一種水面清潔機器魚的設計

郭李雯 戴懷軒 張澤宇 秦祖昌 何 佳

（河海大學機電工程學院，江蘇 常州213001）

對于水面垃圾的清理，現多采用人工打撈或大型綜合清污裝置，但兩者都體積龐大，在狹窄的水域移動不便，成本過高而效率較低；另外，現有技術多只能檢測水面垃圾，無法得到立體斷面的垃圾污染分布情況。

基于此，筆者設計出一種新型的胸鰭輔助尾鰭運動的水面垃圾清潔機器魚，利用其在水體中自由游動、沉潛的特點主要解決狹小水域固體垃圾的水面清理問題。

1 研究背景

隨著人工智能技術的不斷發展和機械制造自動化需求的增長，智能化機器人技術尤其是仿生機器人迅速發展并引起國內外的廣泛關注，機器人在水域的應用也更加廣泛。魚類通過身體運動推動周圍的水,以此來獲得非凡的游動能力,對于渦流的精確控制使得魚類游動推進效率高、機動性好。模仿魚類的游動推進模式,研制出高效低噪靈活機動的仿生機器魚,用以進行水面及水下多種多樣復雜作業,已經成為研究人員追求的目標。多數國家所開發出的垃圾清理船，定位于江、河、湖、海等大面積水域的垃圾清理，大多是在傳統船舶基礎上加設一套垃圾收集裝置，船體體積大，排水量大，內燃機驅動，有人駕駛，機動性不佳。采用傳統螺旋槳推進器的水下機器人,在螺旋槳旋轉推進過程中會產生側向的渦流,增加能源消耗、降低推進效率且噪聲較大[1]。除此之外，多數清潔水面的機器人采用箱體結構，運動范圍固定，只能收集水面垃圾。

2 裝置分析與優化設計

2.1 流體分析及外殼設計

流線型物體能顯著降低流體阻力并廣泛應用于機械制造，設計首先提出幾種簡單的流線型線條設計魚體，建立三種外形的機器魚外形在水中的二維截面運動模型進行仿真，模型網格化并通過fluent 采用標準的K-ε 湍流模型對截面在水中進行阻力等比較分析，確定魚體游動阻力最小的外殼輪廓。

流體分析時假設來流速度為0.5m/s,采用壁面函數法模擬壁面邊界的流動情況，速度壓力耦合采用SIMPLEC 算法，并且離散格式采用基于單元體的最小二乘法，分析結果如下：

模型1：

圖1 模型1 截面圖

網格模型為魚頭魚尾均采用長半軸選取不同值的橢圓模型，曲線方程為：

其中Le(r)為進流段（去流段）長度，即長半軸長度，D 為橫截面最大直徑。結果如下：

圖2 阻力分析結果

圖3 水流經機器魚后的速度云圖

圖4 速度矢量圖

模型2：

圖5 模型2 截面圖

網格模型為魚頭輪廓采取橢圓方程曲線，魚尾輪廓為具有一定斜率的直線。

結果如下：

圖6 阻力分析結果

圖7 水流經機器魚后的速度云圖

圖8 水流速度矢量圖

模型3：

圖9 模型3 截面圖

網格模型為半橢圓加拋物線模型，曲線方程為

其中Le(r)為進流段長度，Lr(r)為去流段長度，D 為橫截面最大直徑。

圖10 阻力分析結果

對比三種模型結果分析：模型3（半橢圓與拋物線組合）的阻力特性最好，模型2（橢圓）其次，模型1（橢圓與直線的組合）最差。對模型3 進行分析可得隨著進流長度的增加，總阻力不斷減小。

圖11 水流經機器魚后的速度云圖

圖12 水流速度矢量圖

結合上述分析結果，采用半橢圓與拋物線組合的魚形外殼可以得到流體阻力相對最小的優化裝置，提高水面清潔的效率。

2.2 機械裝置優化設計

2.2.1 胸鰭設計

胸鰭輔助尾鰭的機器魚（MFC）可以增加魚體運動形式的多樣性與靈活性。

魚頭設計包括魚頭外殼和底盤，底盤固定在魚頭外殼內部，底盤上固設有四個舵機，相對魚頭呈左右對稱，依靠4 個舵機不同時刻的輸出規律相互配合控制胸鰭上下翻轉、前后擺動的配合可以改變行進方向與魚體沉潛[2]。胸鰭結構設計如圖13 所示。

圖13 胸鰭結構設計圖

2.2.2 尾鰭設計

尾部連接件包括4 個單元，4 個單元沿著魚體長度方向依次連接，前三個單元均包括一個舵機和一個U 形固定連接塊，舵機的轉軸轉動連接在固定連接塊的開口一端，第一個單元的固定連接塊另一端固連在舵盤上以連接魚頭；最后一個單元為尾鰭形硬片；相鄰單元之間通過支撐環連接，起支撐與保護作用。將尾鰭三維模型導入matlab 建立與機器人關節類似的相對坐標系，在驅動尾鰭的三個舵機上依次建立坐標系{O}{P}{Q}，根據舵機在不同的擺動頻率與擺動幅度下得到相同時間間隔三個坐標系原點的位置坐標與坐標系的轉動角度作為輸入變量，考慮驅動力及水中的阻力及其力矩進行運動方程，得到尾鰭在不同時刻的擺動曲線擺角，將姿態對應的角度寫入舵機控制程序。

2.2.3 垃圾收集裝置設計

筆者采用螺紋連接可拆卸垃圾收納網收集水面垃圾，網的大小可根據水域大小調整更換，結構簡單；網狀結構重量輕而不影響機器魚的運動，接觸面大使垃圾存儲量擴大；兩伸縮桿分別與魚體成銳角對稱分布在魚體兩側，減小游動阻力，利用水體流動的反作用力收集垃圾，節約電能。

整體設計簡圖如圖14。

圖14 整體設計簡圖

2.3 運動控制優化設計

目前常用的機器魚運動控制的嵌入式微處理器主要有單片機、STM32、DSP 等，但隨著Arduino 控制應用的發展，我們發現通過Arduino 的普通數字傳感器接口產生占空比不同的方波，模擬產生PWM 信號，進行舵機定位；亦或是直接利用Arduino自帶的Servo 函數進行舵機的控制更易于編程設計。故選用Arduino UNO 主控板優化設計[4]。

2.4 無線通信設計

無線通信模塊可選為成熟的藍牙無線控制模塊[5]，抗干擾性能好，主要優點在于其擴頻特點。藍牙板塊與Arduino 的控制編程可實現對舵機控制，并且藍牙模塊可直接在電腦、藍牙主機、手機等帶有藍牙功能的智能終端上操作控制，降低遙控成本，操作方便。在硬件方面采用串口通信，增加了通信的可靠性。藍牙與手機藍牙連接，通過波特率設置、按鈕編程與手機程序的界面設計得到機器魚的遙控界面如圖15 所示。

圖15 藍牙遙控界面

3 裝置實現

3.1 開發環境

筆者設計制作的水面清潔機器魚的動力系統均使用LDX-21 型號舵機，扭矩大、承載大（使用兩節3.7V 鋰電池供電）；Arduino UNO 控制板（使用輸出為5V 的穩壓模塊供電）編程使尾部三個舵機轉動在不同時刻轉動不同轉角，實現魚尾部在垂直于魚體的左右兩個方向出現最大90°的偏角；無線通信模塊采用匯承HC-06 藍牙模塊，通過RX，TX 串口實現數據的收發。

3.2 技術實現

在魚頭內部采用4 個舵機控制胸鰭實現機器魚的運動換向及沉潛，尾部使用3 個舵機實現機器魚尾部的擺動運動。操控時，操作者根據垃圾收集的位置遙控機器魚使其到達指定位置。點擊手機藍牙控制界面的START，開始傳輸串口信號，點擊不同的方向鍵，改變機器魚的運動方向。魚頭外殼以及胸鰭內部的傳動件（除齒輪等精密零件）均采用PLA 塑料材料3D 打印成型。PLA 塑料成本低，硬度好，不影響傳動的精度與壽命，胸鰭內部裝配及主要運動形式如圖16 至圖18。

圖16 胸鰭調試圖

圖17 胸鰭“換向”運動

圖18 胸鰭“前行”運動

圖19 水面清潔機器魚模型

垃圾收集網式水面清潔機器魚效果如圖19 所示。

結束語

本設計提供的一種水面垃圾清潔機器魚，利用機器魚胸鰭輔助尾鰭提高機器魚運動的高效性與靈活性，利用垃圾收納網，降低水面垃圾清潔的成本與操作復雜度，利用藍牙無線通信模塊遙控定位，提高垃圾收集的智能化水平，可以有效解決在狹小水域垃圾清潔的問題。機器魚在水域工作的多樣性有待開發，垃圾收集裝置的改進是下一步的研究，如氣缸吸附、傳送帶輸送等較為復雜機械結構的巧妙運用等設計，以增強垃圾收集的承載力。