拍動式仿鷂鲼水下機器人設計及其游動性能試驗

郭松子，馬俊，李志印，張進華

1 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

2 海軍裝備部 項目管理中心，北京 100071

3 西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049

0 引 言

隨著工業經濟的不斷發展，陸地石油、天然氣、稀有金屬等各類資源日益減少。面對陸地資源日趨枯竭的現狀，開發和利用海洋資源是人類的迫切任務之一。為了滿足海洋探索和資源開發的需求，近幾十年來，各國不斷加大水下自主水下航行器（AUV）的研究力度，AUV 領域發展迅猛。傳統AUV 多采用由螺旋槳組成的常規推進系統，具有結構緊湊簡單、可靠性高、密封性好等優點。但由于螺旋槳工作時會產生大量空泡與旋渦，傳統AUV 工作時產生的噪音較大，對環境擾動明顯，不利于在對靜謐性要求較高的條件下工作[1]。此外，螺旋槳驅動器無法產生矢量推進力，導致本體水下運動時機動性較差，難以滿足環境日趨復雜的水下勘探任務。

為了探索不同于螺旋槳推進的其他高效率、機動靈活的水下推進方式，國內外工程師將目光聚焦于海洋中各式各樣的魚類，從魚類的游動方式中汲取靈感，希望通過模仿自然界中海洋生物的形態特征與游動機理，為研制新型的高性能AUV 提供思路[2]。鲼科魚類是典型的采用中央對鰭推進的魚類，擁有優異的流體動力學外形。其自身通過中央對鰭的拍動產生推進力與附加控制力矩，具有水下運動靈活與穩定性好的優點。既能適應遠洋的長距離遷徙，又具有低速靈活機動的能力。采用中央對鰭拍動推進的鲼科魚類逐漸成為工程師在設計新一代水下推進器時不斷模仿與學習的對象。

早期拍動式仿生機器魚的設計多以剛性為主，具有結構可靠性高，產生推進力大等優點。但其也存在諸多不足，例如支撐骨架笨重、游動效率低與環境適應性差等，難以應對日趨復雜的海洋探測任務。早在2004 年，日本學者就研發出了采用拍動胸鰭驅動的仿生魚原型機。機器魚胸鰭采用剛性骨架支撐，鰭面使用柔性硅膠板制作。原型樣機長約為650 mm，翼展500 mm，重量為640 g，由伺服電機驅動，最大游動速度可達每秒1 倍體長。此后，國內學者Xu 等[3]與Gao 等[4]采用類似的胸鰭結構，設計出采用雙側剛性胸鰭拍動推進的仿蝠鲼機器魚BH-RAY3，通過水動力學試驗研究了其基本的推進機理。德國Festo 公司也以蝠鲼為仿生對象，設計出采用剛性支撐電機驅動的仿魔鬼魚機器魚AquaRay，憑借精妙的結構設計和控制方法，該機器魚能實現水中滑行，極大提升了機器魚的游動效率。EvoLogics 公司研發了采用人工噴氣推進器作為驅動器的仿蝠鲼機器魚。弗吉尼亞大學和美國海軍實驗室共同研發的MantaBot 原型樣機采用剛柔耦合的設計思路，通過柔性胸鰭內置剛性張拉機構的伸縮來控制胸鰭擺動，能較好模擬真實蝠鲼的運動狀態[5]。

隨著研究的深入，采用全柔性設計的仿生魚機器人因其具有結構重量輕、環境適應性強、游動效率高等特點，受到越來越多的學者重視。Chew 等[6]通過水動力學試驗發現仿生胸鰭外側的被動大變形有助于推進效率的提升，并制作了鰭條與鰭面均為柔性材料的全柔性仿生胸鰭[7]。測試結果表明，采用此種柔性胸鰭推進的原型樣機MantaDroid 的游動速度最高可達1.7 倍體長每秒，擁有較快的水下游動速度。

通過總結近年來國內外拍動式仿生魚的研究現狀發現，其研究焦點已從剛性鰭驅動轉換到柔性鰭驅動，從多自由度的主動變形控制轉換到順應周圍水流環境的被動變形設計，機器魚本體逐步實現了從身體外形相似到運動變形相似，基本實現了對仿生對象“形”和“態”的模仿?，F有的拍動式機器魚樣機能完成包括直線游動與定深巡游在內的簡單運動功能，但其水下機動性能仍與真實的魚類相差甚遠，嚴重限制了它們在工程中的應用[8]。

針對上述不足，以研制游動速度快，機動性能高的拍動式仿生魚為目標，本文將提出一種采用對側柔性胸鰭拍動推進的仿生機器人（以下簡稱“機器魚”）設計方案，并完成相關樣機的制作與游動測試工作。制作完成的機器魚樣機（XJRoman）全長385 mm，翼展寬度為550 mm，總質量約為720 g。樣機在外形上充分借鑒真實鷂鲼（Eagle-ray）的流線型外形，以減少游動時來自水流的阻力。通過兩側的柔性仿生胸鰭同步或異步地拍動，機器魚能夠實現多自由度的靈活運動，擁有良好的水下機動性。

1 拍動式仿鷂鲼機器魚的設計與制作

1.1 機器魚整體設計方案

在充分參考幼年鷂鲼真實的尺寸大小與形態特征后，仿鷂鲼機器魚樣機設計方案如圖1 所示。樣機整體呈流線外形，全長385 mm，翼展寬度為550 mm，采用一對中央柔性仿生胸鰭驅動，并通過位于后端的水平尾舵調控俯仰游動姿態。機器魚中間艙段用于容納包括運動控制板、慣性測量單元與水壓傳感器在內的多種電子設備，為機器魚樣機游動時的姿態與深度信息提供控制與實時數據反饋。

圖1 仿鷂鲼機器魚樣機設計方案示意圖Fig. 1 Schematic design of the myliobatid-inspired robot

1.2 拍動式仿生胸鰭的結構設計與制作

仿生胸鰭是仿鷂鲼機器魚樣機的拍動推進裝置，其結構設計的合理與否很大程度上會影響機器魚本體的整體運動性能。仿生胸鰭的結構設計既要考慮柔性拍動胸鰭的解剖結構特征，又要便于實現和控制[9]。為指導仿鷂鲼機器魚柔性胸鰭的結構設計，對鷂鲼胸鰭進行了解剖實驗。胸鰭樣本整體呈三角旗狀，展弦比約為2。在使用外科手術刀剔除胸鰭表面肌肉組織結構后，得到胸鰭內部的骨骼結構，如圖2(a)所示。其結構由多根呈放射狀排布的鈣化輻骨（鰭條）與輻間軟組織交疊組成。其中，每根輻骨由多段橈骨通過柔性關節連接，并可繞柔性軟骨關節小幅旋轉，展現出良好的生物柔順性。同時，胸鰭相鄰兩根輻骨之間通過細密的軟骨小節連接，一定程度上加強了沿弦長方向的剛性，保證了胸鰭對弦向波形的控制。胸鰭樣本的整體厚度由根部至端部逐漸減小，因此其剛度由內至外逐漸遞減，如圖2(b)所示。

圖2 解剖后的鷂鲼胸鰭實驗樣本Fig. 2 The specimens of a dissected eagle-ray's pectoral fin

通過上述針對鷂鲼胸鰭的解剖學研究可總結出以下結論：

首先，鷂鲼胸鰭整體呈三角旗狀，弦展比約為2。胸鰭內部多輻骨的布局與輻骨上的柔性軟骨相結合，可保證胸鰭運動時的生物柔性，使鷂鲼能夠實現復雜的拍動前進動作，這對其運動的靈活性和穩定性具有較大貢獻。

其次，胸鰭沿翼展方向的非均勻剛度分布特點對鷂鲼運動時的胸鰭展向變形具有重要意義。

因此，在后續的仿鷂鲼機器魚柔性胸鰭的設計中，為達到形態學仿生的目的，應充分借鑒鷂鲼胸鰭的三角旗狀外形、多輻骨的布局與翼展方向的非均勻剛度分布的特點。通過類似的輻骨驅動結構，實現胸鰭的周期性往復拍動。

基于上述鷂鲼胸鰭的形態學特征與解剖學特點，本文中試驗樣機（XJRoman）采用的柔性仿生胸鰭如圖3 所示。柔性仿生胸鰭整體由柔性鰭面與柔性鰭條組成。其中3 根鰭條沿體長方向橫置排列，其間距為100 mm。前緣驅動鰭條（leading edge）與體長方向夾角為80°，翼展方向長度為220 mm，寬6 mm，厚度由根部6 mm 逐漸過渡至端部1 mm。驅動鰭條的非均勻剛度分布設計，可保證拍動時仿生胸鰭外側部分的大幅變形；中部及尾部被動鰭條翼展方向長度分別為180 與100 mm，寬度為4 mm?？紤]到仿生胸鰭的整體柔性變形需求，3 根鰭條均采用柔性較好的高韌性尼龍（PA12）材料通過激光燒結技術制造，其拉伸模量約為1 700 MPa。尼龍材料的密度與水接近，約為1.13 g/cm3，沿XY方向抗斷裂延展率可達20%，能夠滿足柔性仿生胸鰭對材料機械性能的需求。仿生胸鰭的柔性鰭面采用硬度為30A 的硅膠澆筑成型。其中上部鰭面弦向高度為100 mm，展向寬度為220 mm，厚度為2 mm；下部鰭面弦高100 mm，上端與底部寬度分別為180 和100 mm，厚度為2 mm。

圖3 試驗樣機采用的柔性仿生胸鰭Fig. 3 A bionic pectoral fin adopted by the prototype

整個柔性仿生胸鰭通過位于前緣的驅動鰭條往復擺動，被動地驅動整個胸鰭拍動。同時，仿生胸鰭在拍動時能充分利用自身結構剛度分布的特點，通過被動變形形成的擊水角產生向前的推進力。鰭面與鰭條均采用柔性材料制作，鰭面直接與鰭條連接。柔型仿生胸鰭除驅動裝置以外，均采用密度與水接近的零浮力柔性材料制作。單側胸鰭由一個與驅動鰭條相連接的高性能防水舵機驅動，在降低整體質量的同時，最大程度上減少由驅動器引入的機械能損耗，提升機器魚整體的工作效率。

1.3 機器魚樣機

制作完成的仿鷂鲼機器魚樣機（XJRoman）如圖4 所示。整個系統主要由艙體部分、仿生柔性胸鰭、驅動舵機及其內部搭載的電子設備組成。其中，機器魚艙體部分呈流線型，包含頭部艙段、中間艙段與尾舵三個組成部分。上述組成部分均由PA12 尼龍材料通過3D 打印技術制造而成，具有質量輕，強度高的優點。頭部艙段與中部艙段間采用可拆卸式拔插設計。當頭部艙段與中部艙段扣合后，通過O 型密封圈能有效防水。仿生柔性胸鰭與艙體部分通過柔性旋轉鉸鏈連接，并通過位于首部的防水舵機驅動，產生推進力與附加控制力矩。機器魚的尾舵結構主要負責產生俯仰力矩，調節俯仰姿態角。機器魚樣機整體質量為720 g，與其排水量相當。因此在水中剛好保持零浮力狀態。

圖4 仿鷂鲼機器魚樣機的等軸側視圖Fig. 4 The isometric view of the fabricated prototype (XJRoman)

機器魚搭載的電子設備如圖5 所示，主要包括數據通信模塊、姿態感知模塊、深度位置感知模塊、供電模塊及運動控制板。運動控制板由一塊STM32F407IG 單片機及一塊電源管理芯片組成，能為外圍設備提供豐富的接口，其功能主要是負責接收各傳感器傳輸過來的數據，并通過定時器產生相應的脈寬調制（PWM）控制信號，調整舵機擺動角度與速度；無線通信模塊通過USART串口與運動控制板連接，將期望的運動指令傳輸至機器魚；姿態感知模塊與深度位置感知模塊通過I2C 串行通信總線與運動控制板相連，并通過運動控制板中的定時器控制數據的采樣周期。

圖5 試驗樣機電子設備鏈接框圖及物理連接Fig. 5 Diagram of the electronic connection of the prototype

自然界中，鲼科魚通過協調兩側胸鰭的擺動頻率切換不同運動步態，實現靈活且平穩的水中運動。對于拍動式機器魚而言，設計其控制系統不僅需控制各驅動器控制量當前的輸出狀態，還需要考慮各輸出控制量之間的關系對樣機整體運動姿態的影響。因此，本文基于生物分層控制的思想，采用中樞模式發生器 （central pattern generator,CPG） 底層驅動方法，通過控制兩側胸鰭與尾鰭所對應驅動器的輸出角度與耦合關系。試驗樣機CPG 底層驅動控制方法示意圖如圖6 所示。描述CPG 動態特性的數學表達式如下：

圖6 試驗樣機CPG 底層驅動控制方法示意圖Fig. 6 Diagram of the coordinating control method for multiacutators based on CPG

式中：ai，bi和xi為方程中的狀態變量，分別代表第i個振蕩器當前的幅度、偏移量與相位；i=1，2，3 分別為與仿鷂鲼機器魚左側舵機、右側舵機和尾部舵機相對應的相位振蕩器；Ai與Bi分別為第i個振蕩器的期望幅度與期望偏移量；γi與ηi分別為幅值與偏移量的收斂系數，決定了方程中狀態量ai和bi收斂至期望值的速度；fi為振蕩器產生節律信號的頻率；μij為第i個振蕩器與第j個振蕩器之間的耦合系數，決定了對應振蕩器之間的耦合強弱；φij為第i個振蕩器與第j個振蕩器之間的鎖存相位差；θij為第i個相位振蕩器最終輸出的舵機角度。上層PID 控制器僅需通過控制CPG網絡入口，即可實現各驅動器間的協調控制。

PID1 控制器以中央控制板中集成的慣性傳感器（inertial measurement unit , IMU）采集的偏航角作為反饋信號，通過控制f1與f2左右胸鰭拍動頻率的差值，實現游動航向的控制；PID2 控制器則以IMU 采集的俯仰角作為反饋信號，通過調節φ3實現機器魚游動深度的控制。

2 樣機游動性能試驗

2.1 試驗環境與數據處理

仿鷂鲼機器魚樣機（XJRoman）在50 m × 21 m ×2 m 的試驗水域中進行游動性能試驗（圖7）。試驗中使用分辨率為4K 的GoPro-Hero8 防水攝像機對仿生魚樣機的運動實現每秒60 幀的拍攝，隨后通過Adobe Premiere 幀處理軟件計算出機器魚的平均游動速度。

圖7 試驗樣機游動性能測試環境Fig. 7 Experimental environment to test the prototype

2.2 游動速度試驗

基于對鷂鲼游動形態的觀察，鷂鲼主要通過改變對側胸鰭的拍動頻率實現游動姿態、速度的調節。此外，在靜水條件下通過對仿生柔性胸鰭進行的水動力學試驗（圖8 所示）發現，胸鰭在拍動幅度為80°時各拍動頻率下輸出推進力較大。繼續增加拍動幅度，推進力無明顯提升，機器魚反而將受交替變化的升力影響，游動穩定性降低。

圖8 不同驅動參數下仿生胸鰭輸出的平均推進力Fig. 8 The average thrust of the bionic pectoral fin under different actuating frequencies and amplitudes

為測試試驗樣機（XJRoman）的直線游動速度，本文測試了試驗樣機在胸鰭拍動幅度為80°時不同胸鰭驅動頻率下的平均游動速度，測試結果如圖9 所示，試驗測得的游動速度均以倍體長每秒（BL/s）表示。

圖9 試驗樣機在不同拍動頻率下的平均游動速度Fig. 9 The average speed of the prototype while the pectoral fins being actuated in different frequencies

由圖可見，拍動頻率的大小對試驗樣機的游動速度產生了顯著的影響。當機器魚胸鰭的拍動頻率低于0.7 Hz 時，試驗樣機的游動速度隨著胸鰭拍動頻率的增加而大幅增加，并在0.7 Hz 時達到最大值，約為1.9 倍體長每秒。當胸鰭的拍動頻率超過0.7 Hz 后，試驗樣機的平均游動速度隨著胸鰭拍動頻率的遞增而呈現出遞減趨勢。在拍動幅度80°時，機器魚的直線游動速度隨驅動頻率的變化趨勢與仿生胸鰭靜水條件下測得的平均推進力隨驅動頻率的變化趨勢基本一致，且最大值點均出現在拍動頻率0.7 Hz 處。

2.3 機動性能試驗

圖10（a）展示了仿鷂鲼機器魚進行側V 型機動時的運動圖像序列。在游動過程中，胸鰭最大拍幅始終保持80°；左側胸鰭拍動頻率為0.7 Hz；右側胸鰭拍動頻率為0.5 Hz，略小于左側胸鰭。通過對機器魚左右胸鰭的差速控制，提升一側胸鰭所產生的升力與推進力，為機器魚本體提供橫滾與偏航力矩。另一方面，通過調整尾舵的升降幅度，為機器魚本體提供俯仰力矩。V 型機動成功模擬了真實鷂鲼捕捉獵物時的運動狀態，在執行特定目標水域的環境探測以及樣本收集任務中具有潛在應用價值。

圖10（b）展示了機器魚完成橫滾盤旋機動時的運動圖像序列，整個過程可依次分為3 個階段：加速爬升、橫滾與盤旋。首先，機器魚通過同步拍動兩側胸鰭，加速爬升至一定深度，隨后加快左側胸鰭拍動速度使其本體向右弦橫傾，最后協調兩側胸鰭同步慢速拍動以實現平穩的盤旋作動。在本次試驗中機器魚水中盤旋半徑約為0.5 m，展現出了靈活的機動性。橫滾盤旋機動動作模擬了真實鷂鲼搜尋獵物時的運動狀態，可應用于執行對特定目標的偵察跟蹤任務中。

圖10（c）展示了鷂鲼機器魚進行下潛翻滾時的運動序列，從運動序列中可觀察到，機器魚在推進力與尾舵提供的俯仰力矩共同作用下，沿逆時針方向進行翻滾下潛。試驗結果表明，機器魚在尾舵與胸鰭的配合下可以在水中實現大角度的翻滾，展現出了優異的垂直機動性能。

圖10 仿鷂鲼機器魚的機動性能測試序列圖Fig. 10 Snap shots of the prototype during swimming tests

3 結 語

本文基于鷂鲼的生物解剖特點，提出了拍動式仿鷂鲼機器魚樣機的整體設計方案，并完成了初代原型樣機的制作工作。樣機由位于對側的全柔性仿生胸鰭驅動，并依靠尾舵實現俯仰自由度的調控。采用密度較小的高韌性尼龍(PA12)材料代替傳統的金屬材料制作殼體，降低了整體質量，從而保證了樣機水下的機動性。設計的CPG底層驅動方法能有效協調左右胸鰭及尾舵的周期性擺動，提升機器魚樣機游動時的穩定性。通過對仿生機器魚樣機的游動性能測試可知，在保持柔性胸鰭拍動幅度為80°的條件下，兩側柔性胸鰭拍動頻率大小的改變對試驗樣機的游動速度產生了顯著的影響。在一定頻率范圍內，通過增加對側胸鰭的拍動頻率能提升柔性仿生胸鰭輸出的平均推進力，從而提升機器魚樣機的游動速度，其最大游動速度可達1.9 倍體長每秒。而當拍動頻率超過0.7 Hz 后，增加對側胸鰭的拍動頻率未能有效提升機器魚樣機的游動速度。因此在后續的研究中，實現柔性胸鰭拍動頻率的在線監測與控制，使樣機處于較高效的工作區間尤為重要。

此外在機動性能測試中，本文所設計的拍動式仿鷂鲼機器魚可實現側V 機動、橫滾盤旋與翻滾機動等多種敏捷的水下運動，展現出了優異的機動性能。樣機在執行水下搜救、探測以及戰術打擊等任務中具有較大應用前景。