一種仿生魚深海探測機器人的機構設計

張昕辰，楊康，孫玉龍，崔皓然，姜嘉雯

一種仿生魚深海探測機器人的機構設計

張昕辰，楊康*，孫玉龍，崔皓然，姜嘉雯

（佳木斯大學 機械工程學院，黑龍江 佳木斯 154007）

為了使機器魚能夠潛入更深的海洋，設計了一種仿生魚深海探測機器人的機械結構，首次提出了“多室水肺”這一概念。基于參考現有的魚類模型受力等實驗的研究成果以及機械原理的設計指導，通過對魚的運動方式以及各部位作用的分析，從構件層次上提出了一種新的機器魚骨架、背鰭、胸鰭、尾鰭以及內腔的機械結構，闡述了這些機械結構更加優化的原因以及其運行方式。同時根據現有的研究成果對材料選用、控制方式以及電子器件的放置提出了見解。

深海探測；機械機構；仿生魚

為了更深入的了解地球、保護海洋、合理地采集深海資源，形成可持續發展，探尋深海非常重要，深海探測裝置必不可少。仿生魚海洋探測機器人在深海探測方面起到了重要的作用，它可以完成收集圖片影像、海水和海底土壤的元素含量、溫度、水流波動速度數據、觀察深海生態等海洋任務。國內外學者在魚類推進機理研究和仿生機器魚研制方面都也取得了一定的成果，梁準等[1]發明出一種二自由度胸鰭仿生魚，如圖1所示。其采用一體化硅膠膜，防水性能強大并且實現了類似鲹科魚的尾部擺動和魚體波動。李國瑞等[2]成功設計并制造出一種自能源軟體機器仿生魚，該仿生魚能夠實現潛入萬米深海并且自主游動，如圖2所示。它身長22 cm、展翅28 cm，已經在馬里亞納海溝完成了深淺實驗。Caleb Christiansion等[3]從透明的鰻魚幼體細頭鰻身上獲得靈感，研發出一種由無框流體電極介電彈性體致動器驅動的半透明軟機器人，圖3為引入熒光染料的機器體。Berlinger等[4]從魚群中獲得靈感，設計出了不依賴于集中的、水上的、明確的通信，而是通過對附近鄰居的視覺觀察做出行動的魚群機器人。這種模仿魚群的能力，成為了機器魚融入魚群的關鍵，能夠更方便的進行偽裝、監察、探測等。不依賴路上通信，能讓它完成更復雜的深海任務。

圖1 二自由度胸鰭仿生魚

圖2 自能源軟體仿生魚

圖3 引入熒光染料的軟體深潛機器人

目前現有的深海探測設備已經能夠潛入萬米深海并自主游動，但其在深海中的運行仍存在著動力不夠大、游動速度較低、可轉向角度小以及載重較小的不足之處，所以，本文設計了一種仿生魚深海探測機器人的機構設計，使得仿生魚深海探測機器人能夠潛入更深的海洋、具有更快的游速和上浮速度、能夠更快地完成轉向動作以及具有更大的載重。

本仿生魚深海探測機器人能夠獨自完成一些簡單的探測工作，也可以輔助載人深潛器進行深海科學探測、調查深海金屬礦產和海底生態等工作。

1 機構設計

本文提出一種柔性體擺尾噴射式組合動力仿生魚，旨在能夠利用更加優化的機構使得仿生魚海底探測機器人能夠潛入更深的海底完成作業。

1.1 主骨

主骨目的在于帶動魚身和尾鰭進行水平擺動，通過排水來產生本仿生魚前進、轉向的動力。

主骨機構如圖4所示，由多個球銷副構成，一般取球銷副數目＝5。球銷副不宜數目過多，否則會導致運動的不確定性增加以及抗干擾能力的下降。球銷副的實際數目需要根據魚體具體的擺動范圍、所要求的擺動精度以及球銷副的轉動范圍來確定。

圖4 球銷副主骨機構

而主骨總轉動角度的最大值就決定了魚身的擺動范圍。

由于球銷副為IV級副，其自由度為2，多個球銷副組合就會造成主骨自由度過多、運動不可控的問題。為使魚的擺動可控，在球銷副上增加多個銷孔，當球銷副在電動機的作用下轉動到所需位置時，控制系統會解開銷鎖定，同時控制電動機制動，此時銷彈出，插入銷孔。這樣，就能夠通過控制銷，實現在一定范圍內控制魚體擺動角度的目的。

機構示意圖機構示意總圖如圖5、圖6所示。主骨機構在整機中的位置如圖5中4所示。

圖5 機構示意主視圖

圖6 機構示意側視圖

1.2 抹香鯨仿生：腮和肺

根據仿生原理：抹香鯨游速一般為5.56～9.26 km/h，受驚時可達18.52～22.22 km/h[5]。抹香鯨的最大潛水深度可達3000 m以上，是動物王國當之無愧的“潛水冠軍”。抹香鯨能成為“海洋霸主”的原因之一是它具有強大的呼吸系統，其右鼻孔的通道類似于一個空氣儲藏室，這樣抹香鯨就相當于擁有了兩個肺。

鑒于抹香鯨強大的深潛功能，本文提出“多室水肺”的概念。通過對抹香鯨的仿生，在本深海探測機器魚內部設置了多個空腔，這些空腔主要有：在魚體中部的一個較大的空腔，稱之為“肺”，如圖5中2所示，它與接下來所述小空腔都連通并且設置有一個空氣產生裝置，如圖5中5所示。在頭的上部和下部、近尾部都分別有一個較小的空腔，它們都與“肺”連通但不互相連通。這些空腔與“肺”的連接處設有由芯片控制的開關，可以將空腔與“肺”完全隔絕，形成獨立的空腔。這些較小的空腔各連接一個雙向變量液壓泵和氣體產生裝置，當傳感器檢測壓強在可承受范圍外時，控制系統不會啟動液壓泵，只是控制液壓泵的開合，根據實際情況控制氣體的產生和排放。在壓強承受范圍內，當需要快速上浮或者動力不足需要使機器魚浮出水面時，芯片發出指令控制氣體產生，此時打開如圖5中5所示空氣產生裝置的閥門，將腔內海水排出，使得氣體充滿“肺”

以及各個小空腔，這樣機器魚能夠獲得很大的浮力，浮出水面。同理，當需要下潛時，下側液壓泵向腔內泵入海水，腔內氣體從圖5中3所示的排水/放氣閥和1所示的上側液壓泵排出，使海水充滿內腔，魚體下潛。

深海的壓強極大，1000 m深海壓強約為103 kg/cm2。在外界壓強極大的情況下，“肺”中不能存有空氣，否則會被巨大的壓強立即壓扁。

當外界壓強足夠大時，芯片會控制液壓泵啟動，泵入海水并將氣體排出，這樣，即使在深海，也不會被巨大的壓強壓扁，仍然能夠潛入更深的海洋進行探測工作。在深海時，控制芯片基于算法和接收到的訊息控制液壓泵的運轉，通過液壓泵向外排水可以獲得前進的動力，與魚體擺動排水產生的動力組合，使得機器魚獲得更大的動力，同時，液壓泵排水也能夠完成糾正魚體行進方向的任務，令仿生魚在深海的運動更為精確。

上述液壓泵即代替了魚類腮的部分作用，主要作用是排氣、排水和吸水，使得本機器魚可以完成預定任務。

1.3 魚鰭

魚體各鰭都為魚能夠在水中運動自如產生了不可替代的作用，通過對各種魚鰭的仿生，使本仿生魚深海探測機器人可以如同魚兒一樣，在水中自如運動。根據下述魚類的尾鰭、胸鰭、背鰭的仿生原理，為仿生魚設計出屬于自己的魚鰭。

根據李芝旭[6]利用局部麻醉法來觀察魚鰭作用的結論了解到：

尾鰭：如同船“舵”，能夠調節魚在水中游動時的方向，隨魚體左右擺動從而排水，產生魚兒前進的主要動力，同時還可以保持身體平衡穩定。尾鰭位于魚體尾端，對于大多數魚來說，相比于其它魚鰭更大。

胸鰭：胸鰭類似于“船槳”，用來維持魚兒身體的平衡、也能改變運動的方向、控制魚體前進和減速。形態及運動：位于魚鰓鰓孔后側，當尾鰭不運動時，胸鰭向魚體倆側張開，在做前后擺動時，魚體前進；一側胸鰭擺動時，魚體改變方向。

背鰭：作用是參與調節魚體在水中垂直方向上的平衡、在快速游動時改變方向。在一些魚類中，可以起提供動力的作用。形態及運動：垂直波浪，維持魚體直立。可左右擺動幅度小。

利用上述結論進行相應的設計。

（1）尾鰭

尾鰭連接于主骨上，其機構示意圖如圖7所示：、、形成虛約束，尾部支撐桿7、8在點固定，聯結成尾鰭的形狀。尾鰭隨主骨的擺動而擺動，同時搖桿3、4、5的擺動使得尾鰭本身也可以在一定范圍內擺動。軸表示不在同一平面內

蘇柏泉等[7]指出：尾鰭連桿機構的結構尺寸和擺角之間的關系：相位差調節范圍一般在60°～100°之間。

尾鰭分為上下兩鰭，在其接縫處有契合槽，能將上下兩鰭緊緊固連在一起，尾鰭使用剛性材料，邊緣處使用柔性材料。

（2）胸鰭

設計胸鰭，目的是為了使魚體能夠轉彎和保持平衡。胸鰭橫于魚體兩側，能夠上下擺動從而控制平衡，其機構示意圖如圖8所示。

本胸鰭機構中，以搖桿4為主動件，當搖桿2和連桿3共線時，機構的傳動角為0°，此時的位置是死點。兩個球銷副和主骨機構中介紹的球銷副原理相同，能夠控制卡死和進行胸鰭豎直位置的微調。當需要胸鰭工作時，芯片會控制銷彈出卡死，此時的形狀就是魚的胸鰭狀，這樣的設計使胸鰭的擺動能夠更加穩定、可靠。

轉彎時，主骨上每一個球銷副的轉動角度疊加在一起，再加上尾鰭的自主擺動角度，就是魚體的擺動角度。此時魚體偏離其中心彎曲于魚體一側，通過控制另一邊胸鰭的拍動提供轉動方向的力，從而實現魚體轉彎的動作。

1.機架；2.連桿；3～5.搖桿；6.連桿；7、8.尾部支撐桿（可手動調整角度）；A、B、C、D為轉動副。

1.機架；2、4.搖桿；3.連桿；B、C.轉動副；A、D.球銷副。

而在魚體游動時，胸鰭通過上下調整、略微傾斜來改變魚體對于水流的受力面積，兩側胸鰭各自控制，魚體會因兩側受力不同從而改變其偏斜角度，令魚體恢復、保持平衡狀態。

胸鰭采用柔性材料，剛性構件在其內部支撐，根據張紀華等[8]對胸鰭的實驗結果：胸鰭模型的尖端薄壁區域發生了比較嚴重的不規則被動變形，由此，胸鰭使用柔性材料，讓這種變形的影響不至于破壞魚體以及影響機器魚的工作。

（3）背鰭

設計背鰭的目的是維持潛水狀態時機構的平衡，其機構單元體的機構示意圖如圖9所示。

1.機架；2.圓柱凸輪；3.搖桿；A、C、D.轉動副；B.移動副。

在仿生魚背鰭處，有多個背鰭機構單元體依照背鰭形狀排列，每一個都能單獨進行控制。

背鰭采用柔性材料，能夠隨意彎曲和在一定范圍內擴張。當魚體為平衡狀態時，背鰭靜止不動；當魚體在水中游動，產生力的不平衡時，就會導致魚體的不平衡，此時，通過對傳感器傳回的數據進行分析，控制系統根據分析結果控制各個背鰭單元體左右擺動，由于各個單元體擺動的方向、角度不同[9]，就會使得背鰭變成波紋狀，各個單元體不斷變換角度就會令柔性背鰭產生波動，波動產生的水的推力與阻力平衡，從而能夠更加精確地實時控制魚體的平衡。當游動速度加快時，背鰭的波動頻率也要升高，這是由于游速加快時所受到的阻力也會變大，所以必須以較高的波動頻率產生較大的水動力與阻力形成平衡狀態。

2 外殼與潛海深度

2.1 外殼

仿形原理：抹香鯨具有很厚的皮下脂肪層。脂肪是熱的不良導體，導熱性比水低得多。鯨的皮下脂肪就相當于一層天然的絕熱屏障。在鯨類中，抹香鯨皮下脂肪的平均厚為13～18 cm。皮下脂肪越厚，隔熱性能就越強。

軟體機器人與剛性機器人最本質的區別就在于其軀體材料的使用上，軟體機器人使用軟彈性材料，能夠獲得較好的靈活性和適應性[10]。本設計中的仿生魚深海探測機器人采用流線型設計，頭部以及各個構件采用剛性材料，而魚身采用軟體材料，能夠增強本機器魚的靈活性，使得它能夠在水中自由地變換角度。

為了保護仿生魚中的電子器件免受高壓的侵害，將這些電子器件分開排列，使得每個部分所占空間很小，并將這些電子器件嵌入到軟體材料中，由李國瑞等[2]的測試和模擬表明，上述方法能夠減小壓力下組件之間界面處的應力，能夠更有效的保護機器魚中的電子器件不受損傷，并且這樣的排列也更加便宜實用，能夠減少經濟成本。

2.2 潛海深度

本機構設計旨在增大仿生魚的探海深度，從理論上講，因為可以將內部空氣排凈，所以在不受續航時間、信號范圍等條件制約的情況下，能夠潛入盡可能深的海洋。

由于可以通過控制裝置實現自動探測、返航，可以不受信號范圍約束，所以實際潛水深度主要受續航能力的制約。而產生氣體上浮、排氣下沉的方式也能節省能源的消耗，增強續航能力。由于本文只提供機構設計，未進行實物模型的制造以及模擬實驗，所以其實際潛海深度本文不做詳細討論。

3 總結

本文通過對幾種魚類的仿生，提出了一種仿生魚深海探測機器人的機構設計：主要對本深海探測仿生魚體的骨架機構、胸鰭機構、背鰭機構和尾鰭機構進行了基于仿生原理的設計。

對于外殼材料，結合張紀華等[8]、郝天澤等[10]的研究結果進行參考并仿生。

首次提出“多室水肺”的概念，在使深海探測裝置能夠潛入更深的海洋進行探索、檢測的同時也增強了機器魚的性能、降低了深潛時的能耗，為新一代深海探測裝置的設計制造提供了參考。

[1]梁準，張子揚，林子雄，等. 一種雙自由度胸鰭仿生機器魚[J].兵工自動化，2020，39（11）：82-86.

[2]Li G R，Chen X P，Zhou F H，et al.Self-powered soft robot in the Mariana Trench[J]. Nature，2021，591（7848）：66-84

[3]Nathaniel N. Goldberg，Dimitri D. Deheyn，Shengqiang Cai，et al. Translucent soft robots driven by frameless fluid electrode dielectric elastomer actuators[J]. Science Robotics，2018，3（17）. DOI：10.1126/scirobotics.aat1893.

[4]Berlinger Florian，Gauci Melvin，Nagpal Radhika. Implicit coordination for 3D underwater collective behaviors in a fish-inspired robot swarm[J]. Science robotics，2021，6（50）. DOI：10.1126/scirobotics.abd8668.

[5]劉軍，趙新生，劉政. 探秘抹香鯨[J]. 大自然，2012（3）：66-69.

[6]李芝旭. 用局部麻醉法觀察魚鰭的作用[J]. 生物學通報，2003（1）：25.

[7]蘇柏泉，王田苗，梁建宏，等. 仿生魚尾鰭推進并聯機構設計[J]. 機械工程學報，2009，45（2）：88-93.

[8]張紀華，劉樂華，楊曉光，等. 水下仿生柔性胸鰭擺動水動力特性試驗研究[J]. 船舶力學，2021，25（4）：406-415.

[9]蔣小勤，杜德鋒，彭鈞. 長背鰭扭波推進活魚實驗研究[J]. 海軍工程大學學報，2010，22（3）：1-6.

[10]郝天澤，肖華平，劉書海，等. 集成化智能軟體機器人研究進展[J]. 浙江大學學報（工學版），2021，55（2）：229-243.

Mechanical Structure of Bionic Fish Deep-Sea Detection Robot

ZHANG Xinchen，YANG Kang，SUN Yulong，CUI Haoran，JIANG Jiawen

( School of Mechanical Engineering,Jiamusi University, Jiamusi 154007, China)

In order to make the robot fish dive into the deeper ocean, the mechanical structure of a bionic fish deep-sea exploration robot is designed, and the concept of "multiple lungs" is put forward for the first time. Based on the research results of existing fish model stress experiments and the design guidance of mechanical principles, a new mechanical structure of the skeleton, dorsal fin, pectoral fin, caudal fin and inner cavity of robot fish is put forward from the component level by analyzing the movement mode of fish and the functions of each part, and the reasons for these mechanical structures being more optimized and their operation modes are expounded. At the same time, according to the existing research results, some opinions are presented on material selection, control methods and the placement of electronic devices.

deep sea exploration；mechanical mechanism；bionic fish

TP242

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.04.012

1006-0316 (2022) 04-0068-06

2021-11-01

張昕辰（2000－），男，山西介休人，主要研究方向為深海探測機械及其應用，E-mail：2769773756@qq.com。*通訊作者：楊康（1972－），女，湖南長沙人，碩士，副教授，主要研究方向為自動控制與檢測技術，E-mail：332108924@qq.com。