吳曉艷，馬雪婷，顧志鵬，黃菲，鄭宇

（宿遷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

仿生學(xué)指的是通過研究自然界生物的特征，結(jié)合實(shí)踐中亟待解決的問題，構(gòu)建數(shù)字、科學(xué)模型的行為。從功能上看，其將機(jī)器與生物進(jìn)行了有機(jī)聯(lián)合，并且使各項(xiàng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溝通。仿生學(xué)有著鮮明的跨學(xué)科特點(diǎn)，如生命科學(xué)、機(jī)械工程等諸多技術(shù)領(lǐng)域，其對不同原理技術(shù)的糅合運(yùn)用給水下航行裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)和發(fā)展帶來了很大幫助，而機(jī)器人學(xué)也在其幫助下飛速發(fā)展[1-2]。

由于其特殊的身體構(gòu)造，魚類能夠在深海中自由的遨游，不僅消耗能量低，而且基本上不會發(fā)出任何噪聲，十分契合人們對水下作業(yè)機(jī)器人的要求[3-4]。仿生機(jī)械魚作為一種新型水下機(jī)器人, 具有能源利用率高、速度快、機(jī)動性強(qiáng)、噪聲低、對環(huán)境擾動小等優(yōu)勢，可以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境和高效作業(yè)等要求所帶來的挑戰(zhàn), 因而得到了廣泛的研究與開發(fā)[5-7]。

由于鲹科魚具有高度的機(jī)動性和穩(wěn)定性，本文對其開展仿生研究，在了解其游動原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置，然后進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)仿生運(yùn)動。

1 仿生機(jī)械魚推進(jìn)模式設(shè)計(jì)

仿生機(jī)械魚的游動速度與推動方法一般分為噴射型推動、軀體和尾鰭擺動、中央鰭/對鰭擺動和身體波動等4種形式[1]。鲹科魚類運(yùn)動方式為軀體和尾鰭擺動(Body and/or caudal fin propulsion，BCF) 模式，這種運(yùn)動方式具有高速、高效和高機(jī)動性等優(yōu)勢。因此，本文選擇BCF模式為仿生機(jī)械魚的推進(jìn)模型。

2 機(jī)械魚機(jī)械結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

2.1 仿生機(jī)械魚整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的仿生機(jī)械魚以模仿自然界鲹科魚類的外形為基礎(chǔ)，鲹科魚整體呈紡錘形，具有顯著的流線型特征。由于仿生機(jī)械魚內(nèi)部需要預(yù)留一定的舵機(jī)和電路空間，魚身寬度比真魚有所增加。為使仿生機(jī)械魚外形更加流暢，本文將仿生機(jī)械魚結(jié)構(gòu)劃分成3個(gè)部位分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，并確定各截面尺寸，如圖1所示。仿生機(jī)械魚由魚頭、魚身和魚尾3部分組成，整體長度約為570 mm，寬度約為120 mm。對于本文設(shè)計(jì)的仿生機(jī)械魚結(jié)構(gòu)，如果長度過短（小于400 mm），則無法容納驅(qū)動機(jī)構(gòu)和電路，后續(xù)也缺少擴(kuò)展功能的空間；如果長度過長（大于800 mm），則需要強(qiáng)力的驅(qū)動機(jī)構(gòu)及充足的電池容量，體積和質(zhì)量巨大，可用的擴(kuò)展空間過大而冗余，僅適合大型科研機(jī)構(gòu)的需求；所以，魚體長度在500～600 mm之間較為合理。

圖1 鲹科魚形貌與仿生機(jī)械魚整體結(jié)構(gòu)

2.2 仿生機(jī)械魚頭部模型設(shè)計(jì)

仿生機(jī)械魚頭外形設(shè)計(jì)為導(dǎo)彈狀頭形（如圖2），該外形設(shè)計(jì)能夠減小仿生機(jī)械魚游動時(shí)的阻力。仿生機(jī)械魚頭結(jié)構(gòu)可拆卸更換，魚頭內(nèi)部空間可用于擴(kuò)展功能，如根據(jù)不同工程作業(yè)需要，安裝水下攝像頭、探照燈、夾鉗、避

圖2 仿生機(jī)械魚魚頭結(jié)構(gòu)

障傳感器、水質(zhì)傳感器等裝置，切去魚嘴部分可以安裝運(yùn)動相機(jī)。魚頭和魚身用4顆5 mm黃銅螺釘連接，加O形環(huán)密封防水。

2.3 仿生機(jī)械魚魚身及內(nèi)部模型設(shè)計(jì)

仿生機(jī)械魚魚身整體為空心橢圓筒型（如圖3）。后端蓋凹陷處安裝第一尾鰭舵機(jī)A，端蓋用螺釘和密封圈安裝在魚體后端。仿生機(jī)械魚內(nèi)部動力部分由3個(gè)雙軸舵機(jī)ABC串聯(lián)組成（如圖4），A負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向，B、C負(fù)責(zé)擺動前進(jìn)，每個(gè)舵機(jī)最小偏轉(zhuǎn)單位為5°，通常為15°，最大為30°，三軸總角度15°～90°，同時(shí)具備直線運(yùn)動、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎和急停等運(yùn)動狀態(tài)。

圖3 仿生機(jī)械魚魚身結(jié)構(gòu)

圖4 仿生機(jī)械魚內(nèi)部結(jié)構(gòu)

仿生機(jī)械魚魚身下部為開放空間，前端左右兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)胸鰭L和R，舵機(jī)和胸鰭設(shè)置在魚身外部（如圖4）。魚腹底部外加整形罩（如圖5），可遮蔽胸鰭舵機(jī)和配重塊，并修飾魚體形狀恢復(fù)至流線型，進(jìn)而減少亂流和游動阻力。魚頭和魚身占仿生機(jī)械魚長度的一半左右，既保證足夠的預(yù)留空間，又保證整體的剛度，即擺動前進(jìn)時(shí)頭部不容易左右晃動，類似背鰭和腹鰭的穩(wěn)定作用。

圖5 整形罩結(jié)構(gòu)圖

2.4 仿生機(jī)械魚尾部模型設(shè)計(jì)

尾鰭是仿生機(jī)械魚結(jié)構(gòu)的動力部件，該尾鰭結(jié)構(gòu)整體呈波浪及交叉形狀，上下方向的開叉有助于引導(dǎo)水流，減小游動阻力，后部的凹陷有助于卡門渦街的形成，具有較好的流體動力學(xué)性能。仿生機(jī)械魚魚尾長度為270 mm，截面為190 mm×120 mm的橢圓結(jié)構(gòu)（如圖6）。尾鰭與魚身的連接方式為無螺釘柔性連接。

圖6 仿生機(jī)械魚尾部結(jié)構(gòu)圖

3 仿生機(jī)械魚運(yùn)動學(xué)分析

3.1 運(yùn)動學(xué)分析

卡門渦街是流線動力學(xué)基礎(chǔ)中至關(guān)重要的問題，當(dāng)某種情況下的特定常來流繞過特定障礙物后，障礙物兩側(cè)會周期性地剝離出轉(zhuǎn)動方位相反、排列規(guī)律一致的雙列線渦。而鲹科魚在游動過程中也會在身后發(fā)生尾部漩渦,但由于其方位和卡門渦街方位相反,被稱之為反卡門渦街。魚類利用這些渦流前進(jìn)，尾鰭力量越大，渦流的強(qiáng)度越高。其大小可由特勞哈爾數(shù)表示：

式中：f為尾鰭擺動頻率，ATmax為尾流寬度，U為魚體的平均游速。

反卡門渦街大小與魚體尾部擺動頻率及尾流寬度成正比，與游動速度成反比。

3.2 魚體波方程

魚物質(zhì)波是指一種由魚體頭部傳播至尾鰭處的行波，傳播過程中其波幅逐漸增大。該曲線方程可描述為

式中：ybody為魚體橫向位移（波幅）；x為其軸向位移；k為魚體波的波長倍數(shù)，k=2π/T；c1、c2分別為波幅包絡(luò)線的線性項(xiàng)、二次項(xiàng)系數(shù)；ω為魚體波頻率。

通過對仿生機(jī)械魚的波動方程進(jìn)行Matlab仿真，得到的波動曲線如圖7所示。左胸鰭和右胸鰭保持水平狀態(tài)，尾鰭左右擺動，仿生機(jī)械魚即可保持常速直線游動狀態(tài)（如圖8）。此外，左胸鰭右胸鰭同幅度上下擺動，可以對魚體進(jìn)行加速。由于該尾鰭形狀展弦比較大，因此其產(chǎn)生的推動力也比其他尾鰭更大，效率更高。

圖7 Matlab離散化后的魚體波圖形

圖8 不同轉(zhuǎn)向的魚體波圖形

4 仿真分析

本文通過ANSYS 軟件對仿生機(jī)械魚的游動性能進(jìn)行模擬分析，首先將仿生機(jī)械魚導(dǎo)入到ANSYS軟件中，設(shè)置流體的進(jìn)口、出口和四壁，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文對游動過程中魚鰭能達(dá)到的最大擺動幅度角30°以及急停時(shí)的擺幅角90°兩種極限條件進(jìn)行模擬分析，分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同角度下的流域場分析

由分析結(jié)果可以得知，魚鰭前端受水流沖擊力最大，往后逐漸遞減，但由于前端受力面積較小，所以其產(chǎn)生的阻力也較小，因而在游動時(shí)更加高效。此外，尾鰭的面積和仿生機(jī)械魚游動阻力成正比，本文參照實(shí)際魚類尾鰭設(shè)計(jì)了仿生機(jī)械魚的尾鰭結(jié)構(gòu)，展弦比為11.08，可以實(shí)現(xiàn)較好的推進(jìn)效果。

5 結(jié)論

本文主要闡述了這種全新的以BCF 模式為驅(qū)動力的三節(jié)式仿生機(jī)械魚，并通過Matlab軟件和ANSYS軟件對該仿生結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬分析，確定了該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和高效性。得出如下結(jié)論：

1）以鲹科魚類外形為仿生模板，設(shè)計(jì)出仿生機(jī)械魚結(jié)構(gòu)模型并對其開展仿真分析，結(jié)構(gòu)表明，該仿生機(jī)械魚具有良好的游速和機(jī)動性。

2）通過兩個(gè)舵機(jī)分別控制仿生機(jī)械魚的左右胸鰭，使用3個(gè)舵機(jī)控制其尾鰭擺動角度。該裝置具備直線運(yùn)動、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎和急停等運(yùn)動狀態(tài)。

3）仿生機(jī)械魚魚體為仿生流線型，游動阻力較小。相比于常用的復(fù)雜軸密封結(jié)構(gòu)，該裝置具有架構(gòu)簡單、拆裝方便、伸縮自如及檢修便利等優(yōu)點(diǎn)。仿生機(jī)械魚魚體內(nèi)部預(yù)留空間，可對其內(nèi)置設(shè)施進(jìn)行拓展，增強(qiáng)其使用價(jià)值。

4）通過仿真分析進(jìn)一步研究了仿生機(jī)械魚在特定條件下受到水流沖擊力時(shí)的作用反饋，驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的高效率和高推動力。