一種仿生水母機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)

高振幫　李志剛　梁擁成　崔秀芳

【摘 要】隨著海洋保護(hù)與水下偵查的需要，水下機(jī)器人越來越受到人們的重視，可以承擔(dān)水下環(huán)境監(jiān)測(cè)與生物生長魚群遷移等等任務(wù)。而水母是一種柔性生物，僅憑借對(duì)腔體大小改變可實(shí)現(xiàn)便捷的轉(zhuǎn)向和定軌跡的行程行進(jìn)。但是目前的仿水母機(jī)器人游動(dòng)穩(wěn)定性差、方向不易控制。因此，需要一種新的技術(shù)方案以解決上述問題。

【關(guān)鍵詞】水母機(jī)器人；穩(wěn)定性；技術(shù)方案

中圖分類號(hào)：TB333 文獻(xiàn)識(shí)別碼：A 文章編號(hào)： 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(shè)計(jì)并研發(fā)的氦氣動(dòng)能源的兩棲水母類機(jī)器人成果，旨在海況和空航領(lǐng)域，”Cyro”是美國Virginia Tech提出和開發(fā)一種依靠8塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)8個(gè)機(jī)械臂的類水母 “軟”的機(jī)械臂型陸用機(jī)械水母，已在軍民行業(yè)展開適當(dāng)?shù)姆秶恼{(diào)試與運(yùn)用。國內(nèi)哈工大機(jī)器人組開展的多連桿仿生器水母機(jī)構(gòu)的初步研究，取得部分效力，可開展例如緩水流與急流復(fù)雜交變的模擬海況的試驗(yàn)探索。[4-6]本文擬提出一種克服冗余與欠驅(qū)驅(qū)動(dòng)、變限胞法等缺點(diǎn)的新奇驅(qū)動(dòng)形式器。

1 課題研究的內(nèi)容

通過本課題的研究包括以下內(nèi)容：（1）對(duì)水母機(jī)器人的各個(gè)零部件進(jìn)行詳細(xì)介紹與分析，校核。（2）對(duì)水母機(jī)器人的工作原理做出詳細(xì)分析，確定流程圖。（3）利用多個(gè)軟件對(duì)水母機(jī)器人進(jìn)行仿真分析，并對(duì)可行性與不足之處作詳細(xì)分析。（4）研制出一種新型材料。（至少理論發(fā)現(xiàn)一種新型材料）。（5）一種新能源發(fā)電設(shè)備與機(jī)器人的融合，提高機(jī)器人的可靠性。（6）樣機(jī)試制。

2 課題研究方法

本次研究采用多種運(yùn)動(dòng)原理相結(jié)合的方法，主要有運(yùn)動(dòng)版-空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理；用SolidWorks三維軟件對(duì)構(gòu)想出的水母機(jī)器人模型進(jìn)行建立；用fluent 流體分析與仿真軟件對(duì)水母機(jī)器人進(jìn)行仿真與分析；用SolidWorks等仿真軟件對(duì)水母機(jī)器人進(jìn)行仿真與分析；現(xiàn)階段主要進(jìn)行材料物理性能與評(píng)價(jià)參數(shù)的計(jì)算。主要采用MS7.0與Vasp軟件的材料參數(shù)性能的計(jì)算，目的是尋找一種更加適合于水下環(huán)境的新型材料。

2 仿生水母機(jī)器人

上腔室，包括外殼體、內(nèi)殼體和封板，內(nèi)殼體設(shè)置在外殼體的內(nèi)部，外殼體和內(nèi)殼體的底部通過封板密封連接，且外殼體、內(nèi)殼體和封板之間圍合成第一封閉腔，內(nèi)殼體的內(nèi)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(shí)現(xiàn)在大量運(yùn)行之后的變形回復(fù)可靠的本領(lǐng)。外殼體上設(shè)有第一進(jìn)水機(jī)構(gòu)，第一進(jìn)水機(jī)構(gòu)用于將外部的水周期性地輸入到第一封閉腔中，內(nèi)殼體上還設(shè)有第二進(jìn)水機(jī)構(gòu)，第二進(jìn)水機(jī)構(gòu)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(nèi)設(shè)有左增壓腔和右增壓腔，左增壓腔和右增壓腔內(nèi)設(shè)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(duì)左增壓腔和右增壓腔中的水進(jìn)行增壓形成壓力水。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，安裝在下腔室的中心位置處，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與第一進(jìn)水機(jī)構(gòu)相連接，并用于驅(qū)動(dòng)第一進(jìn)水機(jī)構(gòu)往復(fù)動(dòng)作。左噴水機(jī)構(gòu)和右噴水機(jī)構(gòu)也是由形狀記憶合金制造而成，其設(shè)置在下腔室的底部，左噴水機(jī)構(gòu)和右噴水機(jī)構(gòu)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(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)

將水母機(jī)器人放到水面上，選取蓄電池作為水下電機(jī)能源，并通過凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)作為連接動(dòng)力與非動(dòng)力的運(yùn)行機(jī)構(gòu)的連接，凸輪通過豎桿將力傳遞給了圓盤，圓盤的上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)了連桿的上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)了運(yùn)動(dòng)板的伸出或縮回運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而開啟或閉合第一進(jìn)水口，而在第一進(jìn)水口開啟時(shí)便可將水?dāng)D進(jìn)第一封閉腔，然后經(jīng)第二進(jìn)水口進(jìn)入到第二封閉腔，第二封閉腔中的水經(jīng)漏水孔進(jìn)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(jìn)左噴水機(jī)構(gòu)和右噴水機(jī)構(gòu)的噴水管中，通過噴水葉片的噴水口噴水來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)，通過掃描成像聲納對(duì)水下進(jìn)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(duì)所需信息進(jìn)行篩選，并通過遠(yuǎn)程控制器來控制處理器，從而對(duì)機(jī)器人的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

4 分析及結(jié)論

水母機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線與所設(shè)計(jì)的水母機(jī)器人模型，結(jié)合多驅(qū)動(dòng)融合理論相比單一驅(qū)動(dòng)機(jī)制具有更高的可靠性和效率；新型材料對(duì)于水母機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理起到了關(guān)鍵性的作用，一方面可以簡化運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，另一方面可以適當(dāng)減小水母機(jī)器人在水下運(yùn)動(dòng)的阻力。我們的模型選取較前沿的SMA材料，克服冗余與欠驅(qū)驅(qū)動(dòng)、變限胞法等缺點(diǎn)的新奇驅(qū)動(dòng)形式器，采取運(yùn)動(dòng)穩(wěn)態(tài)機(jī)理、非重承載自重比的機(jī)制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可作為新型類水母拓?fù)淇臻g泛機(jī)構(gòu)的并行開發(fā)研究工程。本技術(shù)方案已獲得發(fā)明專利。（No. 14XD1424300）

【參考文獻(xiàn)】

[1]王振龍，李健，杭觀榮，王揚(yáng)威.生物噴水推進(jìn)機(jī)理及其在仿生噴水推進(jìn)裝置中的應(yīng)用[J].機(jī)器人.2009（03）：281-288.

[2]肖俊東，喻俊志.基于多連桿機(jī)構(gòu)的仿生機(jī)器水母設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[C].第三十二屆中國控制會(huì)議，中國陜西西安，2013.6.

[3]劉英想 .兩關(guān)節(jié)機(jī)器魚本體及動(dòng)力學(xué)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士.2007.

[4]遲冬祥，顏國正.仿生機(jī)器人的研究狀況及其未來發(fā)展 [J]. 機(jī)器人.2001（05）：476-480.

[5]戴坡.仿生機(jī)器魚的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士.2006.

[6]胡婭南.低電壓驅(qū)動(dòng)仿水母式微型機(jī)器魚的研究[D].哈爾濱工程大學(xué)碩士.2009.