一種仿生水母機器人的實現

高振幫　李志剛　梁擁成　崔秀芳

【摘 要】隨著海洋保護與水下偵查的需要，水下機器人越來越受到人們的重視，可以承擔水下環境監測與生物生長魚群遷移等等任務。而水母是一種柔性生物，僅憑借對腔體大小改變可實現便捷的轉向和定軌跡的行程行進。但是目前的仿水母機器人游動穩定性差、方向不易控制。因此，需要一種新的技術方案以解決上述問題。

【關鍵詞】水母機器人；穩定性；技術方案

中圖分類號：TB333 文獻識別碼：A 文章編號： 2095-2457（2018）06-0262-002

【Abstract】With the needs of marine protection and underwater detection， underwater robots have received more and more attention from people， and they can assume tasks such as underwater environment monitoring and biological growth fish migration. The jellyfish is a kind of flexible creature， and it can achieve convenient steering and fixed track travel only by changing the size of the chamber. However， the current swimming robots have poor stability and difficulty to control their orientation. Therefore， a new technical solution is needed to solve the above problems.

【Key words】Jellyfish robot； Stability； Technical solutions

0 課題的提出及意義

“Machine jellyfish”是festo公司[1-3]設計并研發的氦氣動能源的兩棲水母類機器人成果，旨在海況和空航領域，”Cyro”是美國Virginia Tech提出和開發一種依靠8塊電機驅動8個機械臂的類水母 “軟”的機械臂型陸用機械水母，已在軍民行業展開適當的范圍的調試與運用。國內哈工大機器人組開展的多連桿仿生器水母機構的初步研究，取得部分效力，可開展例如緩水流與急流復雜交變的模擬海況的試驗探索。[4-6]本文擬提出一種克服冗余與欠驅驅動、變限胞法等缺點的新奇驅動形式器。

1 課題研究的內容

通過本課題的研究包括以下內容：（1）對水母機器人的各個零部件進行詳細介紹與分析，校核。（2）對水母機器人的工作原理做出詳細分析，確定流程圖。（3）利用多個軟件對水母機器人進行仿真分析，并對可行性與不足之處作詳細分析。（4）研制出一種新型材料。（至少理論發現一種新型材料）。（5）一種新能源發電設備與機器人的融合，提高機器人的可靠性。（6）樣機試制。

2 課題研究方法

本次研究采用多種運動原理相結合的方法，主要有運動版-空間機構運動原理；用SolidWorks三維軟件對構想出的水母機器人模型進行建立；用fluent 流體分析與仿真軟件對水母機器人進行仿真與分析；用SolidWorks等仿真軟件對水母機器人進行仿真與分析；現階段主要進行材料物理性能與評價參數的計算。主要采用MS7.0與Vasp軟件的材料參數性能的計算，目的是尋找一種更加適合于水下環境的新型材料。

2 仿生水母機器人

上腔室，包括外殼體、內殼體和封板，內殼體設置在外殼體的內部，外殼體和內殼體的底部通過封板密封連接，且外殼體、內殼體和封板之間圍合成第一封閉腔，內殼體的內部與封板之間圍合成第二封閉腔。其中，外殼體是由特殊材料——形狀記憶合金制造而成，其特性類似于水母的柔性殼體，可以實現在大量運行之后的變形回復可靠的本領。外殼體上設有第一進水機構，第一進水機構用于將外部的水周期性地輸入到第一封閉腔中，內殼體上還設有第二進水機構，第二進水機構用于將第一封閉腔中的水輸入到第二封閉腔中。下腔室，包括筒體，筒體的頂部與封板的下表面密封連接，筒體內設有左增壓腔和右增壓腔，左增壓腔和右增壓腔內設有增壓器，且左增壓腔和右增壓腔均與第二封閉腔相連通；增壓器主要用于對左增壓腔和右增壓腔中的水進行增壓形成壓力水。驅動機構，安裝在下腔室的中心位置處，驅動機構與第一進水機構相連接，并用于驅動第一進水機構往復動作。左噴水機構和右噴水機構也是由形狀記憶合金制造而成，其設置在下腔室的底部，左噴水機構和右噴水機構分別與左增壓腔和右增壓腔相連接，并分別用于將左增壓腔和右增壓腔中的壓力水噴出至外部。

3 仿生水母機器人技術實現

將水母機器人放到水面上，選取蓄電池作為水下電機能源，并通過凸輪的轉動作為連接動力與非動力的運行機構的連接，凸輪通過豎桿將力傳遞給了圓盤，圓盤的上下運動帶動了連桿的上下運動，從而帶動了運動板的伸出或縮回運動，進而開啟或閉合第一進水口，而在第一進水口開啟時便可將水擠進第一封閉腔，然后經第二進水口進入到第二封閉腔，第二封閉腔中的水經漏水孔進入到左增壓腔和右增壓腔中，最終通過增壓器將左增壓腔和右增壓腔中的水加壓后擠進左噴水機構和右噴水機構的噴水管中，通過噴水葉片的噴水口噴水來實現機器人的前進，通過掃描成像聲納對水下進行視頻和圖片的拍攝。岸上的操作人員還可以通過掃描成像聲納傳輸回來的視頻、圖片等對所需信息進行篩選，并通過遠程控制器來控制處理器，從而對機器人的姿態進行調整。

4 分析及結論

水母機器人技術實現路線與所設計的水母機器人模型，結合多驅動融合理論相比單一驅動機制具有更高的可靠性和效率；新型材料對于水母機器人的運動機理起到了關鍵性的作用，一方面可以簡化運動機構，另一方面可以適當減小水母機器人在水下運動的阻力。我們的模型選取較前沿的SMA材料，克服冗余與欠驅驅動、變限胞法等缺點的新奇驅動形式器，采取運動穩態機理、非重承載自重比的機制結構設計，可作為新型類水母拓撲空間泛機構的并行開發研究工程。本技術方案已獲得發明專利。（No. 14XD1424300）

【參考文獻】

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