一种软体仿金枪鱼机器人方案设计及分析

赵冬生，张 禹，李延斌，赵文川，王 宁

(沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

0 引言

近年来，随着仿生学和软体材料的发展，科学家借鉴自然界中鱼类的运动原理，利用硅橡胶材料的超弹性特征，在软体驱动器设计中涌现了不同驱动方式的仿生机器人。由于软体机器人本身用硅橡胶材料制成，具有高度多变能力和无限自由度[1]。与传统刚性仿生机器鱼相比，软体机器人结构更加多变，且制造成本低，控制方法简单可靠，软体仿生鱼类机器人无论在外形还是游动方式上与自然界的鱼类完全相同，对海洋生态的影响很小[2]。

目前主流软体仿生机器人有英国埃塞克斯大学(University of Essex)的Liu等人研制了MT系列和G系列的软体仿生鱼类机器人，G系列软体仿生鱼类实现了峰值转速130度每秒，平均转速70度每秒的较好转向性能[3]。MIT的Marchese等人研制了一款采用流体高弹性驱动器(fluidic elastomer actuators，FEAs)的软体仿生鱼机器人，该机器鱼在S形起动实际的实验中，展现了软体鱼较高的机动性能[4]。国内中科院自动化所在对鱼类深入观察的基础上，开发了多种软体仿生鱼类机器人[5]。

本文借鉴自然界“游泳冠军”金枪鱼高效运动特点，设计了一种以气动驱动的软体仿金枪鱼机器人。根据尾部气腔内的气体压力变化而使尾部产生不同程度的变形，以改变频率和弯曲角度，来实现多种游动模式。

1 金枪鱼推进方式分析

1.1 金枪鱼推进模式分析

金枪鱼模式游动鱼类前2/3身体部分基本是不产生推进动力，且后身体部分的摆动也有限，在尾柄处达到最大幅度，如图1所示。细小的尾柄带动尾鳍一起运动，尾鳍提供了90%以上的游动推力[6]。因此，如今很多有关研究关注金枪鱼模式，许多仿鱼类水下推进装置也采用金枪鱼模式鱼类的外形[7]。

图1 金枪鱼推进模式

1.2 金枪鱼尾鳍推进机理分析

在T=0 s时刻，尾鳍没有运动，两侧无水流还没有产生波动；在T=0.01 s时，尾部肌肉带动尾鳍开始摆动，在该时刻尾鳍向逆时针摆动击打水流，尾鳍上面水压变大，下面水压变小。

T=0.375 s时，摆动尾鳍使摆幅达到峰值，在经过峰值位置后，尾鳍变为顺时针方向摆动。

T=0.75 s时，当产生的第二个漩涡完全脱离尾鳍，这时鱼尾摆幅到中间位置，尾鳍水压髙低压区域再次发生变化。

T=1.125 s时，由尾鳍所在前端低压区开始产生贴身涡流。T=1.12 s时逐渐脱离，该时刻的漩涡旋转方向变成顺时针方向。完成一个周期的运动。

图2 金枪鱼尾鳍一周期运动

2 软体仿金枪鱼机器人结构设计

基于上述对金枪鱼推进机理分析，本文设计了一种以气动驱动的软体仿金枪鱼机器人来模拟金枪鱼的运动，其结构如图3所示。主要由3部分组成，详细介绍如下。

图3 整体结构模型

2.1 尾部变腔驱动器结构设计

软体仿金枪鱼机器人尾部变腔驱动器单侧采用2个独立气腔，用于实现软体机器人的多种运动模式。该尾部变腔驱动器由气压驱动，根据充入气腔内气压压力不同产生不同的弯曲变形角度。为了产生足够的推力，尾翼被添加在软体仿金枪鱼机器人的末端。尾翼采用金枪鱼特有的月牙形，这种翼型相对较为柔软，经常在水的阻力作用下被动地弯曲，再增加推进力的同时，又能减小侧向力，摆动对重心影响也非常小。

单侧采用2个独立长度不同气腔设计变腔驱动器来制作软体仿金枪鱼尾鳍，不仅更好的符合金枪鱼骨骼的特征，也能够是实现巡游、转弯、快速应急游动的多种模式。

该软体仿金枪鱼机器人尾部结构主要分为3部分：1)左侧变腔驱动器有一大一小2个独立气腔，大气腔有12个连通气囊，小气腔有4个连通气囊；2)位于中间封闭气腔的约束层；3)右侧变腔驱动器有一大一小2个独立气腔，大气腔有12个连通气囊，小气腔有4个连通气囊，具体结构如图4。各部位尺寸数值如表1。

图4 尾部设计模型

表1 尾部设计参数

2.2 前身结构设计

软体仿金枪鱼机器人的前身采用硅胶材料，前身做成空腔，来实现平衡前后质量，方便气管在软体仿金枪鱼机器人内部走线，在重心位置增加重心机构，改变密度，增加下沉重力，前身结构设计主要由3部分组成：1)硅胶外壳；2)传感器固定结构；3)重心结构。模型参数如图4、表2所示。其中硅胶外壳为通气结构和重心结构提供密闭空间；通气结构是为尾部驱动器提供通气管道，保证气泵通气时气体通过无阻碍；重心结构改变浮心和软体仿生机器人的密度来确保仿金枪鱼机器人能定深。

图5 前身结构模型

表2 前身结构参数

2.3 平衡鳍结构设计

在软体仿金枪鱼机器人游动时，尾部变腔驱动器的往复运动会使软体仿金枪鱼机器人的本体发生旋转，故应加一些平衡机构进行抑制。软体仿金枪鱼机器人增加第二背鳍与臀鳍以平衡尾鳍推进是对本体产生的力矩；增加胸鳍以提高俯仰控制性能，通过增大第二背鳍与臀鳍，可以平衡胸鳍；第一背鳍用来增加偏航控制性能。

图6 各平衡鳍结构模型

表3 各平衡鳍结构参数

3 软体仿金枪鱼机器人变腔驱动器的力学建模

3.1 本构模型建立

尾部变腔驱动器是由硅橡胶材料利用3D打印模具浇筑而成，基于Yeoh模型理论建立的硅橡胶材料本构关系，用E表示应变能力密度函数，E=E(I1，I2，I3)，定义如下：

(1)

设第三不变量I3=1，λ3=1，代入方程(1)可得：

(2)

(3)

代入带2阶Yeoh模型可得：

(4)

式中，C1、C2为系数，C1=0.11和C2=0.02，对方程(4)求偏导得到该应力值化简方程：

σ=8C1(λ1-1)

(5)

3.2 尾部驱动器的力学模型

尾部驱动器弯曲是由激励层、约束层和对立层三者相互作用来实现的，如图7，当气体通入时，嵌入在弹性激励层的气道膨胀，并且第二不可延伸但柔性的约束层用于约束由沿着一侧的膨胀通道产生的轴向张力，将弹性体中的横向应力转化为弯矩。

图7 横截面分析示意图

根据通道的物理特性和内部致动器压力描述了矩形有限元分析的总弯曲角。

(6)

(7)

式中，n是通道数，x是通道宽度，ε是材料应变和材料应力σ的非线性函数，ya和yc是致动器和通道的高度。然而，因为执行器与矩形致动器略有不同，优化得到了一种新的力学模型。在给定的嵌入通道n之后，沿着致动器长度的累积角度θn，θn的物理特性可以用Pa的函数来估计。

(8)

(9)

图8 横截面膨胀弯曲分析图

4 软体仿金枪鱼机器人变腔驱动器运动分析及仿真

4.1 变腔驱动器运动分析

本文方案设计的变腔驱动器结构为变高度变体积的两腔。以气泵为主要动力源，所需要通入不同的气压来对2个变腔体产生弯曲变形。左边变腔体充气实现向右弯曲，右边变腔体充气实现向左弯曲。软体机器人在巡游状态下需要两变腔体都通气，左右对称结构的变腔体通过规律性的充放气，实现较大摆动角度进行向前游动。当机器人有障碍需要加速躲避时，靠近尾鳍的型腔充气，尾鳍远端的型腔不充气，通过加快摆动频率，减小摆动角度，来提升瞬间的加速度。

4.2 变腔驱动器仿真分析

在ANSYS软件中模拟气体通入变腔驱动器，对变腔驱动器的弯曲变形能力进行仿真分析。由于变腔驱动器是通过硅橡胶材料浇筑成型，本身变形具有非线性，本文通过Yeoh本构方程为计算模型，在不考虑水中阻力和自身重力的理想条件下，对变腔驱动器大小端气压仿真分析，不同气压变腔驱动器弯曲变形如图9所示

图9 不同气压弯曲形态

4.3 软体仿金枪鱼机器人水动力仿真分析

应用fluent对软体仿金枪鱼机器人本体进行水动力仿真分析，仿真结果如图10所示。在不同的速度下，由速度云图可知，软体仿金枪鱼软体机器人是z轴对称体结构，所以周围水流流动有对称性。由压力云图可知，机器人前身前端和胸鳍前端受水流冲击压力明显大于其他位置压力，机器人会受到与前进方向相反的阻力。

图10 软体仿生机器人压力云图和流线图

5 结论

本文设计和分析了一种软体仿金枪鱼机器人来模拟金枪鱼的游动，与单通道单气管通气型腔结构的驱动器相比，本文设计的是两通道两气管通气的变体积型腔结构的驱动器，该软体变高变体积腔体机器人具有响应时间达1.5 s、弯曲极限角度大、推进时效比高的优点。同时仿真结果验证了软体仿金枪鱼机器人多型腔驱动器满足弯曲变形需要，整体结构符合水动力特性。

下一步继续优化机器人整体尺寸结构和型腔结构，设计气动回路与电控系统来实现软体仿金枪鱼机器人在水下场景的游动。