基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人设计

闫勇程，王扬威，兰博文，赵东标

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

0 引言

进入新世纪以来，人类开发海洋资源的步伐不断加快，各种新型水下探测机器人应运而生。传统的基于螺旋桨的水下推进器，在推进过程中会产生侧向涡流，降低推进效率，并且会产生较大的噪声，桨叶易被水草缠绕，对环境扰动较大。而在长期的自然选择与遗传进化中，海洋生物拥有了优异的水下运动能力，为水下机器人的研究提供了设计灵感。基于生物推进方式的仿生水下机器人在游动机动性、游动效率以及环境扰动等方面具有较大的优势[1-2]，国内外研究人员根据鱼类的游动推进方式已经研究出了多种水下仿生机器人[3-9]。

目前鱼类的运动推进模式主要分为2种：身体/尾鳍(body and/or caudal fin，BCF)推进模式和中央鳍/对鳍(median and/or paired fin，MPF)推进模式[10-11]。BCF推进模式仿生机器鱼最早问世[1]，MPF推进模式仿生机器鱼起步较晚，但由于在低速游动下，推进效率、机动性、稳定性较BCF模式更为出色[12]，更适应水下搜救、环境监测、资源勘查、军事侦察等水下复杂环境下的作业任务。

本文从鳐科鱼类魟鱼的胸鳍波动运动中获得灵感，基于胸鳍波动推进运动的生物学特征分析和运动学模型[6-9]，提出一种环状胸鳍波动推进仿生水下机器人的结构与控制系统设计方案，并通过游动试验验证了设计的合理性，展示了环状胸鳍波动推进方式的优良机动性与稳定性。

1 仿生原型的生物学特征分析与运动学建模

魟鱼是一种典型的以MPF模式推进的底栖型鱼类，身体扁平，呈圆盘状，拥有宽大的胸鳍、臀鳍及细长的尾鳍，如图1所示。魟鱼依靠柔性胸鳍的波动运动实现直线游动和机动转弯，游动时身体基本不随胸鳍的波动而晃动，拥有优异的游动稳定性和机动性。

魟鱼胸鳍由沿身体周向分布的肋软骨支撑，在软骨两侧对称分布的肌肉纤维差动拉动作用驱动下，鳍面可形成不同的推进波形以适应运动的要求和流场的变化。整个胸鳍的波形近似是沿胸鳍周向的谐波，其运动可简化为由局部肋软骨和肌肉纤维构成的鳍面单元的柔性弯曲运动在不同相位差拟合的条件下形成的[13-14]。

图1 珍珠魟

为了描述魟鱼胸鳍的波动柔性鳍面，建立了随体坐标系OBXBYBZB和鳍面单元坐标系OFXFYFZF，如图2所示。随体坐标系的原点位于魟鱼体盘的中心，鳍面单元坐标系的原点位于每个鳍面单元的基点，OFXF方向为沿鳍面单元的长度方向。在忽略鳍面厚度的情况下，胸鳍可简化成围绕在身体周围的无厚度环形面，且胸鳍的波动运动沿OBXB轴对称；鳍面可看成是由绕OBZB轴均布的鳍面单元构成，鳍面单元的运动为绕鳍面单元坐标系OFYF的周期摆动运动。

图2 魟鱼胸鳍鳍面坐标系

依据建立的坐标系及相关简化假设，可计算出任意第i个鳍面单元上的任意点P在随体坐标系中的坐标：

FPi=[lcosθ,0,lsinθ]Tl∈[0,L]

(1)

根据齐次坐标变换，鳍面单元坐标系相对于随体坐标系的变换矩阵为：

(2)

其中，φ为鳍面单元坐标系坐标轴OFXF与随体坐标系OBXB轴所成的夹角。

所以P在随体坐标系中的齐次坐标可表示为：

(3)

根据假设，第i个鳍面单元的摆角运动规律设为：

θi(t)=θmax(i)sin(2πfit-φi)

(4)

其中，θmax(i)为第i个鳍面单元的最大摆角；fi为第i个鳍面单元的摆动频率；t为运动时间；φi为第i个鳍面单元的初始相位。

为进一步简化工程实际应用，对式(4)做进一步简化，假设所有鳍条的最大摆角相同，即θmax(i)=θmax；所有鳍条的摆动频率相同，即fi=f；鳍条初始相位φi随鳍条编号i线性变化，表示为：

(5)

其中，n为一侧胸鳍的波数；N为一侧胸鳍的鳍面单元总数，φ0为鳍面单元的初始相位。则公式(4)变为：

(6)

2 环状长鳍波动推进仿生水下机器人设计

2.1 仿生水下机器人总体结构设计

环状长鳍波动推进仿生水下机器人(图3)由上壳体、下壳体、端盖、环形长鳍、沉浮模块、姿态控制模块、控制电路、电池和配重组成。环形长鳍是仿生水下机器人的推进装置，其结构包括伺服舵机、碳纤维鳍条和柔性鳍膜(图4)，而碳纤维鳍条用于模拟魟鱼胸鳍的鳍面单元，通过伺服舵机带动鳍条的周期摆动运动来使整个环形鳍面形成规律的波动运动，鳍条总数为20个，且沿圆周均布，柔性鳍膜材质为硅胶材质。下壳体是仿生水下机器人的安装基体，舵机、电池、配重、姿态控制模块和电路都安装在下壳体上，并且在下壳体中心部位设计有静态沉浮模块。上壳体与下壳体贴合安装并进行涂胶密封后形成仿生水下机器人的壳体结构，上、下壳体及端盖是由光敏树脂3D打印而成。端盖与上壳体之间通过螺钉相连，采用胶圈密封方式来实现机器人内部的密封，端盖便于拆装，用于仿生机器人的电池充电和系统维护。沉浮模块(图5)用于控制仿生机器人在水中的静态下沉和上浮，采用活塞式结构，通过步进电机带动丝杠旋转推拉活塞实现从外界环境吸入和向外界排除水，从而改变机器人自身的质量，达到仿生机器人的沉浮目的。姿态控制模块由沿仿生机器人周向均布的4个滑台机构组成，每个滑台上安装有质量块，通过4个位置的质量块移动实现质心调节。控制电路是机器人的中央控制器，实现运动指令的接收和各功能模块的动作。配重被用于平衡机器人的浮力，确保在沉浮模块未吸入水的情况下，仿生机器人能基本弯曲浸入水中。

图3 仿生水下机器人结构图

图4 环形鳍面结构

图5 沉浮模块结构

2.2 仿生水下机器人控制系统设计

仿生水下机器人的控制系统(图6)包括：上位机、无线通信模块、主控模块和运动控制模块。上位机通过USB与无线信号发射板连接，将运动控制指令传送至仿生机器人。无线通信模块由一对无线发射和接收电路组成，实现指令参数的传输。主控模块由一块STM32F103RC单片机、超声波传感器、水压传感器及姿态传感器组成，主要功能是将上位机的运动指令进行解析，将具体鳍波动参数传输至运动控制模块，同时通过超声、水压和姿态传感器来实时感知仿生水下机器人的运动状态参数。运动控制模块由一块STM32F103VE单片机构成，其功能是依据主控模块的运动参数，将具体控制量输出给伺服舵机，以及沉浮模块和姿态控制模块中的步进电机。

图6 控制系统电路原理框图

图7为环形长鳍波动推进仿生水下机器人样机。样机最大直径为460mm，高124mm，整个实物样机质量为10.8kg。

3 仿生水下机器人游动试验

为了研究环形长鳍推进仿生水下机器人的游动性能，分别进行了直线游动、转弯游动和浮潜游动试验。

仿生水下机器人直线游动时，采用沿游动推进方向两侧胸鳍对称波动的方式，单侧鳍面波数1.25，鳍条最大摆角为20°，频率为0.8 Hz。由图8所示的直线巡游游动图像序列，可以看出该仿生水下机器人依靠圆环形长鳍的波动运动，实现了与魟鱼胸鳍相似的柔性波动运动，表现出非常好的游动稳定性，游动速度达到45 mm/s。

仿生水下机器人的原地机动转向是通过完整环形鳍面呈现2个周期完整波形，行波方向绕机体往一个方向传播，以此来推动机器实现机动转弯游动。图9为仿生水下机器人原地顺时针机动转弯游动的图像序列。此时鳍条最大摆角为20°，频率为0.8Hz，转向速度约为42.8°/s。试验研究表明，仿生样机在转向的过程中转弯半径极小，机器人在水中的位置几乎没有偏移，并且整个样机的运动也表现得非常平稳。

仿生水下机器人不仅能通过沉浮模块来实现静态的下潜和上浮，还能通过控制仿生样机内部质心调整机构，实现样机质心的偏移，从而使整个仿生样机的前进方向与水平面成一定攻角，再配合游动速度来实现动态的浮潜。这种运动有利于游动过程中实时的姿态调整。图10和图11分别为仿生水下机器人动态下潜和上浮游动，此时下潜、上浮的攻角约为25°，鳍条最大摆角为30°，游动频率为1Hz。

图10 仿生样机下潜游动

图11 仿生样机上浮游动

4 结语

本文在分析魟鱼生物原型形态学与运动学的基础上，设计了一种与魟鱼胸鳍波动运动相似的环形长鳍波动推进仿生水下机器人，并研制了样机。通过直线巡游、机动转弯和动态下潜与上浮的试验研究，验证了仿生水下机器人推进的有效性。环形长鳍波动推进方式为仿生水下机器人提供了一种稳定性好、机动性高的推进策略，能实现水下六自由度的游动运动，以后还将进一步研究环形长鳍波动推进器的水运力学问题，为未来高性能水下机器人的开发提供了一种新型的推进方案。

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