和操作簡便的優(yōu)點(diǎn)，大大提高了開發(fā)效率。軟件設(shè)計(jì)中引入了FreeRTOS微控制器實(shí)時操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)功能的模塊化，即任務(wù)之間相互獨(dú)立，可依據(jù)需求建立對應(yīng)模塊，且可對獨(dú)立的功能模塊進(jìn)行獨(dú)立測試，極大地提高了工作效率。

圖12 電氣控制系統(tǒng)框圖Fig.12 Block diagram of electrical control system

2.2 趨光控制系統(tǒng)

水母擁有一種原始的視覺器官——眼點(diǎn)，它們分布在傘狀體頂部的外緣，可以感知外界環(huán)境的光源，根據(jù)光源變化發(fā)現(xiàn)和避開障礙物?；诖颂匦?，本文在仿生水母的腔體結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)趨光控制系統(tǒng)，使其可以感知外界紅外光線的變化，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法對光源位置進(jìn)行預(yù)測并做出反應(yīng)，即趨光運(yùn)動。

趨光控制系統(tǒng)以集成感光芯片為核心元件，均勻布置在腔體四周，考慮到感光元件的接收角度限制，每隔60°布置一組感光單元以滿足全向感知的要求，采用960 nm的紅外波段作為傳感光源，設(shè)計(jì)陣列光源結(jié)構(gòu)以抵抗水下光源的衰減，并且在腔體結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)暗室以排除干擾光源的影響，在光源進(jìn)口處安裝紅外濾波膜片排除非傳感光源的影響。

針對光源位置預(yù)測偏差，采用支持向量機(jī)、Logistic回歸、CART決策樹和K–近鄰算法模型4種機(jī)器學(xué)習(xí)方法處理傳感數(shù)據(jù)，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理后得到4種模型的準(zhǔn)確率、ACU和學(xué)習(xí)曲線，對比后最終選擇支持向量機(jī)模型。

對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行超參數(shù)優(yōu)化與模型訓(xùn)練，經(jīng)過訓(xùn)練后的模型位置檢測成功率高達(dá)90%，在Near-Miss算法生成的欠采樣測試數(shù)據(jù)集上，對于單個扇形區(qū)域進(jìn)行預(yù)測時，得到的概率曲線下所對應(yīng)的面積值高達(dá)0.983 6，證明了該算法在光源位置預(yù)測中具有較高的準(zhǔn)確性。

將光電傳感系統(tǒng)的感知功能應(yīng)用于自身的運(yùn)動控制，當(dāng)仿生水母未檢測到外界有效光源時，重物塊僅采用微調(diào)方法以使水母保持豎直平衡，只在豎直方向進(jìn)行上游和下沉運(yùn)動；當(dāng)仿生水母檢測到外界紅外光源時，機(jī)器學(xué)習(xí)算法模型控制重物塊偏向光源以改變水母運(yùn)動方向，并結(jié)合鰭條和折紙結(jié)構(gòu)的驅(qū)動實(shí)現(xiàn)水母的趨光運(yùn)動。

圖13 趨光運(yùn)動Fig.13 Schematic diagram of phototaxis motion

3 樣機(jī)研制與測試

3.1 樣機(jī)研制

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，綜合考慮力學(xué)性能、材料性質(zhì)、制作成本等因素選擇制造材料，鰭條結(jié)構(gòu)既要滿足剛度要求，又要通過變形產(chǎn)生推進(jìn)力，因此選擇TPU 95A材料。而對于折紙結(jié)構(gòu)的折痕變形過程則利用軟膠翻模的方法進(jìn)行制造，非受力桿件采用輕質(zhì)空心鋁合金制造，受力傳動桿件則采用剛度更好的不銹鋼材料，具體材料選擇如表1。

表1 仿生水母制造材料表Table 1 Manufacturing materials

圖14 仿生水母實(shí)體Fig.14 Bionic jellyfish

選定合適材料后，采用3D打印和翻模注塑制造水母實(shí)體，其主要技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 仿生水母主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of bionic jellyfish

3.2 測試實(shí)驗(yàn)

分別對仿生水母的雙驅(qū)動推進(jìn)運(yùn)動和趨光感知功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，水下實(shí)驗(yàn)在半徑1 m、深度1.5 m的圓柱形水池中進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：仿生水母運(yùn)行穩(wěn)定，采用的撲動–噴射雙驅(qū)動推進(jìn)模式相比于單一推進(jìn)模式具有更高的綜合推進(jìn)效率，運(yùn)行速度相較于采用單擺動推進(jìn)的驅(qū)動方式提升約25%，證明了本文設(shè)計(jì)的雙驅(qū)動結(jié)構(gòu)是一種高效的推進(jìn)方式，仿生水母綜合性能如下：

1）仿生水母總重為8.4 kg，浮力為8.35 kg，浮力略小于重力，可在水中自主緩慢下沉；

圖15 雙驅(qū)動推進(jìn)實(shí)驗(yàn)Fig.15 Dual drive propulsion experiment

圖16 趨光運(yùn)動實(shí)驗(yàn)Fig.16 Phototaxis experiment

2）最大偏轉(zhuǎn)角度為30°，可實(shí)現(xiàn)水下環(huán)境中的全方位運(yùn)動以及穩(wěn)定的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，同時具有較高的靈活性；

3）總推力為0.674 N，相比于單擺動驅(qū)動方式增加約36%，最快游動速度達(dá)100 mm/s，在水下能夠?qū)崿F(xiàn)快速持續(xù)推進(jìn)；

4）通過均勻布置光電傳感器實(shí)現(xiàn)了對光源的識別追蹤，且在水下能夠通過轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)定向光源，通過驅(qū)動結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)趨光運(yùn)動，識別距離約為0.3 m，響應(yīng)時間約為2 s。

4 結(jié)束語

本文以水母為仿生對象，提出了一種柔性鰭條撲動與折紙結(jié)構(gòu)噴射的雙驅(qū)動仿生水母，有效提升了水母推進(jìn)力和推進(jìn)效率，仿水母眼點(diǎn)特性。通過優(yōu)化陣列設(shè)計(jì)一種趨光控制系統(tǒng)，可自主實(shí)現(xiàn)在水下朝向光源運(yùn)動，通過樣機(jī)試制與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出的雙驅(qū)動機(jī)構(gòu)及趨光運(yùn)動的可靠性。隨著水下通信技術(shù)不斷發(fā)展，搭載有水下通信系統(tǒng)的仿生水母將在深海探測、資源勘探、洋流能利用等技術(shù)領(lǐng)域[12]發(fā)揮出重要作用。