新型仿生牧漁機(jī)器人

摘 要：為解決傳統(tǒng)水下機(jī)器人的高噪聲及其螺旋槳在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生多余的渦流和熱量的問(wèn)題，研發(fā)出一款能耗小、對(duì)環(huán)境友好、適合于多種環(huán)境的新型仿生牧漁機(jī)器人。建立了12個(gè)舵機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)仿生魚(yú)鰭的數(shù)學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過(guò)分析舵機(jī)扭矩、舵機(jī)臂長(zhǎng)、舵機(jī)擺放位置、魚(yú)鰭材質(zhì)、魚(yú)鰭形狀比例等參數(shù)，提出了最優(yōu)的推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，使得仿生牧漁機(jī)器人相比于傳統(tǒng)水下機(jī)器人具有更高的效率，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該類(lèi)推進(jìn)機(jī)構(gòu)的技術(shù)空缺。

關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人；仿生牧漁機(jī)器人；推進(jìn)機(jī)構(gòu)；AI

1 作品介紹

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的“魔鬼魚(yú)”仿生機(jī)器人模型如圖1所示。

針對(duì)該仿生機(jī)器人，建立了12個(gè)舵機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)仿生魚(yú)鰭的數(shù)學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型?；诙喽鏅C(jī)聯(lián)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)，該機(jī)器人可根據(jù)舵機(jī)臂的擺動(dòng)形式使橡膠魚(yú)鰭產(chǎn)生不同的波動(dòng)模式?？紤]到波動(dòng)推進(jìn)模式的多樣性與復(fù)雜性，通過(guò)多個(gè)舵機(jī)聯(lián)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同頻率和振幅的波推進(jìn)模式。將12個(gè)25 kg的防水舵機(jī)對(duì)稱布局，一邊各6個(gè)等距放置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)橡膠魚(yú)鰭的驅(qū)動(dòng)。舵機(jī)的固定端與殼體上設(shè)計(jì)的卡扣相連接，舵機(jī)的輸出軸端部固定有連接臂，位于機(jī)體同一側(cè)的若干個(gè)連接臂呈波浪形布置。

考慮了性能與負(fù)重的關(guān)系，仿生魚(yú)鰭部分采取了最適合的形狀以及邊長(zhǎng)比例?？紤]到魚(yú)鰭部分需兼具一定的彈性與強(qiáng)度，選取了2 mm厚度的普通橡膠作為仿生材料。2個(gè)橡膠鰭板分別鉸接在機(jī)體的兩側(cè)，位于機(jī)體同側(cè)的若干個(gè)連接臂分別與機(jī)體同側(cè)的鰭板固定連接。同時(shí)基于對(duì)魟魚(yú)的仿生度與美觀度要求，將橡膠魚(yú)鰭剪裁成半圓弧狀，中間寬、兩側(cè)窄。由于波動(dòng)時(shí)鰭板會(huì)產(chǎn)生波狀形變，因此在設(shè)計(jì)連接時(shí)將連接臂的間隔設(shè)置為70 mm，而將鰭板上的連接部位間隔設(shè)置為90 mm，以適應(yīng)相隔舵機(jī)擺動(dòng)相位不同時(shí)鰭板的伸長(zhǎng)量。

2 技術(shù)原理

2.1 流體力學(xué)原理

首先對(duì)“魔鬼魚(yú)”的計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，由于舵機(jī)開(kāi)口處與排水孔不是本項(xiàng)目研究的主要問(wèn)題，從簡(jiǎn)化計(jì)算和研究主要問(wèn)題的角度出發(fā)，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖2所示。然后，對(duì)外流場(chǎng)進(jìn)行建模，考慮到“魔鬼魚(yú)”整體體積偏大，為保證尾流充分發(fā)展并保證運(yùn)算精度，采取“前四后八”原則，將“魔鬼魚(yú)”外殼置于外流場(chǎng)前部分，如圖3所示。

在完成外流場(chǎng)與“魔鬼魚(yú)”分析模型的建模與優(yōu)化后，將2個(gè)模型進(jìn)行合并并輸出為Parasolid（*x_t）格式，再導(dǎo)入Ansys Fluent軟件中。

考慮到影響“魔鬼魚(yú)”外殼整體流體性能的部分為“魔鬼魚(yú)”外殼前曲面部分，因此在多種方案對(duì)比分析中，僅改變“魔鬼魚(yú)”前外殼連接處的曲率大小，通過(guò)SolidWorks中的曲面與曲線命令實(shí)現(xiàn)多種方案的建模。其優(yōu)化原則為：首先設(shè)置大范圍間隔，經(jīng)過(guò)多次分析計(jì)算確定中心數(shù)值，再設(shè)置小間隔，最終求解出優(yōu)秀的外殼設(shè)計(jì)方案。同時(shí)考慮到工程效率、實(shí)用性等方面，并不刻意追求絕對(duì)符合流體動(dòng)力學(xué)性能的外殼。最終設(shè)計(jì)出邊界曲率分別為100 mm、125 mm、150 mm、175 mm、200 mm共5組分析模型。

在對(duì)“魔鬼魚(yú)”機(jī)器人模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的過(guò)程中，需要研究的主要問(wèn)題為“魔鬼魚(yú)”外殼前部分曲率對(duì)其流體性能的影響，此時(shí)忽略其所受的形變，將其視為剛體。將網(wǎng)格劃分為3個(gè)部分：外部流場(chǎng)、“魔鬼魚(yú)”外殼前部分、“魔鬼魚(yú)”外殼其余部分。同時(shí)考慮到“魔鬼魚(yú)”外殼前部分為曲面結(jié)構(gòu)，較為復(fù)雜，因此采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并對(duì)“魔鬼魚(yú)”外殼前部分進(jìn)行局部加密，在多種方案下生成的網(wǎng)格數(shù)目均為315萬(wàn)左右。最終通過(guò)網(wǎng)格質(zhì)量檢查驗(yàn)證其質(zhì)量屬于較好層次，保證分析的精確度。

完成上述工作后在Ansys Fluent中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，考慮到本文的分析為穩(wěn)態(tài)分析，計(jì)算雷諾數(shù)，設(shè)置湍流模型為平流模型，壓力速度耦合方程組求解方法設(shè)置為Simple，欠松弛因子設(shè)置為默認(rèn)。

邊界曲率分別為100 mm、125 mm、150 mm、175 mm、200 mm時(shí)的靜壓云圖如圖4所示。針對(duì)上述5次分析結(jié)果的最大靜壓值使用繪圖軟件進(jìn)行曲線繪制，如圖5所示。

由此可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)連接處曲率設(shè)置為175 mm時(shí)，外殼具有較好的流體動(dòng)力學(xué)性能。因此將175 mm設(shè)置為中心數(shù)值，以5 mm為間隔，設(shè)置連接處曲率分別為170 mm和180 mm，再次進(jìn)行靜壓分析，結(jié)果如圖6所示。

綜上所述，本文利用流體仿真分析軟件Ansys Fluent對(duì)“魔鬼魚(yú)”仿生機(jī)器人的外殼在流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的壓力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，通過(guò)對(duì)比分析不同邊界曲率下的數(shù)據(jù)，綜合考慮工程效率、實(shí)用性等方面，可以得出：當(dāng)連接處曲率為175 mm時(shí)外殼具有相對(duì)較優(yōu)的流體動(dòng)力學(xué)性能。

2.2 電子技術(shù)原理

“魔鬼魚(yú)”仿生機(jī)器人的體積小，主要用于完成勘測(cè)工作，如水文信息收集、軍事探測(cè)等。因此，添加了包覆式保護(hù)框架，防撞能力較強(qiáng)；采用仿生魚(yú)鰭波推進(jìn)方式，設(shè)備推力大，抗流能力強(qiáng)；同時(shí)搭載機(jī)械爪，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的抓取。操控手發(fā)出的信號(hào)通過(guò)纜線到達(dá)RS 485通信模塊，STM32接收到來(lái)自RS 485的信號(hào)并解算后控制機(jī)械爪上的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的抓取。

“魔鬼魚(yú)”仿生機(jī)器人上搭載了多種傳感器，可用于水下環(huán)境監(jiān)測(cè)以及實(shí)時(shí)觀查水下情況。選用的傳感器體積小，易于穿過(guò)各種復(fù)雜地形，旋轉(zhuǎn)靈活，拍攝清晰，能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)及健康狀況。另外機(jī)器人內(nèi)置有溫度傳感器、水深傳感器、水中溶解氧傳感器、酸堿度傳感器、濁度傳感器以及水中溶解性固體檢測(cè)傳感器等多種傳感器，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)水體多項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

溫度傳感器采用防水型溫度探頭傳感器XH-T106，其檢測(cè)精度為1%，檢測(cè)范圍為-50～105 ℃。水深傳感器使用MS5837高精度I2C接口壓力傳感器，水深測(cè)量分辨率達(dá)2 mm。水中溶解氧傳感器采用電化學(xué)氧氣傳感器40XV ME2-02。模組將電化學(xué)氧氣傳感器輸出的模擬信號(hào)放大后，送入STM32單片機(jī)ADC采集端口，經(jīng)過(guò)STM32單片機(jī)內(nèi)部處理，計(jì)算出水中的氧氣濃度。模組使用高精度運(yùn)放AD86xx放大電路，集成ARM CortexMO 32位ADC采樣，采用串口方式輸出氧氣的體積分?jǐn)?shù)，可通過(guò)串口標(biāo)定校準(zhǔn)輸出值，波特率為115 200。水中酸堿度傳感器的pH檢測(cè)范圍為0～14，工作溫度范圍為-55～125 ℃，功耗小于0.2 W。該傳感器通過(guò)與 DS18B20溫度傳感器的連接實(shí)現(xiàn)對(duì)液體溫度的讀取，并與單片機(jī)或上位機(jī)進(jìn)行通信對(duì)各溫度下的液體pH值進(jìn)行校正。水中濁度傳感器是利用光學(xué)原理，通過(guò)液體溶液中的透光率和散射率來(lái)綜合判斷濁度情況，濁度值是漸變量，通常在動(dòng)態(tài)環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)，并且傳感器采集的濁度值需要外接控制設(shè)備進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。該傳感器的工作電壓為DC 5V；工作電流為15 mA，響應(yīng)時(shí)間小于500 ms，工作溫度范圍為-30～80 ℃。水中溶解性固體檢測(cè)傳感器是通過(guò)電導(dǎo)率采集電路中的信號(hào)，對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)量采用頻率法，就是把電極和待測(cè)溶液的等效電阻作為一個(gè)多諧振蕩電路的阻抗元件，將待測(cè)溶液的電導(dǎo)率變化轉(zhuǎn)化為多諧振蕩電路的輸出頻率。以總?cè)芙夤腆w（Total Dissolved Solids， TDS）作為水質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，TDS值越高，表示水中含有的溶解物越多，水越不潔凈。雖然在特定情況下TDS并不能有效反映水質(zhì)的情況，但目前還是可以作為一種可以快速檢測(cè)水質(zhì)的參數(shù)。該傳感器的工作電流為10 mA，TDS測(cè)量范圍為0～2 000 ppm，測(cè)量精度為±5%。TDS值計(jì)算公式：TDS（高8位）×256+TDS（低8位）；溫度值計(jì)算公式：[溫度（高8位）×256+溫度（低8位）]/10。

機(jī)器人的水下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)及輔助系統(tǒng)3大部分組成。其中，控制系統(tǒng)主要包括主控制器、從控制器、深度計(jì)、攝像頭、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器等。控制系統(tǒng)代碼邏輯如圖7所示。主控制器為Raspberry Pi，其主要用于圖像信息處理，并存儲(chǔ)六軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)；從控制器為Pixhawk。Pixhawk具有板載的陀螺儀、加速度計(jì)、指南針，用于感知設(shè)備的狀態(tài)，采集傳感器信息，控制推進(jìn)器、燈光、舵機(jī)等，調(diào)整橡膠魚(yú)鰭的擺動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)聯(lián)合六軸加速度傳感器與深度計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)整舵機(jī)運(yùn)行，從而保障機(jī)器的實(shí)際工作狀況穩(wěn)定。動(dòng)力系統(tǒng)包括電源、舵機(jī)、橡膠魚(yú)鰭，為機(jī)器人移動(dòng)等各種活動(dòng)提供動(dòng)力。整個(gè)系統(tǒng)的自主作業(yè)流程如圖8所示。

控制系統(tǒng)的硬件包括電池、舵機(jī)、舵機(jī)板、手柄、手柄接收器和紅外傳感器，再經(jīng)過(guò)上位機(jī)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的運(yùn)動(dòng)控制。選用容量為4 200 mA·h的電池保證續(xù)航，選用配套的24路舵機(jī)控制板。手柄及手柄連接器通過(guò)藍(lán)牙模塊保證機(jī)器的遠(yuǎn)程控制。紅外傳感器模塊選用漫反射光電開(kāi)關(guān)傳感器E18-D80NK，探測(cè)距離遠(yuǎn)，受可見(jiàn)光干擾小，易于裝配，支持機(jī)器人避障。

2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸基本原理

在網(wǎng)絡(luò)傳輸層面，將復(fù)雜的傳輸過(guò)程分為一個(gè)個(gè)層次模塊。模塊內(nèi)部接收上一層傳遞的信息并進(jìn)行處理，處理結(jié)束后傳遞到下一層。

應(yīng)用層協(xié)議定義了運(yùn)行在不同端系統(tǒng)上的應(yīng)用進(jìn)程如何相互傳遞報(bào)文。將協(xié)議標(biāo)識(shí)的首部字段加在報(bào)文的首部，然后隨報(bào)文發(fā)送而發(fā)送。檢測(cè)時(shí)，取下首部字段，按協(xié)議要求將數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送給首部字段對(duì)應(yīng)的Socket即可。這樣報(bào)文就可以攜帶協(xié)議信息并保證被檢測(cè)到。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目運(yùn)用反卡門(mén)渦街原理，由胸鰭擺動(dòng)產(chǎn)生平移波形成前進(jìn)的推力，通過(guò)改變鰭面產(chǎn)生的行波波形、波頻、波長(zhǎng)和波傳播方向等要素來(lái)控制推力的大小和方向，從而模擬魚(yú)類(lèi)的波推進(jìn)模式，由此提供了一種有效的動(dòng)量和能量的傳遞方式。該仿生機(jī)器人在高速巡游過(guò)程中加速性能好，能量利用效率高，與傳統(tǒng)的槳式推進(jìn)模式相比，可以降低30%的能耗損失，提高40%的推進(jìn)效率，具有高效、靈活、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

本項(xiàng)目采用了3D打印技術(shù)，將設(shè)計(jì)思想快速驗(yàn)證和迭代，使得零件生產(chǎn)和優(yōu)化更加高效；使用了PLA的打印材料，對(duì)外殼進(jìn)行一體化打印。在保證了高強(qiáng)度的前提下，不僅實(shí)現(xiàn)了低成本制造，還實(shí)現(xiàn)了高精度生產(chǎn)；無(wú)需加工方面的機(jī)械和磨具，節(jié)約成本，也方便了機(jī)器的安裝；同時(shí)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，順應(yīng)了節(jié)能環(huán)保的號(hào)召，保證了機(jī)器的強(qiáng)度，提升了機(jī)器的可操縱性，減少了實(shí)際的體積和質(zhì)量，提升了制作效率，同時(shí)減少了制作成本。

在選擇仿生魚(yú)鰭材料時(shí)，我們對(duì)多種環(huán)保材料從魚(yú)鰭剛度、延展性以及游動(dòng)性能等方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，最終選擇使用新型混合材質(zhì)橡膠材料，使得仿生魚(yú)鰭具有良好的柔性，能夠在跟隨構(gòu)件擺動(dòng)的基礎(chǔ)上最大限度地保證魚(yú)鰭表面連續(xù)性，減少湍流的產(chǎn)生，以此獲得優(yōu)良的流體動(dòng)力學(xué)特性；還具有足夠的強(qiáng)度，通過(guò)改變仿生魚(yú)鰭的偏轉(zhuǎn)角度，魚(yú)鰭便可以將整個(gè)機(jī)器支撐在地面上，通過(guò)周期性正弦波動(dòng)式推進(jìn)方式，實(shí)現(xiàn)在陸地、雪地、灘涂等多地形復(fù)雜環(huán)境下靈活移動(dòng)。

4 市場(chǎng)前景

仿生牧漁機(jī)器人作為魚(yú)類(lèi)推進(jìn)機(jī)理和機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)，為研制新型水下航行器提供了一種新思路。該機(jī)器人將在復(fù)雜危險(xiǎn)的水下環(huán)境作業(yè)、軍事偵察、水下救援、海洋生物觀察、考古等方面發(fā)揮重要作用，主要用于水下勘測(cè)、生物檢測(cè)，助力實(shí)現(xiàn)智能化生物研究。我們通過(guò)采用柔性魚(yú)鰭和梭形艙體，使該機(jī)器人相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器人而言對(duì)地形受限較小，可以穿梭于一些水下狹縫進(jìn)行物資運(yùn)輸。在一些水草叢生、水層較淺的復(fù)雜水域，水下機(jī)器人也可用于船體清潔檢測(cè)、船底探查、船體檢修等。除此之外，水下機(jī)器人還可用于航道排障、港口作業(yè)等。在較為平坦的城市道路、積雪深厚的雪地、碎石遍布的野外山地，該機(jī)器人也可用于道路檢測(cè)、野外搜尋救援等。雖然目前消費(fèi)級(jí)的水下機(jī)器人都偏向于小型化，功能也較簡(jiǎn)單，但未來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展，水下機(jī)器人會(huì)像服務(wù)機(jī)器人一樣，增加更多的類(lèi)人功能，協(xié)助人類(lèi)在水下進(jìn)行工作。

按照目前情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)的大部分商用仿生機(jī)器人都處于起步階段，無(wú)論是技術(shù)還是市場(chǎng)環(huán)境，都還有很長(zhǎng)的一段路要走。雖然市場(chǎng)規(guī)模沒(méi)有服務(wù)機(jī)器人大，但是在上面提及的幾大應(yīng)用領(lǐng)域還是有巨大市場(chǎng)機(jī)會(huì)。隨著政府對(duì)海洋開(kāi)發(fā)力度的加強(qiáng)，相信在政策上也會(huì)給仿生機(jī)器人行業(yè)提供更多的扶持。未來(lái)，仿生機(jī)器人將會(huì)成為繼水下機(jī)器人之后又一個(gè)潛力巨大的發(fā)展行業(yè)。我們的產(chǎn)品將為仿生機(jī)器人的發(fā)展提供新的視角，發(fā)揮不可忽視的力量。