一種新型的海洋探測裝置設計

姜霽航 隋沐航 劉嘉毅 范云菲 梁欣

摘 要 基于仿生原理，我們模仿了海扁蟲的柔性特點，并參考這種運動狀態，利用機械結構設計了一個在水里可以自由移動的“探測儀”。由于其形狀特點鮮明，所以能夠在各種特殊地形下進行相應的工作作業，并且它可以實現在不同水質水體下進行相應的上浮、下潛，進而進行無差別探測檢驗工作。

關鍵詞 仿生原理 海洋探測裝置設計 海扁蟲

中圖分類號：P71 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）04-0001-03

1 前言

在未來，仿生機械魚在海洋產業發展的過程中發揮著重要作用，它能深入海底進行探測和作業，除了提高產業人員的安全之外，還能節省一定的資金開銷。

21世紀是人類開發海洋的世紀，隨著海洋開發需求的增長及技術的進步，適應各種非結構化環境的水下機器人將會得到迅猛的發展。可以預見，仿生機械魚以其效率高、機動性好、噪音低、對環境擾動小的優勢將得到廣泛應用。

目前，仿生機械魚市場正處于初級階段，大多數是安裝了特定的傳感器，類似于魚雷的設備，再與全球各地與船舶結合使用。仿生機器魚獲得的信息有助于科學家預測水底的環境變化，推測全球變暖的程度，還可搭載水質傳感器，監測一系列水質參數。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，應用非常廣泛，前景一片大好。

不斷完善仿生機械魚的運動機理，隨著研究的深入及驅動裝置的不斷優化，未來的仿真機械魚將會效率更高，靈活性更強，性能與真正的魚更加接近。[1]

隨著人工智能、自動控制、計算機技術等多種學科的進一步發展，仿生機械魚將會具有信息交互、環境感知等能力，在緊急情況下可實現自我保護，從而進入更危險的環境工作，完成更復雜的任務。水體污染的形式多種多樣，產生水體污染的具體水域情況各不相同，其產生的污染因素也大不相同，并且污染程度不一樣，使得普通機器對于水質檢測的難度大大增加。想要對具體污染對癥處理，首先需要對水質進行具體分析，因此需要機器具有一定的水質細致化分析能力和能在多種環境下工作的適應性能力，進而得以分析所測量水域的實際水質情況，并能取得良好反饋。據此原因，我們小組設計了仿生海扁蟲來對水中的污染物進行實時的監測，并通過污染物的含量對水質做出基本判斷，運用物聯網技術將實時數據傳輸到移動設備上，讓研究人員對不同區域的水質都能方便快捷地了解判斷，以便于進行更深層次的研究。

本設計結合水中“海扁蟲”的運動特點、形狀及大小，利用簡單的機械結構做出的仿生魚可以達到上述的基本要求，并且由于其形狀特點鮮明，還可以適用于比較復雜的地形。

2 “海扁蟲”的結構設計和運動原理

根據海扁蟲的整體結構，身體扁平，運動時兩翼柔性煽動來促使其運動，本文設計的結構利用曲軸轉動帶動滑塊進行主運動，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，同時整體質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生的推力（等于鰩魚軀干受到的流體阻力）以及流場結構，結果發現，推力具有小幅振蕩的特征，流場出現了反卡門渦街的流場結構。基于渦動力學的渦量矩理論，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聯關系。分析結果表明：（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度三者的乘積;（2）在一個波動周期內，魚體獲得了兩個推力峰值，這是與周期內脫出的一對正負渦有關。以海扁蟲的基本運動作為模板，利用其波浪運動穩定性的特點設計出波動胸鰭的構造，同時運用曲軸滑塊結構相互配合運動，增加其穩定性和平衡性。這只仿生海扁蟲與靠擺動尾鰭游動的普通機器魚不同，它靠身體兩側的鰭狀防水材料薄膜產生波浪，借此推動身軀。通過這種起伏運動，仿生海扁蟲可以控制自身運動。利用電機作為牽引，加以無線電為媒介，實現相應遙控，一同構建運動板塊。可實現近似于海扁蟲的波浪狀運動，并通過螺旋槳控制其轉向。同時運用其形態結構合理布置構建安裝檢測模塊，通過檢測模塊對水質可以進行相應的測量，可發現多種污染物加以物聯網技術可將結果傳達到手機上，實現對于水質的實時監控測量。

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

在兩邊運動的設計上，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，可以完美地展現出海扁蟲的運動狀態。

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

3 “海扁蟲”的運動設計計算

3.1 確定主軸輔助軸的位置關系

為了保證兩翼的“翅膀”波浪形運動，我們分別在其曲軸的極限位置進行測量，保證在其基礎上能進行正常的運動，以其位置建立三角模型，上方頂點的位置為主軸，下方尖角的位置為輔助軸，通過向量計算A.B×C=A×B.C和a2+b2=c2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

這是形成波浪形運動的主要結構，為了保證整體的結構和實際的動作過程，根據我們的多次實驗，設定為每一個曲折部分的角度為60°，形成一個環體軸，類似于摩托車發動機的主軸。經過多次的實際測試，這種角度可以最大程度地呈現出波浪的形狀，同時在水中的運動也能達到預期的運動效果。

3.3 運動的自由度分析

本創作的機械結構由兩條主軸（曲軸）構成，每一個部分的曲軸帶動一個曲柄進行往復運動，可以把它理解成每一個小部分組成在一起，從而進行整體運動。

T=NP-P1-P2=1

由于機構自由度等于機構原動件數，故該機構有確定運動。

3.4 整體結構的受力分析

承水中阻力：主要來源于運動時設計品的“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，C的取值不僅與水本身性質有關，還與該物體性質，溫度等一系列要素有關）。

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

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

4 主要結構曲軸滑塊結構的設計思路

本設計產品主要傳統結構為曲軸滑塊結構，在設計之初，小組想使用軸孔結構來連接各個曲軸，當曲軸旋轉時，曲軸中心的橫桿會帶動滑塊向上、向下運動，在整個運動中，曲軸的橫桿始終處于滑塊內部，在空間上所占活動體積較小，便于節省空間。其中曲軸的寬度用來控制滑塊擺動的幅度，當曲軸尺寸越寬，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構時因打印精度影響，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，導致安裝時滑塊與曲軸配合不良，進而發生卡頓。[4]

因此團隊對結構進行了更改，將曲軸曾經的軸孔結構更改為孔結構，在其中插入碳棒充當連接結構。采用碳棒充當連接結構在于可以根據滑塊位置來選擇每個曲軸之間的間距，盡管此結構解決了曲軸同心度的問題，但是此結構對于來自于軸向的扭力并沒有良好的穩定效果，會出現碳棒與曲軸孔洞發生相對旋轉運動狀況，導致此曲軸后方的其他曲軸無法傳遞運動，因此小組采取了新的結構。

因結構在原有基礎上增大了曲軸橫桿的長度，滑塊與曲軸橫桿的配合空間進一步增大，安裝時的容錯率有一定加強。在曲軸結構方面，本組在主體結構上回歸了第一版的結構，并且使用了精度較高的打印機。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°。這樣的結構不僅滿足了軸向轉動的穩定性，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定的6組60°組合角度，此結構大大減輕了組裝工作的時間和困難程度[5]。

經過此設計，本曲軸滑塊結構可以在保證安裝簡單、強度可靠、結構穩定的情況下進行規定動作的運行。

5 “海扁蟲”的功能特點

“波浪狀前進”的運動方式，使仿生海扁蟲在工作時運動更加穩定，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。這種機器魚形似鯉魚，身上裝備有探測傳感器，可以發現水中的多種污染物，如輪船泄漏的燃油或其他化學物等。[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。并且這種結構還適用于環境比較惡劣的地段，由于其自身運動特點，環境因素不會給其太多壓力。不同于傳統的機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長的結構，可以達到很穩定的運動狀態，即使遇到特別大的海浪使其側翻，也可以通過單邊運動使其重新達到正常的狀態。利用這點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行作業，這樣不僅節省了人力，還提高了安全系數[7]。

另外，還可以對水質進行分析，運用物聯網技術實時將結果傳遞到手機中，所采用的最主要結構主體為3D打印技術，可批量生產。

6 “海扁蟲”的主要創新點

與尋常機械仿生魚不同，本組所設計的“機械海扁蟲”以其自身運動方式為模板，利用它的運動特點設計出波動胸鰭的結構來增強穩定性，使整體運動形式更加平穩合理，適合用于多種水域工作。通過海扁蟲側鰭的擺動能消除螺旋槳產生的與推進方向垂直的渦流，產生與推進方向一致的渦流，使其具有更加理想的流體力學性能，從而提高效率。在機械結構方面，在以往已有的機械魚的基礎上，進行了機械結構的優化，在增加靈活度、減小負載、節省能源等方面都有了新的想法，并在隨后的仿生實驗中得以論證。在姿態及方向控制方面，改變了大多數仿生魚的尾鰭驅動，背鰭轉向控制模式，選用符合流體力學及其自身構造的胸鰭及螺旋槳配合驅動控制轉向模式，使“機械海扁蟲”自身運動平衡，不會出現翻身、直立等非正常運動情況，就算是側翻也可以很快地恢復到正常的運動狀態。

7 “海扁蟲”應用場景及未來展望

現階段，在水質監測方面，仿生海扁蟲作為水下移動平臺，能夠搭載各種水質傳感器，監測包括葉綠素、含氧量、pH值、電導率等參數在內的各種水質參數。在生物研究方面，仿生海扁蟲可以輔助生物學家研究魚類游動機理，探索魚游生物學現象，例如魚群效應、反卡門渦街等[8]。

未來，仿生機械海扁蟲可以在海洋產業發展的過程中發揮重要作用。它能深入海底進行探測和作業，除了提高產業人員的安全之外，還能帶來巨大的新增收入。不斷完善仿生機械海扁蟲的運動機理，隨著研究的深入及驅動裝置的不斷優化，未來的仿真機械魚將會效率更高，靈活性更強，性能與真正的海扁蟲更加接近。隨著人工智能、自動控制、計算機技術等多種學科的進一步發展，仿生機械海扁蟲將會具有信息交互、環境感知等能力，在緊急情況下可實現自我保護，從而進入更危險的環境工作，完成更復雜的任務。單個仿生機械魚的活動范圍和能力都是有限的，在將來，仿生機械海扁蟲的設計應向群體性發展，研究出具有高機動性、高效率、高協作性的群體化仿生機械海扁蟲，能在復雜環境下進行水下作業，進行海洋監測，海洋生物觀察研究及軍事方面的作業。

8 結語

綜上所述，由于本文設計的形態結構具有機動靈活、結構簡單的特點，使其具有了一定的偽裝性和觀賞性，同時形態結構的內部合理分布，也讓其具有了相應的噪音低、適應性強、造價相對較低等特點。它可以適應于多種不同的水域，可以提供相應多種探測任務的特有平臺，因此可用于科研探測或執行危險任務。并且還可以在此之上進一步改進，讓其更具有使用合理性，也能進行特定改裝，增加其在不同水體水域工作的專業性，有望為水資源生態平衡的改善以及水資源生態治理增加一份助力。

參考文獻：

[1] 彭斐，葛海江.三輪全方位移動機器人運動模型及其控制方法研究[J].工業控制計算機，2020（03）：77-80.

[2] 李明鑫，寧萌，陳海衛.一種新型軟體驅動器的設計與研究[J].機械科學與技術，2021（01）：33-39.

[3] 同[1].

[4] 董虎，王保興，李巍，等.基于單向氣動驅動器的軟體手變形機理[J].東華大學學報（自然科學版），2020（02）： 288-296，303.

[5] 同[2].

[6] 黃庭威，石琛.便攜式軟體康復手套的研究[J].機電工程技術，2020（11）：88-91.

[7] 同[4].

[8] 同[6].