基于Arduino平臺的仿水母機器人設計

陳 緒 ，李志剛 ，陳志瀾 ，2，崔秀芳 ，高振幫

（1.上海海洋大學 工程學院，上海 201306；2.上海建橋學院 機電學院，上海 201306）

無人水下探索系統伴隨著人類探索海洋、開發海洋逐漸加快的步伐得到了較快的發展，其中以魚類等水生生物為推進系統仿生原型的機器正受到越來越多的關注。相比于傳統的波狀游動魚類，水母具備較高的運動靈活性、環境適應性和目標隱蔽性，同時還具有高效的流場能量利用機制，適合作為海洋深潛、洋流觀測、目標偵查以及武器運載等水下機器人的仿生原型。

目前，仿水母機器人的研究主要集中于基于智能材料的仿生水母，其中尤以形狀記憶合金SMA（shape memory alloy）的應用研究較多[1-3]，但其成本較高，推廣應用受到限制。在推進方式上，文獻[4]采用筒形行波超聲電機驅動水母的6個并聯多關節手臂上擺或下揚來實現水中的仿生推進，但這種驅動方式效率過慢，而且前進方向不容易控制；文獻[5]通過推拉式電磁鐵和彈性橡膠膜組成的推進模塊，模仿水母傘狀體噴水推進的原理對水母機器人進行驅動，該模塊過于復雜，在能量的運用效率方面不如純機械驅動。在仿水母機器人控制系統方面，文獻[6]采用ARMCortex-M4單片機來控制仿水母機器人的各項運動控制，但是該系統在很多硬件和編程軟件上不如Arduino平臺方便，且各硬件的兼容性與Arduino平臺相比有所欠缺。在此，提出了采用Arduino平臺進行控制的仿生水母，其成本低、機械結構簡單；還設計了一系列模塊，對仿水母機器人各項功能進行完善。

1 水母推進機制的研究

水下生物經過自然界的淘汰與選擇，己經進化出能夠適應自身結構特點的游動方式。因此，分析與模仿水下生物的運動方式，將是研制水下機器人的重要方向之一。

水下生物常見的運動方式主要有：

1）身體波動式又稱鰻行式 其游動方式如正弦波形的前進一樣，將身體當作推進器，利用從頭部到尾部的身體波動來游動，其前進單位距離所需的推力最小。

2）BCF推進式又稱尾鰭擺動式 該游動方式的顯著特點是主要利用魚的身體后半段和尾鰭的協調擺動來產生推進力。

3）MPF推進式 這種推進模式主要是利用除了尾鰭之外的一些魚鰭劃動來向前推進，大多數的魚類只是通過這些鰭來保持平衡和控制轉向.

4）噴射推進模式 依靠自身軀干的組織結構，通過身體內部的特殊部位向后擠壓水流而產生后向推力，從而利用動量守恒定理使身體向前推進。

水母是一種無脊椎動物，全身沒有支撐性的硬骨骼，身體呈輻射對稱狀。現己發現的水母有200多種，可分為水螅綱和缽水母綱，最為常見的就是體缽水母綱。水母的解剖結構如圖1所示，水母將海水從殼口吸入后噴出，產生間歇式的推進力而運動[7]。

圖1 水母解剖結構Fig.1 Anatomic structure of jellyfish

2 仿水母機器人結構設計

文中所設計的仿水母機器人結構主要由上腔室、下腔室、驅動結構及噴射結構所組成，如圖2所示。

圖2 仿水母機器人結構Fig.2 Structure of imitated jellyfish robot

2.1 上腔室結構設計

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。

外殼體外覆蓋有太陽能板，且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，其原理是通過運動板的周期性往復運動，使水流入第一封閉腔內。

內殼體上設有第二進水機構。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，其作用在于使水持續流入下腔室，不會因第一腔室水的周期性流入而影響下腔室水流的流入。

2.2 下腔室結構設計

下腔室包括筒體及筒體內部的驅動機構、電機、增壓器以及噴水機構（如圖2所示）。筒體是由硅膠制成、類似于水母的柔性殼體。筒體頂部與封板下表面密封連接。筒體內設有左增壓腔和右增壓腔，這2個增壓腔均與第二封閉腔相連通；左增壓腔和右增壓腔內設有增壓器，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，它與第一進水機構相連接，并驅動第一進水機構往復運動。左噴水機構和右噴水機構設置在下腔室的底部，兩者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。

2.3 驅動結構設計

文中所設計水母機器人的凸輪直線推桿驅動結構如圖3所示。圖中，電機轉動帶動凸輪運動，使得豎桿及豎桿上的圓盤進行上下往復式的運動，圓盤上的連桿帶動運動板實現伸出與縮回運動，使水進入第一封閉腔，再到第二封閉依靠增壓器進行增壓后，最終從左噴水機構和右噴水機構噴射得以實現運動，其中的彈簧對豎桿的回程運動起到緩沖的作用。

圖3 凸輪直線推桿驅動機構Fig.3 Cam linear push rod drive mechanism

2.4 噴射結構設計

噴射結構主要包括左、右噴水機構和增壓器（如圖2所示）。在第二封閉腔內的水，經過增壓器增壓，以較大的水壓通過左、右噴水機構噴出，通過水的反作用力實現仿水母機器人的運動。

3 仿水母機器人運動原理

仿水母機器人的運動由電機轉動，凸輪轉動，豎桿及其上圓盤的往復式運動，連桿帶動運動板伸出與縮回，水流入第一腔室及單向閥、第二腔室及增壓器，并最終通過左右噴水機構噴射，等不同流程所組成。仿水母機器人的具體運動流程如圖4所示。

圖4 仿水母機器人運動流程Fig.4 Movement flow chart of imitating jellyfish robot

該仿水母機器人通過第一進水機構，將外部的水周期性地輸入到第一封閉腔中，第二進水機構再將第一封閉腔中的水輸入到第二封閉腔中，接著使水從第二封閉腔中流入到筒體內的左增壓腔和右增壓腔中并進行加壓，加壓后的水分別從左右噴水機構中噴出，成為水母機器人前進的動力。同時，通過單獨調節左增壓腔或右增壓腔中的水壓，即可改變水母機器人的前進方向和角度，從而使機器人的運行姿態控制更加簡單方便。

4 基于Arduino平臺的模塊設計

基于Arduino平臺的各模塊設計主要包括4大類，即控制部分、工作部分、通信部分和失效保護部分。其中，控制部分主要由位姿獲取模塊、Arduino平臺系統和藍牙傳輸模塊組成；工作部分主要由探測模塊和Arduino平臺系統以及藍牙傳輸模塊組成構成；通信部分和失效保護部分分別由藍牙傳輸模塊、失效保護模塊構成。平臺各模塊功能如圖5所示。

4.1 Arduino平臺

Arduino平臺是一個單片機系統，包含有很多硬件和編程軟件（IDE即編程環境）。同時，還有各種各樣周邊的硬件去兼容Arduino平臺，并且這些硬件通常都已經帶有兼容Arduino控制器的函數庫。

圖5 平臺各模塊功能Fig.5 Functions of each module of the platform

該仿水母機器人的設計基于Arduino操作平臺的MKS Gen V1.4主控板，采用Atmega 16微控制器，它是整個電路系統的核心，用于處理所接受與發射的信號及信息。

4.2 藍牙傳輸模塊

藍牙傳輸模塊主要用于與上位機建立通信，將水下探測信息、自身傳感器信息等傳輸給上位機。上位機也可以通過藍牙傳輸模塊對水下仿水母機器人進行遠程控制。

4.3 位姿獲取及控制模塊

通過接收安裝在電機上的測速傳感器和安裝在頂球內的舵機來獲取位姿，并通過Atmega 16微控制器實現自身姿態的調節，或者通過頂球內的掃描成像聲納等傳感器來采集信息或者獲取當前狀況，并將信息通過藍牙傳輸模塊傳輸給上位機，岸上操作人員在獲取到此平臺傳輸給上位機的圖像、姿態等信息的情況下，可通過上位機來發送指令給仿水母機器人上的微控制器控制電機轉速、左右增壓器壓力等，最終達到控制水母機器人運動的目的。

4.4 探測模塊

在水母機器人殼體底部安裝有用于水下環境勘探的探測模塊。該模塊包括酸堿度傳感器、溫度傳感器和流速傳感器，用于探測海底復雜多變的環境信息，并將這些信息傳輸到上層Arduino進行處理，并通過藍牙傳輸模塊將海洋信息發送給上位機，用以分析海洋環境。

4.5 失效保護模塊

為防止突發情況使得水母機器人失去聯系和控制，系統自帶失效保護模塊。當系統判定已與上位機失去聯系或失去控制時，系統將通過控制左右噴水機構調節機器人使其頂部浮出水面，并通過頂球內的GPS裝置持續發射信號直至人為將其關閉。此外，為防止由于電源消耗殆盡以至無法發出GPS信號，外殼上的太陽能板將為其提供保障。

5 結語

所設計的仿水母人在驅動裝置上采用了電機驅動凸輪轉動及推桿直線運動的機械傳動裝置，與使用SMA材料驅動的裝置相比，前者結構簡單，操作靈活，傳動效率高和成本低；采用了基于Arduino平臺的控制系統，并設計了多種模塊以完善仿水母機器人的各項功能。然而，由于未能建立起與仿水母機器人運動方向相對應的控制系統，因此遠程控制較為復雜。故下一步將對該仿水母機器人的控制系統進行仿真，建立控制矩陣方程，以實現高效方便的遠程操控。