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摘要：为解决传统水下机器人螺旋桨推进器体积大、容易被雷达探测、水草缠绕和推进效率低等问题。受生物幽灵蛸灵活性、平稳性运动的启发，根据生物幽灵蛸的外形特征和运动机理设计了一款水下机器人。该机器人由流线型头部，空腔外壳，双自由度水翼短鳍和喷射机构组成。通过短鳍的控制和喷射机构的推进，可以实现仿生幽灵蛸的前进、转向、俯仰等姿态调整动作。通过SolidWorks软件对装置进行了三维建模和仿真分析，验证结构设计的合理性，加工制作模型样机，最后通过水下实验，验证了所设计的仿生机器人具有高度灵活性、平稳性、低噪声等优点,可以作为水下侦察和环境监测的载体。
关键词：幽灵蛸；水翼推进；射流推进；仿生水下机器人
Design of Biomimetic Underwater Robot Based on Ghost Octopus
Li Zekai1,2，Zhang Sunan1，Zhao Xinjie1,2，LüZetao1,3，Chai Qihang1,2（1.Engineering Training Center,Taiyuan Institute of Technology,Taiyuan 030008,China;
2.Department of Mechanical Engineering,Taiyuan Institute of Technology,Taiyuan 030008,China;
3.Automation Department of Taiyuan Institute of Technology,Taiyuan 030008,China）
Abstract:In order to solve the problems of large volume,easy detection by radar,entanglement of aquatic plants and low propulsion efficiency of traditional underwater robot propellers.Inspired by the flexibility and stability of octopus ocellatus,an underwater robot based on the shape characteristics and motion mechanism of octopus ocellatus is designed.The robot consists of a streamlined head,a cavity shell,a short fins of hydrofoil with two degrees of freedom and a jet mechanism.Through the control of the short fin and the propulsion of the jet mechanism,the forward,turning,pitching and other posture adjustment actions of the mechanical phantom octopus can be realized.Through SolidWorks software,the device is modeled and simulated in 3D to verify the rationality of the structural design,and the model prototype is processed.Finally,the underwater experiment verifies that the bionic robot designed has the advantages of high flexibility,stability,low noise.It can be used as the carrier of underwater reconnaissance and environmental monitoring.
Key words:ghost octopus;hydrofoil propulsion;jet propulsion;bionic underwater robot
0引言
随着社会的发展，人类对于海洋的探索也逐步深入，水下作业不断增加，水下机器人应运而生。此类机器人在资源探测、生态保护、国防安全、科学研究等领域有着广泛的使用。传统的螺旋桨推进水下机器人受结构和工作原理的限制，虽然功率足、动力大、性能稳定，但体积较大，在实际应用中存在结构复杂和螺旋桨推进效率低的缺点[1-5]，不能很好地满足现代技术智能化、小型化和轻量化的需求[6-8]。为了研发出性能优越的水下机器人，来自各个国家的研究学者都以不同方式寻求突破。其中许多专家选择了从大自然中寻找答案，模仿生物的外形特征和运动姿态研发水下机器人，以此提高水下机器人的运动效率和对环境的适应性。
目前仿生水下机器人根据仿生动物的运动方式可分为摆动型和射流推进两种[9-11]。摆动型是使用鳍或躯干做往复摆动或波动产生推动力[12-15]。躯干往复摆动大多使用的是多个舵机或SMA驱动的设计[16]，如哈尔滨工程大学刘晓白[17]研发的仿海龟机器人，哈尔滨工业大学[18]研制的使用SMA丝驱动的机器鱼。这种设计的优势是可以在复杂水下地形灵活运动，但目前存在着操控精度低，推进效率差等问题。
射流推动是模仿如乌贼、幽灵蛸和鹦鹉螺等动物，将水从储水器官推出产生推动力的方式，设计结构大多使用的是连杆或SMA。如弗吉尼亚理工学院[19]基于SMA驱动研发的仿生水母机器人，哈尔滨工业大学[20]基于连杆研发的仿生水母机器人，这种设计的优势是加速度大，体积可控，对称性高，但存在灵活性较差的问题。
本文依据仿生学原理，根据幽灵蛸的运动形态和功能特点，提出了一种仿生幽灵蛸的设计方案。并利用现有的机械、电子、计算机和控制等手段，结合多种推进方式，制作了具有三维运动能力的仿生幽灵蛸水下机器人，通过水下实验验证了仿生推进方式协调推进的可行性，克服了传统水下机器人噪声大，推进效率低等缺点。
1结构设计
幽灵蛸以尾部两侧短鳍缓慢游动，在捕食或逃脱天敌的状态下以头部触手排水，快速推进。根据幽灵蛸的运动特点，以结构紧凑，方便拆卸组装为原则，本文设计了如图1所示的仿生幽灵蛸。该仿生幽灵蛸分为3个部分。（1）流线型刚性尾部密封舱体：内部有储存电源模块，控制模块，防水摄像头等信息采集元件。（2）短鳍机构：由双舵机并联，实现双自由度转动，控制方向和低速游动。（3）喷射推进机构：模拟幽灵蛸腔体收缩扩张运动，喷射水流推进装置前进。
1.1喷射推进机构
射流推动模块模仿幽灵蛸的外套膜和触手。二者使用同一个舵机带动，活塞、连杆与齿条相连。通过舵机的带动使得活塞和连杆做往复运动并将水不断吸入喷出产生推动力，具体结构如图2所示。
连杆结构如图3所示，其中EF长度是固定的，DG为动力杆，DG做往复直线运动，作为整个触角连杆机构的驱动力，通过DG长度的变化可以实现触手的往复运动。通过连杆的运动角度和长度关系可得：
1.2短鳍机构
水翼短鳍模块模仿幽灵蛸的短鳍。防水舵机并联组合带动鳍片摆动，实现下拍、俯旋、上挥和仰旋4个动作，其中下拍和上挥阶段称为水翼“拍旋”运动，产生幽灵蛸运动前进推力，如图4所示。
1.3流线型壳体与密封设计
仿生机器幽灵蛸需要进行沉浮游动并对无法裸露在水中工作的芯片、舵机等进行密封。为了保证电子元件的正常工作、方便调试传输程序，本文将电子元件集成置于密闭盒中，固定于外壳体。
为了保证机器幽灵蛸装配方便，将壳体分成底壳、中壳和上壳3个主要组成部分，如图5所示。上壳采用光滑流线型设计，可以有效减小推进阻力，与硅胶外皮形成仿生幽灵蛸钟状体结构，底壳之间的连接都使用O形橡胶圈和螺栓安装，保证其在水下的密封性。
为了使仿生幽灵蛸在水下正常工作，需要合理地调整重力和浮力的集中点位置，若仿生幽灵蛸的浮力集中点不在重力集中点的正上方，不能达到静态平衡，仿生幽灵蛸就会在运动中产生偏置，不能保证沿所控制方向的水平直线推进。通过合理设计仿生幽灵蛸各部分的重量、体积、位置，保证重力与浮力的集中点相近重叠，达到平衡，在水中可以平稳的游动。在仿生幽灵蛸底壳上表面中心建立坐标系，周向方向为X、Y方向，仿生幽灵蛸的轴线方向为Z方向，也是游动方向。则仿生幽灵蛸的重力G，重心位置（XG，YG，Z G）为：
2控制模块设计
本文基于STM32F103RCT6控制芯片进行控制模块硬件电路设计，包括各部分元器件选型以及电路板的设计制作，可将控制系统分为3个单元，供电单元、传感器单元和舵机驱动单元，如图6所示。
控制模块采用无线串口实现上位机和机器幽灵蛸的信号交互，上位机通过无线串口发送控制指令，控制机器幽灵蛸的运动。传感器单元采用姿态传感器，将机器幽灵蛸的航向角信息传递给机器幽灵蛸控制芯片和上位机，控制芯片输出多路PWM波控制各个舵机的运动来实现航向角调节。
3仿真与讨论
为了验证上述理论推进模型，对本文设计的机器幽灵蛸进行建模仿真。
幽灵蛸的短鳍游动模式类似于企鹅的前肢。游动动作分为下拍、俯旋、上挥和仰旋4个运动阶段。双舵机控制短鳍做出指定动作。短鳍运动过程中，先完成某一运动阶段的短鳍会受程序调整停止动作，等另一侧短鳍完成动作后，两个短鳍一起进入下一个运动阶段，以此实现两侧短鳍的运动同步。
通过MTALAB对机器幽灵蛸进行动力学仿真，研究在不同运动阶段的升力和推力。
4样机研制与测试
仿生幽灵蛸采用SolidWorkers进行建模设计，并对机构的原理和运动进行了仿真分析，在可行性论证的基础上完成了各个零部件的设计。机器幽灵蛸壳体采用PLA塑料制作而成，其他非受力部件采用亚克力加工而成，受力部件采用铝合金，最后制作完成了机器幽灵蛸样机制作。
在下水实验之前，对机器幽灵蛸的防水性能和运动性能分别进行了测试。机器幽灵蛸在未包覆乳胶外皮和包覆乳胶外皮时在水池中进行了防水测试，测试表明机器幽灵蛸具有良好的防水性能。机械幽灵蛸的运动情况如图9所示，实验在水深约为0.5 m的水池中进行。实验表明以上机械设计和控制设计可以实现机器幽灵蛸的仿生运动。
5结束语
本文从运动机制、机构设计、硬件设计、仿真模拟等方面出发，详细介绍了一种基于幽灵蛸的仿生水下机器人的设计方案，并完成了样机的制作。在产品设计制作过程中，遵循着高效、环保、简便的理念，注重采用机电一体化的设计思路和方法，模仿生物幽灵蛸的运动和生物外形，采用水翼推进与喷射推进两种方式相结合的推进机构，实现了仿生幽灵蛸的前进、转向和浮潜等动作，可以灵活自由的调整姿态。本文提出的产品在水产养殖、水下勘察、环境保护、潜点检测和水下搜救等领域具有广阔的应用前景。在后续工作中还可以为仿生幽灵蛸加装传感器，力求使仿生幽灵蛸获得更好的游动性，实现自主游动和避障等功能。
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