一種新型的海洋探測裝置設(shè)計

姜霽航 隋沐航 劉嘉毅 范云菲 梁欣

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110167）

1 前言

在未來，仿生機(jī)械魚在海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中發(fā)揮著重要作用，它能深入海底進(jìn)行探測和作業(yè)，除了提高產(chǎn)業(yè)人員的安全之外，還能節(jié)省一定的資金開銷。

21 世紀(jì)是人類開發(fā)海洋的世紀(jì)，隨著海洋開發(fā)需求的增長及技術(shù)的進(jìn)步，適應(yīng)各種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的水下機(jī)器人將會得到迅猛的發(fā)展。可以預(yù)見，仿生機(jī)械魚以其效率高、機(jī)動性好、噪音低、對環(huán)境擾動小的優(yōu)勢將得到廣泛應(yīng)用。

目前，仿生機(jī)械魚市場正處于初級階段，大多數(shù)是安裝了特定的傳感器，類似于魚雷的設(shè)備，再與全球各地與船舶結(jié)合使用。仿生機(jī)器魚獲得的信息有助于科學(xué)家預(yù)測水底的環(huán)境變化，推測全球變暖的程度，還可搭載水質(zhì)傳感器，監(jiān)測一系列水質(zhì)參數(shù)。同時有望用于軍事方面，完成軍事偵察、反潛、防魚雷等特殊任務(wù)，應(yīng)用非常廣泛，前景一片大好。

不斷完善仿生機(jī)械魚的運(yùn)動機(jī)理，隨著研究的深入及驅(qū)動裝置的不斷優(yōu)化，未來的仿真機(jī)械魚將會效率更高，靈活性更強(qiáng)，性能與真正的魚更加接近。[1]

隨著人工智能、自動控制、計算機(jī)技術(shù)等多種學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展，仿生機(jī)械魚將會具有信息交互、環(huán)境感知等能力，在緊急情況下可實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，從而進(jìn)入更危險的環(huán)境工作，完成更復(fù)雜的任務(wù)。水體污染的形式多種多樣，產(chǎn)生水體污染的具體水域情況各不相同，其產(chǎn)生的污染因素也大不相同，并且污染程度不一樣，使得普通機(jī)器對于水質(zhì)檢測的難度大大增加。想要對具體污染對癥處理，首先需要對水質(zhì)進(jìn)行具體分析，因此需要機(jī)器具有一定的水質(zhì)細(xì)致化分析能力和能在多種環(huán)境下工作的適應(yīng)性能力，進(jìn)而得以分析所測量水域的實(shí)際水質(zhì)情況，并能取得良好反饋。據(jù)此原因，我們小組設(shè)計了仿生海扁蟲來對水中的污染物進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測，并通過污染物的含量對水質(zhì)做出基本判斷，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備上，讓研究人員對不同區(qū)域的水質(zhì)都能方便快捷地了解判斷，以便于進(jìn)行更深層次的研究。

本設(shè)計結(jié)合水中“海扁蟲”的運(yùn)動特點(diǎn)、形狀及大小，利用簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)做出的仿生魚可以達(dá)到上述的基本要求，并且由于其形狀特點(diǎn)鮮明，還可以適用于比較復(fù)雜的地形。

2 “海扁蟲”的結(jié)構(gòu)設(shè)計和運(yùn)動原理

根據(jù)海扁蟲的整體結(jié)構(gòu)，身體扁平，運(yùn)動時兩翼柔性煽動來促使其運(yùn)動，本文設(shè)計的結(jié)構(gòu)利用曲軸轉(zhuǎn)動帶動滑塊進(jìn)行主運(yùn)動，再由另一根桿來鎖定滑塊的行程，本作品采用抗彎折和耐腐蝕性比較強(qiáng)，同時整體質(zhì)量又比較輕的碳纖維桿。為了模仿海扁蟲的勻速前游，在均勻的水流中計算胸鰭模型產(chǎn)生的推力（等于鰩魚軀干受到的流體阻力）以及流場結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，推力具有小幅振蕩的特征，流場出現(xiàn)了反卡門渦街的流場結(jié)構(gòu)。基于渦動力學(xué)的渦量矩理論，分析了流場的動量及動量的變化，從而建立了推力與尾渦之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。分析結(jié)果表明：（1）平均推力等于反卡門渦街的橫向間距、胸鰭模型的波動頻率和反卡門渦的強(qiáng)度三者的乘積；（2）在一個波動周期內(nèi)，魚體獲得了兩個推力峰值，這是與周期內(nèi)脫出的一對正負(fù)渦有關(guān)。以海扁蟲的基本運(yùn)動作為模板，利用其波浪運(yùn)動穩(wěn)定性的特點(diǎn)設(shè)計出波動胸鰭的構(gòu)造，同時運(yùn)用曲軸滑塊結(jié)構(gòu)相互配合運(yùn)動，增加其穩(wěn)定性和平衡性。這只仿生海扁蟲與靠擺動尾鰭游動的普通機(jī)器魚不同，它靠身體兩側(cè)的鰭狀防水材料薄膜產(chǎn)生波浪，借此推動身軀。通過這種起伏運(yùn)動，仿生海扁蟲可以控制自身運(yùn)動。利用電機(jī)作為牽引，加以無線電為媒介，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)遙控，一同構(gòu)建運(yùn)動板塊。可實(shí)現(xiàn)近似于海扁蟲的波浪狀運(yùn)動，并通過螺旋槳控制其轉(zhuǎn)向。同時運(yùn)用其形態(tài)結(jié)構(gòu)合理布置構(gòu)建安裝檢測模塊，通過檢測模塊對水質(zhì)可以進(jìn)行相應(yīng)的測量，可發(fā)現(xiàn)多種污染物加以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可將結(jié)果傳達(dá)到手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)對于水質(zhì)的實(shí)時監(jiān)控測量。

為了保證主運(yùn)動的整體滑塊做波浪運(yùn)動，通過計算和實(shí)際實(shí)驗，我們把每個曲軸之間的角度定為60°。

在兩邊運(yùn)動的設(shè)計上，我們在每個滑塊的底部安裝了12mm 長的碳棒，目的是放大主運(yùn)動的效果，在其上安裝“翅膀”，其材料為食品級硅膠，具有很好的伸縮性，可以完美地展現(xiàn)出海扁蟲的運(yùn)動狀態(tài)。

在其底部還裝有空腔，換向閥和螺旋槳，其目的是為了實(shí)現(xiàn)上升和下沉，螺旋槳保證了其在水中阻力的作用下也能夠正常的轉(zhuǎn)彎。[2]

3 “海扁蟲”的運(yùn)動設(shè)計計算

3.1 確定主軸輔助軸的位置關(guān)系

為了保證兩翼的“翅膀”波浪形運(yùn)動，我們分別在其曲軸的極限位置進(jìn)行測量，保證在其基礎(chǔ)上能進(jìn)行正常的運(yùn)動，以其位置建立三角模型，上方頂點(diǎn)的位置為主軸，下方尖角的位置為輔助軸，通過向量計算勾股定理，得出了兩軸的垂直距離為26mm。

3.2 主軸-曲軸的角度確定

這是形成波浪形運(yùn)動的主要結(jié)構(gòu)，為了保證整體的結(jié)構(gòu)和實(shí)際的動作過程，根據(jù)我們的多次實(shí)驗，設(shè)定為每一個曲折部分的角度為60°，形成一個環(huán)體軸，類似于摩托車發(fā)動機(jī)的主軸。經(jīng)過多次的實(shí)際測試，這種角度可以最大程度地呈現(xiàn)出波浪的形狀，同時在水中的運(yùn)動也能達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動效果。

3.3 運(yùn)動的自由度分析

本創(chuàng)作的機(jī)械結(jié)構(gòu)由兩條主軸（曲軸）構(gòu)成，每一個部分的曲軸帶動一個曲柄進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，可以把它理解成每一個小部分組成在一起，從而進(jìn)行整體運(yùn)動。

T=NP-P1-P2=1

由于機(jī)構(gòu)自由度等于機(jī)構(gòu)原動件數(shù)，故該機(jī)構(gòu)有確定運(yùn)動。

3.4 整體結(jié)構(gòu)的受力分析

承水中阻力：主要來源于運(yùn)動時設(shè)計品的“翅膀”F=1/2×C×ρ×v^2×s（ρ為密度，v 為速度，s 為垂直方向橫截面積，C 為阻力系數(shù)，C 的取值不僅與水本身性質(zhì)有關(guān)，還與該物體性質(zhì)，溫度等一系列要素有關(guān)）。

滑塊：自身重力G，軸運(yùn)動時給塊的擠壓力F 動，軸面與塊接觸相對運(yùn)動時的摩擦力F。

軸：自身重力G，塊作用在軸上的擠壓力F，軸在電機(jī)作用下產(chǎn)生的扭矩T=9550P/n（T 為扭矩，P 為電機(jī)的輸出功率，n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速）。

4 主要結(jié)構(gòu)曲軸滑塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路

本設(shè)計產(chǎn)品主要傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為曲軸滑塊結(jié)構(gòu)，在設(shè)計之初，小組想使用軸孔結(jié)構(gòu)來連接各個曲軸，當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)時，曲軸中心的橫桿會帶動滑塊向上、向下運(yùn)動，在整個運(yùn)動中，曲軸的橫桿始終處于滑塊內(nèi)部，在空間上所占活動體積較小，便于節(jié)省空間。其中曲軸的寬度用來控制滑塊擺動的幅度，當(dāng)曲軸尺寸越寬，滑塊擺動的幅度就會越大，滑塊的體積也會越大。在保證滑塊體積濕度的情況下，本小組選定了曲軸最合適的寬度[3]。在此寬度情況下，滑塊既能保持較為仿真的擺動幅度，也在最大程度上縮減了體積。因為制作第一版曲軸滑塊結(jié)構(gòu)時因打印精度影響，曲軸之間存在不同心的問題，此問題會導(dǎo)致滑塊擺動幅度不均勻的情況。而且在滑塊與曲軸橫桿配合方面，曲軸寬度過短，導(dǎo)致安裝時滑塊與曲軸配合不良，進(jìn)而發(fā)生卡頓。[4]

因此團(tuán)隊對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更改，將曲軸曾經(jīng)的軸孔結(jié)構(gòu)更改為孔結(jié)構(gòu)，在其中插入碳棒充當(dāng)連接結(jié)構(gòu)。采用碳棒充當(dāng)連接結(jié)構(gòu)在于可以根據(jù)滑塊位置來選擇每個曲軸之間的間距，盡管此結(jié)構(gòu)解決了曲軸同心度的問題，但是此結(jié)構(gòu)對于來自于軸向的扭力并沒有良好的穩(wěn)定效果，會出現(xiàn)碳棒與曲軸孔洞發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動狀況，導(dǎo)致此曲軸后方的其他曲軸無法傳遞運(yùn)動，因此小組采取了新的結(jié)構(gòu)。

因結(jié)構(gòu)在原有基礎(chǔ)上增大了曲軸橫桿的長度，滑塊與曲軸橫桿的配合空間進(jìn)一步增大，安裝時的容錯率有一定加強(qiáng)。在曲軸結(jié)構(gòu)方面，本組在主體結(jié)構(gòu)上回歸了第一版的結(jié)構(gòu)，并且使用了精度較高的打印機(jī)。在連接方面，本組將第一版的軸孔連接改為花鍵連接，花鍵連接分為六根鍵，每兩根鍵相差角度為60°。這樣的結(jié)構(gòu)不僅滿足了軸向轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性，可以防止打滑，在要求各曲軸鍵差角度安裝的前提下，花鍵的六根鍵可以提供穩(wěn)定的6 組60°組合角度，此結(jié)構(gòu)大大減輕了組裝工作的時間和困難程度[5]。

經(jīng)過此設(shè)計，本曲軸滑塊結(jié)構(gòu)可以在保證安裝簡單、強(qiáng)度可靠、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況下進(jìn)行規(guī)定動作的運(yùn)行。

5 “海扁蟲”的功能特點(diǎn)

“波浪狀前進(jìn)”的運(yùn)動方式，使仿生海扁蟲在工作時運(yùn)動更加穩(wěn)定，檢測模塊中的傳感器用于探測水中的污染物，并繪制河水的3D 污染圖。這種機(jī)器魚形似鯉魚，身上裝備有探測傳感器，可以發(fā)現(xiàn)水中的多種污染物，如輪船泄漏的燃油或其他化學(xué)物等。[6]

它的形狀比較特殊，可以適用于在狹小的空間工作，例如城市的水渠、溪流等。并且這種結(jié)構(gòu)還適用于環(huán)境比較惡劣的地段，由于其自身運(yùn)動特點(diǎn)，環(huán)境因素不會給其太多壓力。不同于傳統(tǒng)的機(jī)械魚在遇到渦流或者激流時容易失去平衡不能正常工作，我們的仿生海扁蟲由于細(xì)長的結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到很穩(wěn)定的運(yùn)動狀態(tài)，即使遇到特別大的海浪使其側(cè)翻，也可以通過單邊運(yùn)動使其重新達(dá)到正常的狀態(tài)。利用這點(diǎn)可以在下水道等這類對于人來說難以工作的地方代替人類進(jìn)行作業(yè)，這樣不僅節(jié)省了人力，還提高了安全系數(shù)[7]。

另外，還可以對水質(zhì)進(jìn)行分析，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時將結(jié)果傳遞到手機(jī)中，所采用的最主要結(jié)構(gòu)主體為3D 打印技術(shù)，可批量生產(chǎn)。

6 “海扁蟲”的主要創(chuàng)新點(diǎn)

與尋常機(jī)械仿生魚不同，本組所設(shè)計的“機(jī)械海扁蟲”以其自身運(yùn)動方式為模板，利用它的運(yùn)動特點(diǎn)設(shè)計出波動胸鰭的結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)穩(wěn)定性，使整體運(yùn)動形式更加平穩(wěn)合理，適合用于多種水域工作。通過海扁蟲側(cè)鰭的擺動能消除螺旋槳產(chǎn)生的與推進(jìn)方向垂直的渦流，產(chǎn)生與推進(jìn)方向一致的渦流，使其具有更加理想的流體力學(xué)性能，從而提高效率。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，在以往已有的機(jī)械魚的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，在增加靈活度、減小負(fù)載、節(jié)省能源等方面都有了新的想法，并在隨后的仿生實(shí)驗中得以論證。在姿態(tài)及方向控制方面，改變了大多數(shù)仿生魚的尾鰭驅(qū)動，背鰭轉(zhuǎn)向控制模式，選用符合流體力學(xué)及其自身構(gòu)造的胸鰭及螺旋槳配合驅(qū)動控制轉(zhuǎn)向模式，使“機(jī)械海扁蟲”自身運(yùn)動平衡，不會出現(xiàn)翻身、直立等非正常運(yùn)動情況，就算是側(cè)翻也可以很快地恢復(fù)到正常的運(yùn)動狀態(tài)。

7 “海扁蟲”應(yīng)用場景及未來展望

現(xiàn)階段，在水質(zhì)監(jiān)測方面，仿生海扁蟲作為水下移動平臺，能夠搭載各種水質(zhì)傳感器，監(jiān)測包括葉綠素、含氧量、pH 值、電導(dǎo)率等參數(shù)在內(nèi)的各種水質(zhì)參數(shù)。在生物研究方面，仿生海扁蟲可以輔助生物學(xué)家研究魚類游動機(jī)理，探索魚游生物學(xué)現(xiàn)象，例如魚群效應(yīng)、反卡門渦街等[8]。

未來，仿生機(jī)械海扁蟲可以在海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中發(fā)揮重要作用。它能深入海底進(jìn)行探測和作業(yè)，除了提高產(chǎn)業(yè)人員的安全之外，還能帶來巨大的新增收入。不斷完善仿生機(jī)械海扁蟲的運(yùn)動機(jī)理，隨著研究的深入及驅(qū)動裝置的不斷優(yōu)化，未來的仿真機(jī)械魚將會效率更高，靈活性更強(qiáng)，性能與真正的海扁蟲更加接近。隨著人工智能、自動控制、計算機(jī)技術(shù)等多種學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展，仿生機(jī)械海扁蟲將會具有信息交互、環(huán)境感知等能力，在緊急情況下可實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，從而進(jìn)入更危險的環(huán)境工作，完成更復(fù)雜的任務(wù)。單個仿生機(jī)械魚的活動范圍和能力都是有限的，在將來，仿生機(jī)械海扁蟲的設(shè)計應(yīng)向群體性發(fā)展，研究出具有高機(jī)動性、高效率、高協(xié)作性的群體化仿生機(jī)械海扁蟲，能在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行水下作業(yè)，進(jìn)行海洋監(jiān)測，海洋生物觀察研究及軍事方面的作業(yè)。

8 結(jié)語

綜上所述，由于本文設(shè)計的形態(tài)結(jié)構(gòu)具有機(jī)動靈活、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，使其具有了一定的偽裝性和觀賞性，同時形態(tài)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部合理分布，也讓其具有了相應(yīng)的噪音低、適應(yīng)性強(qiáng)、造價相對較低等特點(diǎn)。它可以適應(yīng)于多種不同的水域，可以提供相應(yīng)多種探測任務(wù)的特有平臺，因此可用于科研探測或執(zhí)行危險任務(wù)。并且還可以在此之上進(jìn)一步改進(jìn)，讓其更具有使用合理性，也能進(jìn)行特定改裝，增加其在不同水體水域工作的專業(yè)性，有望為水資源生態(tài)平衡的改善以及水資源生態(tài)治理增加一份助力。