輕小型磁動力機(jī)器魚機(jī)械設(shè)計與致動機(jī)理研究

曹致榮 沃增亞 黃 朋 顏 欽

（蘇州科技學(xué)院，江蘇 蘇州215009）

0 引言

魚類是地球上最早的脊椎動物，在大自然已經(jīng)進(jìn)化了至少5億年，其外形構(gòu)造以及運(yùn)動原理非常適合水下生活。魚類在水中主要靠體干波動以及魚鰭的規(guī)律性非定常運(yùn)動實現(xiàn)各種運(yùn)動，包括啟動、巡游、轉(zhuǎn)向、加減速以及沉浮等動作。

魚類的游動具有以下特點(diǎn)：

（1）運(yùn)動效率高，阻力小。

（2）機(jī)動性高。魚類具有很好的啟動、加速、轉(zhuǎn)向、制動、懸停、上升下潛等機(jī)動能力。

（3）噪聲小、對環(huán)境的擾動小。魚類的身體和尾鰭波狀運(yùn)動推進(jìn)的噪聲和對環(huán)境的擾動遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于螺旋槳驅(qū)動的水下航行器。

因此，仿照魚類的外形以及游動機(jī)理，制造出仿生機(jī)器魚系統(tǒng)使之具有高效、靈活的水下巡游能力，可以應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下資源探測、生物研究和軍事偵察等領(lǐng)域。

目前仿生機(jī)器魚研究是國內(nèi)外水下機(jī)器人研究的熱點(diǎn)，大部分都采用電機(jī)驅(qū)動的模式，也有一些研究機(jī)構(gòu)采用形狀記憶合金、壓電陶瓷等智能材料作為驅(qū)動元件。如：美國MIT研制的RoboTuna和后續(xù)的仿魚推進(jìn)器［1］，日本運(yùn)輸省船舶技術(shù)研究所研制的PF系列機(jī)器魚，英國Essex大學(xué)研制的仿生機(jī)器鯉魚［2］以及美國西北大學(xué)研制的波動鰭推進(jìn)器［3］等。國內(nèi)的仿生機(jī)器魚主要有中科院北京自動化所的機(jī)器魚和仿生海豚［4］、北京航空航天大學(xué)的SPC系列潛水器［5］和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的形狀記憶合金仿生機(jī)器魚［6］以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的仿生機(jī)器魚［7－8］和形狀記憶合金仿生魚鰭［9］。

以上提及的電機(jī)關(guān)節(jié)級連或人工肌肉驅(qū)動的仿生機(jī)器魚，主要存在體積冗余、難于防水、控制復(fù)雜等問題，特別是電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的防水問題，給仿生機(jī)器魚的應(yīng)用帶來很大的制約。針對以上問題，本文提出一種新型的采用磁動力驅(qū)動的仿生機(jī)器魚推進(jìn)機(jī)構(gòu)，能耗低，不需要考慮驅(qū)動機(jī)構(gòu)的防水問題，而且控制方便簡單，續(xù)航能力得到了極大的提升。

1 磁動力仿生機(jī)器魚機(jī)械設(shè)計

磁動力仿生機(jī)器魚主要包括能夠調(diào)整重心的魚身和利用磁動力驅(qū)動提供推力的魚尾兩大部分，如圖1所示。魚身部分包括系統(tǒng)控制模塊和重心調(diào)整機(jī)構(gòu)，魚尾部分包括磁動力擺動機(jī)構(gòu)和柔性尾鰭。

圖1 磁動力仿生機(jī)器魚機(jī)械設(shè)計

1.1 魚身部分

魚身是一個密閉的殼體，采用分體設(shè)計，兩個分體通過螺紋連接，各縫隙處均適用密封膠進(jìn)行密封。該設(shè)計不僅方便拆卸，又具有較好的防水性能。魚身的材料采用PVC，在保證一定強(qiáng)度的前提下減少機(jī)器魚的重量。魚身的外形仿照真實魚類，采用曲面建模完成流線型的設(shè)計，使其擁有較好的流體力學(xué)性能，寬50mm，長80mm，左右魚眼及魚嘴部分各留一個紅外測距傳感器安裝孔。設(shè)計中首先通過SolidWorks軟件繪制魚身的3D模型，并通過該軟件計算出魚身內(nèi)體積大小，計算出所受最大浮力。估算出受到的浮力后，還需要調(diào)整配重塊重量使整個機(jī)器魚重量與所受浮力大致相當(dāng)，使靜止的機(jī)器魚能在水中懸浮。設(shè)計完成后，魚身采用激光快速成型技術(shù)加工而成。

系統(tǒng)控制模塊包括中央處理器、信息采集系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)。系統(tǒng)控制模塊的所有系統(tǒng)都集成在一塊電路板上，與重心調(diào)整機(jī)構(gòu)平行放置。電源采用兩節(jié)2 400mAh鋰電池，電池倉位于魚身最下方，降低重心，提高機(jī)器魚的穩(wěn)定性。

重心調(diào)整機(jī)構(gòu)是由舵機(jī)帶動配重塊來實現(xiàn)的，配重塊在舵機(jī)的驅(qū)動下可以通過前后移動來調(diào)節(jié)魚體的重心，從而改變魚體的姿態(tài)。當(dāng)配重塊在前端時，魚頭朝下，魚尾推著機(jī)器魚下沉；當(dāng)配重塊在后端時，魚頭朝上，機(jī)器魚向上浮起。配重塊采用鉛條進(jìn)行切割，使其擁有較大的密度，力求在符合要求的前提下盡量節(jié)省空間。為了保持魚身在水中的平衡，分別測量了電路板和重心調(diào)整機(jī)構(gòu)的精確重量，并確定了兩者在魚身中的相對位置。

另外，魚身部分還包含一些配件，如紅外傳感器探頭、防水開關(guān)、充電樁等。紅外傳感器探頭用來檢測障礙，通過軟件實現(xiàn)自動避障，從而達(dá)到自主巡游的目的。電源開關(guān)采用撥動式開關(guān)，撥桿外表套上了防水軟塞，以防止水從縫隙中滲入魚身中。三根充電樁用于為鋰電池充電，充電時兩邊的兩根充電樁連接電源正負(fù)極，中間則連接兩節(jié)串聯(lián)電池的中間結(jié)點(diǎn)，用于對比兩節(jié)電池的實時電量并自動平衡，提高電池使用壽命。

1.2 魚尾部分

魚尾部分由磁動力推進(jìn)機(jī)構(gòu)和柔性尾鰭組成，為仿生機(jī)器魚的動力來源，采用磁感應(yīng)線圈與強(qiáng)磁擺子組合通過變化電流激勵的方式來產(chǎn)生動力，如圖2所示。

圖2 仿生機(jī)器魚魚尾推進(jìn)機(jī)構(gòu)示意圖

線圈采用絲徑0.15mm的漆包線纏繞在有機(jī)玻璃筒管上制成。漆包線為銅絲表面進(jìn)行烤漆處理，具有很好的導(dǎo)電性和表面絕緣性，把漆包線沿著同一方向（順時針或逆時針）緊密地纏繞在直徑為40mm的有機(jī)玻璃筒管上，即形成了中空的磁感應(yīng)線圈。在線圈上接入電流即能產(chǎn)生磁場，如果改變電流方向，就能相應(yīng)地改變線圈的磁場方向。只要交替改變電流方向，就能得到交替變化的磁場。由于筒管中心軸線上漆包線的端點(diǎn)處磁場最強(qiáng)，且沿著軸向方向，故在此位置安裝強(qiáng)磁擺子。

強(qiáng)磁擺子是采用兩個圓形的銣鐵硼永磁體吸合安裝在旋轉(zhuǎn)軸的中心位置上，而旋轉(zhuǎn)軸的兩端則安裝在兩個小軸承上，旋轉(zhuǎn)軸的末端通過卡銷把小軸承內(nèi)圈鎖住，避免小軸承脫離。強(qiáng)磁擺子在磁感應(yīng)線圈接入交變電流時，就能左右自由地往復(fù)擺動。

柔性尾鰭主要是由尾柄和鰭面組成，尾柄采用較硬的PVC薄板制成，用于傳遞力矩；鰭面則參照自然界中的魚類做成新月形，并采用柔軟的乳膠材料制成。連接在所述的磁動力擺動機(jī)構(gòu)上，當(dāng)線圈中通過向交替變化的電流時，磁動力機(jī)構(gòu)就會帶著柔性尾鰭左右擺動擊水，產(chǎn)生向前游動的推進(jìn)力。為防止強(qiáng)磁擺子在電磁力的作用下偏轉(zhuǎn)角度過大，影響回擺動作，尾柄被裁剪得較長，另一端穿過強(qiáng)磁擺子伸入圓筒中，并且在圓筒的適當(dāng)位置加入限位塊，從而使魚尾擺幅變得可控。

強(qiáng)磁擺子和柔性尾鰭的連接方式如圖2所示，柔性尾鰭和旋轉(zhuǎn)軸是由兩個圓形強(qiáng)磁體吸合夾持在中間，同時用硅膠粘合固定，這樣方便安裝和拆卸。當(dāng)需要更換圓形強(qiáng)磁體時，只要把硅膠去掉，拆開兩個強(qiáng)磁體，便可把上下半軸取下，換上新的圓形強(qiáng)磁體，整體過程簡單方便，易于操作。

2 磁動力仿生機(jī)器魚致動機(jī)理

2.1 機(jī)器魚前進(jìn)機(jī)理

仿生機(jī)器魚前進(jìn)推進(jìn)力的運(yùn)動控制主要分成4個節(jié)拍，圖3（A）為右靜止?fàn)顟B(tài)（圖中向上為右，向下為左），圖3（B）為左擺驅(qū)動，圖3（C）為左靜止?fàn)顟B(tài)，圖3（D）為右擺驅(qū)動。線圈的電流i方向如圖3（E）控制信號圖所示，當(dāng)處于圖3（A）狀態(tài)時，線圈中不接入電流，當(dāng)向左擺動時，此時線圈接入＋I(xiàn)大小的電流，則尾鰭運(yùn)動到達(dá)最左邊，推進(jìn)機(jī)構(gòu)處于圖3（C）的左靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)向右擺動時，此時線圈接入－I大小的電流，則尾鰭運(yùn)動到達(dá)最右邊。如此反復(fù)，磁動力推進(jìn)機(jī)構(gòu)就能實現(xiàn)左右來回擺動，提供向前推進(jìn)的動力，同時通過改變線圈電流i的大小和頻率，就能改變擺動的快慢和幅度，從而改變推進(jìn)力的大小。

圖3 機(jī)器魚前進(jìn)機(jī)理示意圖

2.2 機(jī)器魚右轉(zhuǎn)機(jī)理

仿生機(jī)器魚右轉(zhuǎn)動力的運(yùn)動控制同樣分成4個節(jié)拍，圖4（A）為右靜止?fàn)顟B(tài)，圖4（B）為左擺驅(qū)動，圖4（C）為中間靜止?fàn)顟B(tài)，圖4（D）為右擺驅(qū)動。線圈的電流i方向如圖4（E）控制信號圖所示，當(dāng)處于圖4（A）狀態(tài)時，此時線圈中不接入電流，當(dāng)向左擺動時，此時線圈接入＋I(xiàn)大小的電流，則尾鰭運(yùn)動向左擺動到達(dá)中間位置，推進(jìn)機(jī)構(gòu)處于圖4（C）的中間靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)向右擺動時，此時線圈接入－I大小的電流，則尾鰭運(yùn)動到達(dá)最右邊。如此反復(fù)，磁動力推進(jìn)機(jī)構(gòu)就能實現(xiàn)在右翼區(qū)域來回擺動，提供向右轉(zhuǎn)彎的動力，同時通過改變線圈電流i的大小和頻率，就能改變擺動的速度和幅度，從而改變轉(zhuǎn)彎角度的大小。此種情況與上述前進(jìn)情況的控制信號的不同就在于前進(jìn)推進(jìn)時向左向右擺動的時間是一樣的，而右轉(zhuǎn)彎時向左擺動的時間只是向右擺動的一半，所以柔性尾鰭就只在右翼區(qū)域來回擺動，從而實現(xiàn)了右轉(zhuǎn)彎。

2.3 機(jī)器魚左轉(zhuǎn)機(jī)理

仿生機(jī)器魚左轉(zhuǎn)動力的運(yùn)動控制也是分成4個節(jié)拍，圖5（A）為右靜止?fàn)顟B(tài)，圖5（B）為左擺驅(qū)動，圖5（C）為中間靜止?fàn)顟B(tài)，圖5（D）為右擺驅(qū)動。此種情況與上述右轉(zhuǎn)彎的情況原理相同，只是控制信號的方向恰好相反，在此不作贅述。

圖4 機(jī)器魚右轉(zhuǎn)機(jī)理示意圖

圖5 機(jī)器魚左轉(zhuǎn)機(jī)理示意圖

3 實驗測試

磁動力仿生機(jī)器魚樣機(jī)如圖6所示，具體參數(shù)詳如表1所示。為了獲得仿生機(jī)器魚游動性能，我們首先測試了機(jī)器魚的能耗，并與使用舵機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的能耗作了對比分析，接下來對魚尾擺動頻率f對仿生機(jī)器魚巡航速率的影響進(jìn)行了研究。

圖6 磁動力仿生機(jī)器魚樣機(jī)

表1 仿生機(jī)器魚的參數(shù)

實驗是在充氣游泳池中進(jìn)行的，尺寸大約為2.5m×1.5m×0.5m。為保證所有實驗?zāi)茉谕葪l件下進(jìn)行，在實驗中，機(jī)器魚的能源由穩(wěn)壓直流電源進(jìn)行供電，而不采用裝在機(jī)器內(nèi)部的電池。

圖7是實驗用的充氣游泳池。

圖7 實驗水池

3.1 仿生機(jī)器魚能耗實驗

在實驗中，分別對舵機(jī)和磁動力推進(jìn)機(jī)構(gòu)在同樣的環(huán)境中進(jìn)行能耗測試（擺幅A＝16.2mm，柔性系數(shù)K＝0.48，電源電壓U＝7.2V，其中，柔性系數(shù)K為彈性長度占尾鰭總長度的比例）。如圖8所示，可以看出兩種驅(qū)動方式中電流隨頻率增大而增大，近似線性關(guān)系。同時，磁動力推進(jìn)機(jī)構(gòu)的電流接近舵機(jī)的一半，這說明磁動力的方式非常節(jié)能，能耗比舵機(jī)減少了50%。有一點(diǎn)需要指出的是，在實驗中，舵機(jī)由于機(jī)械響應(yīng)性能的限制，不可能實際達(dá)到4.8Hz和6Hz的頻率，所以此時擺幅較小，電流快速增大，如圖中橢圓標(biāo)注。

圖8 舵機(jī)和磁動力推進(jìn)機(jī)構(gòu)的能耗比較

3.2 頻率對速度的影響實驗

為了考察速度和頻率之間的關(guān)系，我們對仿生機(jī)器魚在不同頻率下的速度進(jìn)行了測試，如圖9所示，實驗結(jié)果如圖10所示（A1＝16.2mm，A2＝21.5mm，K＝0.48）。從中可以看出，隨著頻率的增加，速度先增加然后到達(dá)一個峰值隨后再減小，兩條曲線變化趨勢一致。這種現(xiàn)象是由于該推進(jìn)機(jī)構(gòu)存在一個速度極限，導(dǎo)致了尾鰭的振幅不可能達(dá)到預(yù)設(shè)的值，因此推進(jìn)機(jī)構(gòu)的推力在高頻時會減小。在這項測試中，兩條曲線相互非常吻合，都在1.6Hz的頻率上取得速度最大值，為100mm／s，相當(dāng)于1s半個身位的速度。

4 結(jié)語

本文設(shè)計和研制了一種新型的小型磁動力仿生機(jī)器魚，在這個設(shè)計中，磁動力推進(jìn)機(jī)構(gòu)是一個亮點(diǎn)，簡單、節(jié)能且易于小型化。文章首先介紹了磁動力仿生機(jī)器魚的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并詳細(xì)闡述了磁動力推進(jìn)機(jī)構(gòu)的致動機(jī)理，為了研究仿生機(jī)器魚的運(yùn)動性能，我們做了一系列實驗并得出了結(jié)論：磁動力仿生機(jī)器魚非常節(jié)能，在同等條件下比舵機(jī)驅(qū)動減少50%的能耗；仿生機(jī)器魚在頻率1.6Hz時獲得較高的運(yùn)動效率。在未來的工作中，我們將會采用ANSYS對磁動力推進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行電磁場仿真，同時，還需要做更多的實驗來研究游動效率、機(jī)動性能以及上浮和下沉的性能。

圖9 磁動力仿生機(jī)器魚巡游序列圖

圖10 速度和頻率之間的關(guān)系

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