仿牛鼻鲼機器魚倒游性能胸鰭結構設計與實驗

李 博 ,余應明 ,曹永輝 ,,郝藝偉 ,潘 光 ,,曹 勇 ,*

(1.西北工業大學寧波研究院 無人航行技術研究中心,浙江 寧波,315048;2.西北工業大學 航海學院,陜西 西安,710072)

0 引言

隨著海洋探索和開發需求的增加,自20 世紀90 年代,仿生機器魚已逐漸成為各高校及科研院所熱點研究領域之一。目前,國內外仿生學研究人員普遍按照魚類的推進部位和特點將仿生機器魚分為2 種,即身體/尾鰭模式 (body and caudal fin,BCF)和中央鰭/對鰭模式(median and/or paired fin,MPF)[1-2]。綜合現有研究結論,胸鰭推進模式具有低速推進效率高、游動穩定性好且機動性優良的特點[3-4];而胸鰭推進模式的仿生機器魚又可以按照胸鰭鰭條的數目細分為2 類: 單鰭板驅動和多鰭條驅動。畢樹生團隊[5-9]研制了系列胸鰭擺動推進的工程樣機(Robo Ray 1～5),其擺動胸鰭更加有效,游動速度近2 kn,同時經過多次的版本迭代,從外形和游態上更加逼近真實魚類;邢城[10]設計了基于擺旋驅動單鰭板結構布局的工程樣機,分析了擺旋機構的運動機理并對樣機的推進性能進行了測試;沈林成等[11]對于多鰭條仿生魚波動胸鰭進行設計和研究,對鰭條的結構、力學性能和運動規劃、控制等方面開展相關研究;武志軍[12]則研制了仿晶吻鰩機器魚,通過偏心輪機構實現多鰭條的波動傳遞,得到的直線前游和轉彎機動實驗數據與計算機仿真數據匹配較好;范增等[13]以魟魚為仿生原型,設計了一款多鰭條波動機器魚,測試研究了機器魚最大平均推力為2.8 N,最大游速達121 mm/s。

從以上研究進展可以了解到,單板胸鰭是通過單電機或兩電機配合驅動中間機構帶動單鰭板,經過對鰭板不同截面的剛度分布進行設計,使得胸鰭拍動時發生變形從而推動水流獲得推進力,其推進效率高且游動穩定性好,以往研究大多圍繞胸鰭推進機構的設計與優化,如優化前游的推進效率、速度及穩定性,但針對倒游推進性能的研究并不多見;同時由于多鰭條驅動是通過多個電機帶動對應鰭條在不同時間規律的上下擺動,形成連續的拍動水流,使得其擁有高機動及倒游特性,但其穩定性能較差并且能耗較高。

文中為兼顧游動穩定性及倒游特點,設計了一種基于胸鰭擺動推進模式的分體式仿生柔體胸鰭結構,并將仿牛鼻鲼機器魚模型在循環水槽中進行分體胸鰭與完整胸鰭對比測試實驗。循環水槽撲動推進實驗結果表明,分體胸鰭結構方案隨著頻率和幅值的增加,向后推力增加明顯,并且2 種胸鰭結構前游推力接近,因此為仿牛鼻鲼機器魚實現高穩定性及高機動性的控制研究提供參考。

1 仿生魚胸鰭推進機構設計

1.1 生物胸鰭特征分析

胸鰭擺動推進的魚類以鲼科為代表,其中蝠鲼與牛鼻鲼最為典型(見圖1)。此種魚類身體呈扁平且總體呈菱形,具有一對較大且近似三角形的胸鰭[14];在運動過程中,胸鰭的柔性變形是影響推進效率的最大因素[15],距離身體遠端的鰭尖部分變形較大,而鰭根部分變形較小。Schaefer 等[16]通過對胸鰭擺動魚類的研究,發現鲼科魚類胸鰭骨架有相似性,即胸鰭骨骼沿展向(即沿翼展方向)呈現放射狀,且沿弦向(即沿身長方向)依次排列布局,其剛度分布: 靠近頭部鈣化嚴重,剛度更強;遠離身體鈣化程度越弱,剛度減小;同時胸鰭骨骼之間聯結并產生交叉支撐,通過肌肉帶動對應骨骼進行靈活變形以及擺動拍水游動。Curet 等[17]分析了蝠鲼胸鰭的外形、肌肉以及骨骼分布,研究表明骨骼沿展向平行排列,每根骨骼在肌肉的帶動下可以繞著鰭根轉動,并且胸鰭骨骼和肌肉形成交叉支撐結構。鈣化的骨骼在胸鰭內部按照放射狀排布,其軟骨部分由多段橈骨組成,可以繞橈骨關節處做小幅值轉動,因此在胸鰭展向體現出一定的柔性。與此同時,各橈骨之間存在交錯式的聯結以及肌肉的結合,因此整個胸鰭仍會表現出一定的剛度。Salazar 等[18]對黃貂魚和蝠鲼的骨骼結構進行對比,研究發現黃貂魚胸鰭骨骼越靠近身體內側,網狀支撐結構越多,而在胸鰭邊緣的骨骼更加獨立;但蝠鲼的胸鰭骨骼幾乎都是交叉支撐結構。Menzer 等[19]針對蝠鲼胸鰭前緣渦以及胸鰭彎曲度進行流體分析,詳細分析了蝠鲼游動時胸鰭弦向攻角對推力的影響以及在此條件下所產生前緣渦場的表現形式。從現有對其胸鰭研究的文獻資料總結出以下特點: 1) 牛鼻鲼整體外形近似菱形,胸鰭輪廓近似三角形,且前緣至后緣的截面近似Naca 翼型曲線;2) 牛鼻鲼在游動過程中,展向及弦向上分別近似產生正弦波動,通過胸鰭拍動水流從而產生推力;3) 從對現有標本掃描胸鰭骨骼發現胸鰭的鈣化分布從內至外逐漸變弱,并且骨骼與肌肉緊密結合,使胸鰭有良好的復合柔性,如圖2 所示[16]。

圖1 牛鼻鲼標本Fig.1 Cow-nosed ray specimen

圖2 生物學骨骼分布Fig.2 Distribusion of biological skeleton

綜合考慮以上胸鰭運動特點,以牛鼻鲼胸鰭為仿生對象,并且對胸鰭的結構優化設計進一步測試驗證,討論一種同時具有良好前游推力和倒游性能的胸鰭結構,從而實現仿牛鼻鲼機器魚在沉船考察、珊瑚礁監測等小空間場景的應用能力。

1.2 胸鰭結構設計

為實現仿牛鼻鲼機器魚胸鰭的擺動效果,采用雙舵機搭配擺旋機構帶動胸鰭鰭板的方式,胸鰭鰭板由鰭板骨架和硅膠蒙皮組成,其骨架通過3D打印制得,將完整胸鰭鰭板和分體胸鰭鰭板在擺旋結構固定位置進行同位更換,保證基礎結構的一致性;在機械與模型的背部設有六維力/力矩傳感器法蘭接口,可以實現在實驗平臺的對接,具體驅動方案如圖3 和圖4 所示。

圖3 仿牛鼻鲼機械魚模型Fig.3 Robotic cow-nosed ray model

圖4 實驗模型Fig.4 Experimental model

由于實驗平臺尺寸的限制,設計以上仿牛鼻鲼機器魚工程樣機模型翼展為0.4 m,體長為0.25 m;現有設計完整胸鰭(即單板柔性鰭板)作為測試對照組,完整胸鰭鰭板(見圖5)弦向剛度由不同大小和深度的溝槽實現剛度連續變化,并且在尾緣處分離處理,擺旋機構驅動完整胸鰭結構(見圖6),從而實現胸鰭鰭板在拍動過程中展向連續被動彎曲且弦向同樣有被動彎曲,這樣連續的拍動增加了運動過程中高效的前游推進。

圖5 完整胸鰭鰭板結構Fig.5 Structure of complete pectoral fin

圖6 擺旋驅動完整胸鰭Fig.6 Swinging drive complete pectoral fin

分體胸鰭鰭板設計由前緣鰭板和后緣鰭板組成(見圖7),并且鰭板展向尖部和鰭板弦向設計有多個不同溝槽;為在撲動過程中增加鰭板弦向變形連續性,選擇0.6 mm 硅膠作為蒙皮材料貼敷在鰭板上下兩側,構成具有展向連續被動變形和弦向擺旋機構主動驅動帶動鰭板被動連續變形的分體胸鰭結構(見圖8)。

圖7 分體胸鰭鰭板結構Fig.7 Split pectoral fin stucture

圖8 擺旋驅動分體胸鰭Fig.8 Swinging drive split pectoral fin

2 水動力實驗設計

2.1 實驗平臺

實驗平臺為一小型循環水槽,其外形尺寸為6 750 mm×1 805 mm×3 000 mm,試驗段截面積尺寸為1 500 mm×600 mm×800 mm,最高水深600 mm;樣機身長方向為六維力/力矩傳感器X方向,翼展方向為Y方向,垂直方向為Z方向,實驗模型布局見圖9;將實驗模型放置在實驗平臺后,通過計算機對其進行控制,實現單側兩舵機輸出弦向正弦擺動。

圖9 循環水槽實驗平臺Fig.9 Circulating water tank experimental platform

循環水槽可以提供穩定流速,且其流速范圍為0.05～1.2 m/s,水流精度見表1。

表1 循環水槽參數Table 1 Parameters of circulating water tank

由于測試胸鰭尺寸較小,產生推力較小并且推力測量精度較高,因此選用ATI 六維力/力矩傳感器型號為SI-125-3,詳細參數見表2,其中Fx、Fy、Fz為空間坐標方向的力,Tx、Ty、Tz為空間坐標方向對應的力矩。

表2 六維力/力矩傳感器參數Table 2 Parameters of six dimensional force/torque sensor

2.2 實驗方案設計與測試

擺旋機構是實現兩驅動舵機與鰭板連接及傳動的重要組件,平面運動如圖10 所示。所有零件的關系: 零件1 與零件3 通過旋轉副連接;零件3與零件4 通過圓柱副連接;零件4 與零件5 通過旋轉副連接;零件5 與零件2 通過圓柱副連接。此機構運動構件n=5,空間每個構件自由度為6,pi(i=1···5)為該構件空間約束數,因此可以計算擺旋機構的空間自由度為

圖10 擺旋機構二維原理圖Fig.10 Two-dimensional diagram of swing structure

經過計算得到擺旋機構空間自由度為2,與運動輸入數相等,因此采用兩舵機輸入時可以確定各構件的運動及位置。

在實驗測試中,通過分別控制舵機1 與舵機2 轉動帶動擺旋機構(見圖10)運動且兩舵機轉動角度隨時間保持一定角度值(以下稱為相位差),從而帶動胸鰭鰭板形成對應相位差角度的攻角,在連續運動作用下,鰭板表現為正弦擺動推水;在此過程中,當舵機1 先于舵機2 轉動且保持一定相位差則該胸鰭產生向前推力;反之,舵機2 先于舵機1 轉動且保持一定相位差則該胸鰭產生向后推力。

為實現胸鰭連續拍動,對兩舵機的運動控制需按照如下方程進行描述

式中: θ1(t)與 θ2(t)分 別為在時 刻t時一 級擺桿和二級擺桿在其回轉平面中偏離中心位置的角度值;A1和A2分別為一級擺桿和二級擺桿設定偏離中心位置的最大幅值角度;?1和 ?2分別表示驅動擺桿的轉動角速度,在此實驗中設定角速度相等即?1=?2,由于角速度 ?=2πf,因此兩驅動擺桿轉動頻率亦相等;φ為兩驅動擺桿之間運動時的時序差,即運動相位差;δ1、δ2為兩驅動擺桿中心線所在平面與樣機中性面的初始夾角,由于文中討論的胸鰭為對稱撲動,理論上此角度設置為0。

通過以上描述分析可知,在控制樣機運動時需要給定3 個變量分別為轉動幅值A=20°、30°、40°,撲動頻率f=0.2、0.4、0.6、0.8 Hz 及擺桿運動相位差 φ,其中相位差設定為60°。依次按照以上設計變量進行水動力測試實驗。

3 實驗結果分析

通過完成一系列水動力實驗,直流穩壓電源供電電壓為7.4 V,將六維力/力矩傳感器采集的推力Fx數據及各工況下電流數據進行統計,分別比較不同胸鰭結構對推力及推力等效效率的影響;將推力Fx取平均值,得到胸鰭在20 個周期撲動過程中的平均推力,并將采集的電流值同樣進行取平均;由功率P∝電流I,用 |Fx|表 示推力Fx數值均值,其與電流I的比值表示為推力等效效率 ε,即ε=|Fx|/I。

3.1 游動推力分析

對比分析前游推力數據及倒游推力數據,結果見表3。

表3 推力對比分析Table 3 Comparison analysis of thrust

1) 分體胸鰭方式在前游(φ=-60°)工況下,與完整胸鰭方式在測試條件內推力值接近,但隨著頻率的增加,分體式胸鰭推力增加的斜率大于整體式胸鰭方式,在高頻率、大幅值撲動的條件下,分體胸鰭方式可以提供更大的前游推力。

2) 分體胸鰭方式在倒游(φ=60°)工況下,在低頻率、小幅值的條件下產生的倒游推力較整體式胸鰭方式差,而隨著頻率、幅值的增加,倒游推力增加顯著。

實驗樣機翼展與體長比為1.6,參照二維波動板[20]理論進行分析。前游工況下,完整胸鰭鰭板弦向剛度較分體胸鰭鰭板弦向剛度弱,在低拍動頻率和低拍動幅值時完整胸鰭鰭板弦向產生被動變形,即流體渦在胸鰭鰭面變形處脫落從而形成前向推力;但隨著拍動頻率和拍動幅值的增加,分體胸鰭鰭板的被動變形明顯優于整體胸鰭鰭板,從而使流體渦脫落更加順暢,分體胸鰭方式在更大的頻率和幅值條件下推力將優于整體胸鰭方式。反之,在倒游的工況下,由于分體胸鰭鰭板尾緣的剛度要大于整體胸鰭鰭板,但在低頻率、小幅值的條件下,分體胸鰭鰭板弦向剛度差較小,所以此條件倒游推力差于整體胸鰭鰭板;隨著拍動頻率和幅值的增加,分體胸鰭鰭板弦向變形明顯,有利于流體渦脫落,因此此時倒游推力顯著增加。

3.2 等效效率分析

通過表3 的對比結果發現,分析驗證2 種胸鰭結構產生的推力效率是十分必要的,因此按照以上方法分析了不同工況下的等效效率對比曲線(見表4),結果如下。

表4 推力等效效率對比Table 4 Comparison of thrust equivalent efficiency

1) 在前游(φ=-60°)工況下,隨著幅值和頻率的增加,推力等效效率接近,但分體胸鰭在幅值20°時推力等效效率明顯優于完整胸鰭,并且在不同拍動幅值的條件下,幅值越大,等效效率拐點發生的頻率越小。

2) 在倒游(φ=60°)工況下,隨著撲動頻率的增加,完整胸鰭的推力等效效率逐漸下降,而分體胸鰭推力等效效率逐漸增加;然而隨著撲動幅值的增加,完整胸鰭在相同頻率的情況下,推力等效效率也表現出下降趨勢,而分體胸鰭的推力等效效率則表現出增加趨勢,同時兩胸鰭結構倒游的等效效率曲線交點的頻率逐步減小。

從以上結論可以看出,前游條件下,隨著幅值的增加,分體胸鰭鰭板的等效效率拐點頻率逐漸減小,根據二維波動板理論,胸鰭鰭板產生足夠的被動變形,有利于流體渦的脫落。倒游條件下,實驗曲線表明,隨著頻率的增加分體胸鰭等效效率曲線斜率向上,且完整胸鰭等效效率曲線斜率向下;根據二維波動板理論,隨著幅值的增加,胸鰭鰭板產生被動變形,有利于流體渦在鰭板前緣的脫落,所以分體胸鰭鰭板與完整胸鰭鰭板等效效率曲線交點頻率逐漸減小。

3.3 小結

基于二維波動板理論并對2 種胸鰭結構的推力和等效效率數據進行整理,文中設計的分體胸鰭方式隨著拍動頻率和幅值的增加,前游推力與完整胸鰭方式接近,但斜率較后者更大;前游推力等效效率會隨著拍動幅值的增加而發生拐點,并且拐點頻率逐步變小;倒游推力同樣隨著幅值的增加拐點頻率逐漸減小,且分體胸鰭方式倒游推力顯著優于完整胸鰭方式;倒游推力等效效率亦體現此規律。

綜上所述,分體胸鰭結構在前游推力和推力等效效率接近的情況下,產生倒游的推力及等效推進效率的曲線斜率隨著拍動頻率和拍動幅值增加均保持遞增趨勢,較完整胸鰭結構明顯提升。

4 結論

文中針對2 種胸鰭結構進行對比實驗,為解決擺旋機構胸鰭倒游推力的需求進行結構優化及驗證,通過前游和倒游推力以及前游和倒游推力等效效率2 個方面的綜合對比,分析表明: 1) 分體胸鰭結構的前游推力稍低于完整胸鰭,但隨著頻率和幅值的增加將優于完整胸鰭結構;分體胸鰭結構的倒游推力同樣隨著頻率和幅值的增加而優于完整胸鰭;2) 分體胸鰭結構的推力等效效率隨著頻率和幅值的增加而增加,在高頻大幅值的情況下優于完整胸鰭。文中2 種胸鰭結構隨著拍動幅值的增加,拐點頻率逐漸減小,因此,鰭板結構剛度分布對推力的影響較大。實驗亦表明優化胸鰭結構在近乎不影響前游推力的情況下可以提升倒游推力。未來將進一步從優化胸鰭剛度的分布和流場分析的角度提升胸鰭的推進性能,從而使基于擺旋推進機構仿生魚的游動穩定性及機動性得到綜合提升。