展凱利 馬夢(mèng)遙 李海峰 張?jiān)婗?韓川

摘要：通過(guò)對(duì)鰩魚(yú)胸鰭波動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模式分析，本文建立仿生鰩魚(yú)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)鰩魚(yú)的表面壓力、運(yùn)動(dòng)速度以及各方向的受力情況進(jìn)行比較，得出鰩魚(yú)產(chǎn)生動(dòng)力的來(lái)源。然后對(duì)仿鰩魚(yú)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)推力與升力調(diào)節(jié)的分析，研究仿生鰩魚(yú)水下機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)在水中的穩(wěn)定航行的理論。

關(guān)鍵詞：仿鰩魚(yú)機(jī)器人;水下航行;運(yùn)動(dòng)分析與研究

一、鰩魚(yú)及其仿鰩魚(yú)機(jī)器人的介紹

鰩魚(yú)是一種兩棲動(dòng)物[1]，在游動(dòng)時(shí)靠胸鰭作波狀擺動(dòng)而前進(jìn)?；邛庺~(yú)的運(yùn)動(dòng)特性，本文設(shè)計(jì)出仿鰩魚(yú)機(jī)器人。它通過(guò)一種以波浪狀的飄帶鰭的擺動(dòng)來(lái)游動(dòng)。根據(jù)仿生學(xué)原理，機(jī)器人的兩側(cè)裝備有一對(duì)波浪形的飄帶，飄帶的運(yùn)作方式類似鰩魚(yú)的胸鰭，通過(guò)多種運(yùn)動(dòng)變化來(lái)給機(jī)器人提供前進(jìn)轉(zhuǎn)向的動(dòng)力。這款機(jī)器人可以完美適應(yīng)所有地形，水中、平地、沙地、雪地等都可以自由行動(dòng)。

二、仿生鰩魚(yú)機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析

以胸鰭波動(dòng)作為推進(jìn)模式的鰩科魚(yú)在機(jī)動(dòng)性推進(jìn)效率及適應(yīng)能力等方面具有優(yōu)越性[2]。該仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要分為魚(yú)體和鰭。魚(yú)體為長(zhǎng)扁型狀，機(jī)載CPU負(fù)責(zé)將能源分配給驅(qū)動(dòng)鰭狀物做波浪運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器，為飄帶鰭進(jìn)行波浪形運(yùn)動(dòng)提供前進(jìn)動(dòng)力。機(jī)器人兩側(cè)有類似于鰩魚(yú)胸鰭的波浪形飄帶，是一種具有雙曲線幾何形狀的四維體，它通過(guò)各種變化后能為機(jī)器人的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向提供動(dòng)力，此結(jié)構(gòu)還將避免植物和水下物體的纏繞。從海中出來(lái)向陸地移動(dòng)時(shí)，通過(guò)將這些鰭旋轉(zhuǎn)90度來(lái)過(guò)渡到地面漫游模式，使其自身向上并在固體表面上移動(dòng)[3]。鰩魚(yú)在水中主要采用胸鰭的波動(dòng)來(lái)移動(dòng)，魚(yú)體幾乎不參與推進(jìn)，本研究采用擺動(dòng)導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)近似模擬鰩魚(yú)胸鰭動(dòng)力機(jī)構(gòu)（如圖 1所示），它將動(dòng)力傳到魚(yú)鰭部分，使其發(fā)生柔性形變進(jìn)而產(chǎn)生波動(dòng)而推進(jìn)。

三、仿鰩魚(yú)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的原理

鰩魚(yú)胸鰭波動(dòng)推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是傳動(dòng)構(gòu)件將動(dòng)力傳送到魚(yú)鰭位置，使魚(yú)鰭發(fā)生柔性變形進(jìn)而產(chǎn)生自前往后的傳遞波推動(dòng)水流向后運(yùn)動(dòng)，來(lái)獲得水流的反作用力即為向前推力，來(lái)推動(dòng)身體前進(jìn)。

利用計(jì)算優(yōu)化的彈性有機(jī)硅聚合物來(lái)制造軟復(fù)合結(jié)構(gòu)波浪形狀飄帶鰭，模擬游泳狀態(tài)鰩魚(yú)。利用新型波浪推進(jìn)系統(tǒng)，即能在水下實(shí)現(xiàn)高效的運(yùn)動(dòng)。

仿生鰩魚(yú)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞到鰭條上，鰭條上下擺動(dòng)帶動(dòng)魚(yú)鰭波動(dòng)。依據(jù)鰭條的排列形式及魚(yú)鰭的波動(dòng)模式，按照與所設(shè)計(jì)的魚(yú)鰭結(jié)構(gòu)1：1的比例將各鰭條之間以平滑的曲面相連，使多根鰭條構(gòu)成一個(gè)波動(dòng)周期的正弦曲面。通過(guò)仿胸鰭周圍流體壓力變化可得出，胸鰭周圍的壓力分布與魚(yú)鰭表面壓力分布基本一致，當(dāng)魚(yú)鰭部位壓力較高時(shí)，對(duì)應(yīng)的周圍流體壓力也較高。另外，胸鰭上下方流體的壓力呈周期性變化，并且胸鰭背水面周圍流體壓力的變化始終大于迎水面周圍流體壓力的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

四、仿鰩魚(yú)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)推力與升力調(diào)節(jié)的分析

1.仿鰩魚(yú)機(jī)器人推力的分析

鰩魚(yú)在同樣的波幅和波動(dòng)頻率下，是如何調(diào)節(jié)身體的推力呢？由于鰩魚(yú)游動(dòng)時(shí)，其身體部分并不參與運(yùn)動(dòng)，因此仿鰩魚(yú)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型實(shí)質(zhì)上就是其胸鰭部分的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。鰩魚(yú)胸鰭的運(yùn)動(dòng)方式是以一定的速度向后傳遞的行波，其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為式中：x， y是胸鰭上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)，胸鰭在弦向上產(chǎn)生正弦推進(jìn)波。由于這次設(shè)計(jì)只研究弦向柔性對(duì)推進(jìn)的影響，暫不涉及展向柔性，所以任意弦向位置的鰭條的展向變形不予考慮。要實(shí)現(xiàn)胸鰭正弦推進(jìn)波，只要任意弦向位置的鰭條能夠滿足擺動(dòng)規(guī)律即可，相鄰的胸鰭鰭條的擺動(dòng)必須滿足一定的相位延遲。定義推進(jìn)波的數(shù)目N為最大弦長(zhǎng)c與胸鰭推進(jìn)波波長(zhǎng)λ之比，則可以求得胸鰭前緣和后緣的相位差為：

由于鰭條是等距排列，則相鄰鰭條的相位差為：，其中n為單邊胸鰭的鰭條數(shù)。一般地，N=0.4，則Δф=48°假定所有鰭條的單邊擺幅為45°則單邊胸鰭鰭條的時(shí)序如圖2所示。其中，實(shí)線圓1、虛線圓2、點(diǎn)畫(huà)線圓3、點(diǎn)線圓4和雙點(diǎn)畫(huà)線圓5分別代表各鰭條順序擺動(dòng)的位置，圓內(nèi)實(shí)線對(duì)應(yīng)擺角標(biāo)示于右側(cè)，規(guī)定向上擺動(dòng)為正擺角，鰭條1、2、3、4按照如圖2所示的時(shí)序上下擺動(dòng)，最終在胸鰭上實(shí)現(xiàn)了0.4個(gè)波長(zhǎng)的正弦推進(jìn)波，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鰭面波動(dòng)前進(jìn)。

2.仿鰩魚(yú)機(jī)器人升力的分析

升力的調(diào)節(jié)機(jī)制為保持鰩魚(yú)質(zhì)心距離平壁面的高度不變，需要調(diào)節(jié)波動(dòng)鰭的升力大小，使其趨于零。那么，鰩魚(yú)在同樣的波幅和波動(dòng)頻率下，是如何調(diào)節(jié)身體的升力呢？當(dāng)波動(dòng)鰭靠近壁面時(shí)，升力在一個(gè)周期內(nèi)的波動(dòng)增大，平均值變?yōu)樨?fù)。這意味著，仰角為0的波動(dòng)鰭在靠近壁面時(shí)，產(chǎn)生了向壁面的吸力。調(diào)節(jié)升力的便捷方式就是提高仰角，仰角對(duì)推力的影響較小。因此，在升力的調(diào)節(jié)機(jī)制中，調(diào)節(jié)仰角是最佳的選擇。對(duì)于不同的波幅和頻率組合，仰角隨高度的變化規(guī)律是相似的，即隨著距離壁面高度的減小，需要適當(dāng)增大仰角才能使得升力為零，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)升力調(diào)節(jié)。

五、結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)仿鰩魚(yú)水陸兩棲機(jī)器人運(yùn)動(dòng)鰭的結(jié)構(gòu)介紹與運(yùn)動(dòng)分析，旨在優(yōu)化鰩魚(yú)機(jī)器人結(jié)構(gòu)。根據(jù)仿鰩魚(yú)機(jī)器人飄帶狀鰭波動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模式，建立仿生鰩魚(yú)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)仿鰩魚(yú)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)推力與升力調(diào)節(jié)的分析，為后來(lái)者的研究提供一定的理論參考。

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