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模块化仿生AUVs波动鳍的研制与初步试验
摘 要
模仿乌贼或黄貂鱼波状鳍的环保推进系统已经建成。人们提出了一种非常规的模拟乌贼或黄貂鱼鳍柔韧性的方法。设计并构造了一个由几个连杆组成的二自由度机构来模拟实际的柔性鳍。驱动连杆机构用于形成一个由几个鳍片组成的机械鳍片，这些鳍片能够产生波动，类似于实际鳍片产生的波动。由于机械鳍的模块化设计，我们能够构建各种仿生鱼类鳍波状游动机器人。本文介绍了两种仿生机器人:第一种是南美电鱼仿生机器人，它通过一个长肛鳍的起伏来游动;第二种是墨鱼仿生机器人，它通过侧鳍的起伏来游动。通过实验得到的一些定性观察，预测了影响机械翅片产生推力的几个因素。未来的工作可能包括开发其他仿生波动鳍机器人的变种，以及进一步开发用于自主部署的乌贼鱼机器人。
关键词：仿生学；模块化机器人；水下机器人；波动鳍；机械；柔性膜；振幅包络；实验。
1. 介绍
最近，研究人员和科学家比过去更积极地宣传保护环境的意识。他们主要关注的问题之一是水下生态的可持续性，特别是海洋环境。由于螺旋桨的广泛使用，海洋环境正在恶化，并且最近引起了公众和政府的注意。
螺旋桨虽然用途广泛，但却令海洋生物备受关注，产生更多海洋废弃物，因螺旋桨的撞击而令海牛等海洋生物持续活动，以及扰乱浅水生态系统。
自然运动的工程对应物或仿生物[1]可能是上述关注的解决方案。每个物种都有自己独特和最佳的与环境相互作用的方式，这种方式决定了物种的身体形状，身体大小，以及推进自身的方式，这是达尔文的自然选择过程所提出的[2]。这导致了一个环境友好的推进系统的发展，这个系统模仿了乌贼的侧向起伏的鳍或者黄貂鱼的胸鳍。
在水下研究领域中，波动鳍片机器人在保持周围环境不受干扰的情况下进行数据采集方面具有比螺旋桨机器人更大的优势。自主水下航行器(AUVs)是一个有趣的应用领域，也可以从仿生机械系统中获益，因为人们对提高效率的要求越来越高，以便执行更长时间的任务。军事和国防是最重要的领域，仿生技术在确保水域安全方面发挥着重要作用; 当与鱼群一起游泳时，波动鳍机器人可能无法被发现，因此可能充当间谍。
2. 背景
最著名的波状游动步态的例子是鳗鱼，其他例子包括鲨鱼和针鱼，它们都是鳗形游泳动物。根据速度的不同，它们从三分之一到几乎整个身体波动，通常同时出现一个或多个完整的波。Lighthill[3]提出了以下的等式:
（1）
表示一条游泳鳗鱼的身体起伏，如图1所示，其中A是尾拍振幅，是定义振幅从头部到尾部的增长速度的参数，k定义了出现的波数(等于2/波长)，是身体波的传播的速度，而U定义了鳗鱼的前进速度(图1)。
在这里，我们感兴趣的将Lighthill提出的鳗鱼波动幅度从头到尾逐渐增长的游泳步态的建议应用到目前的机械系统。对此感兴趣的读者可以参考[3]，了解有关细长体理论的详细讨论。
在rajiform游泳者如黄貂鱼中发现了一种不同但有趣的游泳步态。沿着从鱼的前部到后部的胸鳍大幅波动产生推力。起伏的幅度包络线从前部到鳍尖增加而向后部减小，如图2所示，它们在鱼的前后都较窄。由于鳍的设计，使黄貂鱼游动起来通常可以像鸟类的飞行一样上下摆动。
墨鱼虽然不属于Breder[4]的分类，但也可以将其鳍用于低速游泳。除了使用喷水推进之外，一些宽鳍墨鱼也像rajiform游泳者一样游泳，即沿着它们的鳍通过大幅度的波动，同时也拍打它们的鳍以高速移动。这些墨鱼的鳍状起伏的幅度包络与rajiform游泳者相似，如图2所示。但是，观察到在较小且狭窄鳍状的乌贼中，其振幅包络沿鳍是相当稳定的，如图3所示。
图1（a）细长体建模的坐标系。（b）界定起伏边界的幅度包络。
（c）鳗鱼从位置1游到位置3，波动幅度从头到尾逐渐增大。
图2黄貂鱼的形态及其胸腺的估计幅度包络。
图3窄罐头墨鱼的杂物罐的估计振幅包络。
3.机械鳍设计
A.鳍片的设计
图4显示出了一种鳍条鱼的例子，一条鲍鱼，它有一个长的背鳍。鳍片由鳍条和将它们连接在一起的柔性薄膜组成。在中鳍上，每条鳍片都有一组肌肉（通常为六块），为后者提供两个自由度的运动能力，而有人认为某些鱼类可以主动弯曲其中鳍片的鳍条[5],[6]。
图4 鲍鱼的形态，是用长背鳍游泳的鳍条鱼。
这种鱼属于Amiiform游泳步态[4],[5]。
Kier和Thompson[7]提出，墨鱼的鳍由三维排列的肌肉支撑；在墨鱼的鳍中未发现鳍条。尽管线性和旋转驱动器的设计并非详尽无遗，但是但他们无法模拟复杂肌肉组织的墨鱼的鳍。
尽管实际的肌肉组织非常复杂，但墨鱼鳍的起伏与带波动游泳模式的鳍条鱼的鱼鳍所显示的波动几乎相同。为了简化建模，将墨鱼鳍分成许多段，使鳍看起来与鳍条鱼相似。因此，我们可以从机械的角度得出结论，墨鱼的鳍也可以由诸如鳍条之类的刚性结构来支撑，以进行延展波动的运动。图5显示了任何鱼类的鳍图，包括墨鱼的鳍图。万向节（U）是一种可能的接头，它允许在每个鳍条的底部进行两个自由度的运动。
图5鳍条支撑的鳍片。可以通过万向节（U）对每个鳍条的底部进
行建模，以允许每个鳍条进行两个自由度的运动[5]，[6]，[8]。
在现阶段，波动的鳍片的机械建模，包括墨鱼和鳍条鱼，已简化为从原来的两个自由度到每个鳍条底部的一个自由度。伺服电动机充当在每个鳍条底部产生一个自由度的肌肉。在每个伺服电机上均安装有曲柄，以用作鳍条。为了使鳍片显示出与任何波状鳍片相似的起伏，对每个伺服电机进行编程，以使附着在伺服电机上的曲柄根据具有一定相位超前或滞后的正弦函数进行振荡。十个伺服电机用于模拟一个机械鳍片模块。
B.柔性膜的设计
通常考虑使用诸如塑料片，布和薄橡胶片之类的柔性材料来模拟膜并连接所有曲柄。这种材料用作柔性膜的一个主要缺点是它们呈现出任何不可预测的形状，这会干扰水的流动和鳍条的运动。实际上，橡胶薄板是理想的材料，必须使用它来建模柔性膜。但是，在该应用中，要求橡胶伸长至其初始长度的200％，因此，除了推水所需的功率外，还需要额外的功率。
考虑到常规材料的缺点，设计并构造了一种机构，用一系列直线离散模拟任意正弦波形，每条线在正弦曲线上连接两个点（图6）。
图6（a）由一系列直线组成的正弦波形的离散模型，这些
直线每90°连接两个点，并且幅度线性增加。（b）由一系列
直线组成的正弦波形式的离散模型，该直线每45°连接两个
点，幅度呈指数减小。（c）以十个伺服电机和十个曲柄为模
型的正弦波形式，并且两个曲柄通过一条直线相连。
由于两个曲柄之间的距离随着振动而变化，因此发展的机制将使柔性膜片能够保持两个曲柄之间的直线并同时可延伸。 图7a示出了代表两个曲柄和一个膜片的连杆的运动学图。该连锁机构由五个链接和五个较低的对组成。Gruebler[8]指出，机械装置的自由度是：
（2）
其中为总自由度，n个连杆，包括框架，个低副和h个高副。 Kutzbach[8] 将自由度定义为在一个机构中被独立控制的驱动器的数量。公式（2）可以期望图7a中的连杆机构具有两个自由度，因为点A和E均由伺服电机驱动。
图7（a）是鳍的一部分的运动学图。（b）（a）的CAD图。
（c）九个鳍片段由脊柱连接在一起，形成波动的鳍片。
在柔性膜的设计中不可避免地要选择正确的材料。材料密度，强度和吸水能力是选择的重要标准。要求该材料的密度接近水的密度，以便不做或几乎不做任何工作来提起和定位膜[9]。一种聚合物，丙烯酸，因此被选作柔性膜，因为它的密度是水的1.2倍。
4.理论
基于墨鱼和黄貂鱼的波动游泳构造了水下机器人。机器人由一对起伏的鳍推动。每个鳍的波动都由十个均等间隔的伺服电机控制，它们连接有相同长度的曲柄，如图8所示。每个鳍片由九个鳍片段组成。一个鳍片，如图8中的BC所示，被两个伺服电机控制。每个鳍片段通过旋转关节连接到相邻的鳍片段。
图8两自由度机制构成一个起伏的鳍片。
对鳍片的分析将简化为一个鳍片段，由两个伺服电机A和D控制，它们相对于x轴的角位移由和指定，如图8所示。图8中的连杆具有两个自由度，而BC是连杆的长度，连杆的长度根据曲柄AB和DC的方向而变化。
考虑图8中的放大鳍片段在密度的某种介质中以恒定速度且与x轴平行向前运动，并且两个伺服电机根据以下功能执行谐波振荡：
（3）
（4）
其中a和b分别是和的最大角振动;是和之间的相位差。请注意当超前时为正，而当超前时为负；而a定义伺服电机的振荡频率。注意，所有伺服电机都以相同的频率振荡。
Anderson等人[10]认为，在(3)和(4)规定的条件下，鳍段受到时变力K(t)的影响。伺服电机必须提供和的转矩输入。如果m是鳍片振动的周期，设F是 K(t)的时间平均值，P是每个周期的平均输入功率:
（5）
（6）
沿x轴的时间平均有效力，推力T，由以下公式给出:
（7）
总的来说，对于n个段，T取更大的值，理论上为nT。 在这种情况下，当推进波沿着鳍片传播时，任何流体动力相互作用都将被忽略。
5. 波动鳍仿生机器人
为了研究建议的幅度包络中的哪一个能为波状鳍推进提供最大效率，设计并构造了一个波状鳍模块。
鳍片可以容纳各种幅度包络线，尾拍频率和波长。符合Lighthill[3]的结论：
（8）
表1总结了其参数。
表1 波动鳍参数
|
参数 |
描述 |
值 |
|
x t g(x)
y(x) |
沿着鳍的水平位置 时间 幅度包络的功能 尾拍频率 两个伺服电机之间的相位差 垂直位置 |
0mmlt;xlt;1000mm -100mmlt;g(x)lt;100mm -100mmlt;y(x)lt;100mm |
|
常数参数 |
||
|
鳍长 鳍宽 鳍重 电流 消费 |
1000mm 200mm 2.5kg 3Amp |
伺服电动机是可编程的，可以接受各种与时间有关和与时间无关的输入，这些输入可使鳍片分别充当推进系统和控制表面[11]。由于是模块化的，因此某些鳍片段可以与模块分离，从而改变有效鳍长度。研究结果表明: 鲍鱼、南美电鱼、刀鱼、乌贼等各种鱼类的生物学特性与生物学特性密切相关。
A.Gymnotus Carapo机器人
由于机械系统是模块化的，因此成功地进行了一些实验来模仿水下物种，名为Gymnotus carapo或南美电鱼，它们通过构建仿生水下机器人与长鳍一起游动，如图9所示。完成了两个实验：第一个实验使用12厘米的鳍片宽度，第二个实验使用20厘米的鳍片宽度。
图9 Gymnotus Carapo机器人。
尽管没有从实验中获得定量数据，但是发现该机器人的鳍片越宽，移动速度越快。还发现波幅和速度与起伏的鳍片产生的推力成正比。此时，我们还获得了推进推力和起伏波长之间的关系。实验过程中的定性观察表明，对于低速游泳来说，较短的波长是必需的，因为它显着地提高了机器人的稳定性，或者换句话说，它对身体的微小（不被眼睛发现的）振荡有很大的帮助。因此，取决于机器人的鳍片长度，有必要沿着鳍片具有尽可能多的波，以用于实现相当稳定的低速巡航的机器人。
根据对第一个原型Gymnotus Carapo的仿生实验，可以确定推力t是:
(9)
其中w是鳍片宽度，A波幅度，V波速度，定义起伏的波长。
B.自主墨鱼机器人
第一个实验令人鼓舞的结果推动了研究的进一步发展，以建立第二个原型模仿墨鱼，这是一种海洋动物，有节奏地起伏其鳍片以进行运动和操纵。一对制造好的鳍并与
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