水下觀測機器人推進器的動態(tài)結構仿生設計研究

包海默，趙天琦，馮鳴，許若麟，安軒昂，宋梅萍

（1.大連民族大學 設計學院，遼寧 大連 116600；2.大連海事大學 信息科學技術學院，遼寧 大連 116026）

結構仿生以仿生學為基礎，通過總結自然界生物內、外部結構特征，模仿生物整體或局部的結構構造和功能機制來對產品進行創(chuàng)新設計[1-2]。結構仿生設計作為一種重要的產品設計方法，被廣泛應用于建筑設計、服裝設計、醫(yī)療產品、家具設計以及海洋設備等領域，具有廣泛的應用價值。其中，在海洋領域對水下仿生機器人的研究中，諸多學者運用仿生的手段，通過研究海洋生物的形態(tài)學與運動學特征，模仿它們優(yōu)越的游動方式，實現水下機器人的仿生推進，能夠有效解決傳統(tǒng)水下機器人螺旋槳推進帶來的能耗高、噪音大、靈活性差、對海洋生態(tài)環(huán)境造成破壞等問題[3-4]。如Hu 等[5]和Zhou 等[6]通過模仿尼羅河魔鬼魚研制了波動長鰭仿生推進裝置；譚俊哲等[7]受水母噴射式推進方式的啟發(fā)，研制了一種仿生水母機器人；Curet 等[8]模仿刀魚研制了一款仿魚長鰭波動水下航行器。然而，目前在仿生推進器的研究中，大多是對生物結構的機械模仿，缺乏動態(tài)結構仿生設計的理論指導，且目前對于動態(tài)結構仿生設計的研究也較少。本文以水下觀測機器人推進器為例，運用動態(tài)結構仿生設計的方法對其進行仿生設計研究。

1 動態(tài)結構仿生設計概述

1.1 動態(tài)結構仿生設計

動態(tài)結構仿生設計是結構仿生的一種，與常見的對仿生對象靜態(tài)結構的模仿不同，動態(tài)結構仿生設計主要是將生物的動態(tài)結構變化與產品在發(fā)揮功能時所發(fā)生的活動變化相對應，實現產品功能的動態(tài)結構與生物原型動態(tài)結構相一致[9]。動態(tài)結構仿生需以功能創(chuàng)新為導向，尋找具有相關功能的動態(tài)仿生對象，對結構變化以及相關的外形、肌理、色彩等動態(tài)變化進行抽取，利用現有的技術與設備對動態(tài)特征進行模仿，體現動態(tài)功能和實現的過程[10]。

1.2 動態(tài)結構仿生設計方法

動態(tài)結構仿生設計方法不同于對生物靜態(tài)結構特征的仿生，而是強調了對生物動態(tài)形態(tài)與結構的模仿，對生物的外部形態(tài)、內部結構以及動態(tài)特征進行提取并與產品功能融合。動態(tài)結構仿生在流程上與傳統(tǒng)的結構仿生設計類似，在設計過程中結合了自上而下和自下而上兩種思路。“上”代表設計研發(fā)層面，“下”代表自然界生物層面[11]。自上而下的思路是指先從設計研發(fā)所遇到的具體問題出發(fā)，在自然界生物中尋找優(yōu)良的特征并加以引用。自下而上的思路是指先從已知的自然界生物的優(yōu)良特征出發(fā)，在技術層面對其原理進行分析并運用到設計研發(fā)中。本文提出的動態(tài)結構仿生設計方法如圖1 所示。

圖1 動態(tài)結構仿生設計方法Fig.1 Bionic design method of dynamic structure

（1）選擇仿生對象，根據產品的目標需求與設計定位，查找相關資料，尋找與產品本身相關聯(lián)的生物作為仿生對象并對其動態(tài)結構進行認真分析，為仿生提供客觀依據，動態(tài)仿生目標生物需在功能需求與使用情景上與產品具有良好的匹配性，生物結構動態(tài)才能適用于產品功能創(chuàng)新；（2）動態(tài)結構特征提取，通過簡化抽象的方法，依據一定的主次關系對生物動態(tài)結構進行提取[12]，提取分為生物的外部形態(tài)、內部結構與動態(tài)特征三個部分，通過生物外部形態(tài)與內部結構的提取與轉化以實現動態(tài)特征的表達；（3）生物特征與產品匹配，將提取出的生物形態(tài)、結構與動態(tài)特征轉化為產品對應的形態(tài)、結構以及能夠實現的動態(tài)功能，選取合適的材料與元件對產品結構進行設計，從而實現產品功能的需求；（4）產品集成創(chuàng)新設計，通過方案的推導與優(yōu)化對產品整體造型與結構進行改良，在設計過程中要綜合考慮產品的功能性、實用性、經濟性等因素，從而實現產品集成與創(chuàng)新；（5）設計評價，通過仿真評估與驗證等手段對產品進行設計評價，合理的評價能夠指導仿生結果的迭代，若未能達到設計要求，重復進行步驟（2）～（5），使仿生結果逼近設計目標。

2 水下觀測機器人推進器動態(tài)結構仿生設計實例

隨著我國海洋牧場的不斷開發(fā)，迫切需要對水質環(huán)境、魚類生長狀況等情況進行長時間在線監(jiān)測。目前面向海洋牧場觀測的水下機器人普遍采用螺旋槳推進，存在效率低能耗高、對環(huán)境擾動大、容易被海草糾纏、低速不穩(wěn)定等問題[4]。而當前對螺旋槳推進技術的研究還存在一定的瓶頸，難以解決低速狀態(tài)下推進的有效性等問題，魚類經過漫長的進化，具備優(yōu)越的游動性能，在推進效率和機動靈活性方面有著明顯的優(yōu)勢，尤其是對環(huán)境擾動小和噪音小的特點在實際應用中具有非常重要的作用，為人類研制新型水下推進裝置提供了模仿對象[13]，因此，運用仿生手段來探尋新的水下機器人推進方式十分必要。本文設計實例將以動態(tài)結構仿生方法為原則，目的是實現水下觀測機器人推進器的仿生設計。

2.1 仿生對象的選取與特征分析

水下環(huán)境的復雜性使魚類產生了不同的形態(tài)，通過查閱大量海洋生物研究資料發(fā)現，在眾多海洋生物中，以胸鰭波動推進的魚類游動速度雖然不高，但在低速巡游的情況下推進效率相對較高，能夠保持良好的穩(wěn)定性，有著靈活機動和抗干擾能力強的特點。藍斑條尾魟作為一種以胸鰭波動推進的魚類，身體呈圓盤狀，兩側胸鰭發(fā)達，身體左右對稱，整個外形呈現出良好的流線型。在水下游動的過程中，通過身體兩側的胸鰭波動運動產生前進的推力，配合細長的尾巴能夠實現機動轉彎運動。游動時扁平的身體能夠保持不動，穩(wěn)定性良好，十分適合作水下觀測機器人的模仿對象。

對藍斑條尾魟胸鰭內部骨骼結構特征進行分析，如圖2 所示，藍斑條尾魟胸鰭組織內密布著無數鰭條軟骨，鰭條呈放射狀分布，每根鰭條由胸鰭肌肉組織連接[14]。鰭條軟骨的這些特點，決定了其胸鰭產生波動推進所需的柔性和靈活性。胸鰭內的每根鰭條由背部肌肉和腹部肌肉驅動，在背肌和腹肌交替收縮和舒張的作用下，能夠形成周期性的擺動，從而帶動整個鰭面波動。此外，藍斑條尾魟直線巡游時魚體無明顯運動，兩側胸鰭的運動呈現對稱性，且波形類似正弦波。因此，本文旨在通過對藍斑條尾魟胸鰭結構特征分析的基礎上，對波動鰭推進器進行動態(tài)結構仿生設計，以期能夠實現水下觀測機器人的低速穩(wěn)定航行。

圖2 藍斑條尾魟與胸鰭骨骼結構示意圖Fig.2 Schematic diagram for bluespotted ribbontail ray and its skeletal structure of pectoral fin

2.2 藍斑條尾魟結構特征提取

結構特征提取包括形態(tài)特征提取和功能機制提取，對藍斑條尾魟的胸鰭骨骼結構特征、鰭面形態(tài)特征以及肌肉驅動功能機制進行提取和分析，采用特征分解與組合、結構簡化、規(guī)則化、幾何化等手法，對胸鰭部分進行特征提取。由于藍斑條尾魟胸鰭關于身體左右對稱，因此只對其單側胸鰭結構進行提取。藍斑條尾魟胸鰭結構特征提取如表1 所示。

表1 藍斑條尾魟胸鰭結構特征提取Tab.1 Structural feature extraction of pectoral fin of bluespotted ribbontail ray

1）胸鰭骨骼結構。胸鰭組織內密布著無數鰭條軟骨，整體呈放射狀分布排列，因此鰭條設計成沿展向輻射狀分布，形狀抽象簡化為直線，長度由中間依次向左右兩側逐漸變短，左右兩側鰭條關于中間鰭條對稱分布，形成胸鰭的骨架。由于真實魚鰭的鰭條數量較多，這里只提取了鰭條的排布方式，鰭條數量將在后文中進行論述。

2）鰭面形態(tài)。藍斑條尾魟身體寬大扁平，呈圓盤狀，左右胸鰭與魚體前端融合相連。在魚進行游動時，主要由左右兩側胸鰭提供動力，故不考慮魚體頭部前端部分的形狀。因此，將鰭面外邊緣提取為一條圓弧狀的曲線，將魚鰭基骨弧線簡化為其外邊緣的同心圓弧線，即胸鰭基線為弧線，鰭面為柔性，呈左右對稱分布。

3）肌肉驅動。藍斑條尾魟胸鰭的波動運動是由背肌與腹肌相互作用，并控制鰭條擺動實現的，肌肉作為鰭條運動的驅動器，可將單根鰭條的擺動提取為單一驅動器帶動鰭條擺動。根據鰭條的運動原理，挑選符合功率的驅動器，使仿生鰭條能夠帶動鰭膜運動，從而形成整個鰭面的波動。

2.3 胸鰭結構特征與水下觀測機器人推進器功能的匹配

將藍斑條尾魟胸鰭結構特征與水下觀測機器人推進器的主要功能和結構進行匹配來實現設計方案。考慮到水下觀測環(huán)境為近海區(qū)域的海洋牧場，水下機器人需要達成低速穩(wěn)定航行的目的。因此，在設計推進器的具體結構時，首先需要明確水下觀測機器人的各項設計指標：結構形式為封閉式流線型、工作水深不大于 30 m、經濟航速為 0.5 m/s、最大航速為1.2 m/s、主體長度不超過700 mm。如圖3 所示，為波動鰭仿生推進器結構示意圖。圖3a 為推進器整體結構，殼體對其內部結構起到保護作用。圖3b 為推進器內部結構，可以看出波動鰭仿生推進器可以簡化為鰭條、鰭面以及驅動模塊三個部分，將提取出的藍斑條尾魟胸鰭結構特征與推進器的各部分功能特征匹配融合，得到各個部分的具體設計如下：

圖3 波動鰭仿生推進器結構示意圖Fig.3 Schematic diagram for bionic undulating fin propeller structure

1）鰭條。波動鰭的運動是通過所有鰭條按照一定的相位差規(guī)律性擺動并帶動柔性鰭膜實現的，鰭條作為波動鰭的骨架結構，要綜合考慮其數目、長度以及材料的選擇。由于藍斑條尾魟胸鰭的柔性波動是由若干鰭條聯(lián)合擺動形成的，在結構仿生設計中，不能完全依據仿生對象胸鰭中實際的鰭條數目來設計。因此，對于鰭條數目的選擇，按照單側胸鰭呈現出的波數來確定，依據的理論是香農采樣定理[15]。要想實現波動鰭能夠擬合至少1 個推進波，在胸鰭基線上至少需要排布5 根鰭條。鰭條數目決定著胸鰭波動的柔順性，鰭條數越多波動越柔順，同時也會增加控制的復雜度和驅動器的數量，提高設計成本；鰭條數太少波動柔順性差，影響其推進性能。因此，結合水下機器人的工作環(huán)境及尺寸大小，對鰭條數目的選擇采取折中的辦法，確定9 根鰭條沿胸鰭基線等弧度排布形成骨架結構，最多能夠呈現2 個完整的推進波。在材料上，選擇高強度、高模量、質量輕和易加工的碳纖維桿來提高仿生胸鰭波動姿態(tài)的控制精度。鰭條越長，仿生胸鰭產生的動力越強，但考慮機器人的最大主體長度，確定波動鰭鰭條長度為150 mm。

2）鰭面。波動鰭鰭面設計依據對藍斑條尾魟胸鰭鰭面形態(tài)特征提取出的基本形狀以及鰭條的長度，設計出仿生推進器中鰭面的具體參數，包括鰭面幾何形狀的設計和鰭面材料的選取等。鰭面形狀的外形為扇環(huán)，內、外圓弧共用一個圓心，將鰭面按照鰭條數n=9 進行等分，可得到8 個子鰭面，相鄰子鰭面共用一根鰭條，鰭面外圓弧半徑為350 mm。鰭面材料的選擇主要考慮兩個因素：一為鰭面的主動變形能夠推動水，二為鰭面在水動力作用下容易產生被動變形，因此，選擇低彈性模量的薄的硅膠薄膜作為仿生胸鰭的鰭面材料。

3）驅動模塊。鰭條的擺動依靠驅動模塊提供動力，因此，需要選擇合適的驅動方式。通過對比市面上已有的機電驅動元件，發(fā)現伺服舵機在輸出扭矩、操控性、響應速度等方面符合需求，滿足鰭條驅動的功能，因此，在仿生波動鰭中選擇舵機作為驅動器。選擇型號為Power HD 1812MG 的防水舵機，其在輸出功率、可控性、防水性、體積、重量等參數上綜合表現良好，比較符合本研究中仿生波動鰭的設計要求。

此外，還對舵機的安裝、舵機與鰭條的連接、鰭條與鰭面的連接進行了合理的設計，對于舵機的安裝，依據其尺寸大小和鰭面形狀，設計了鋁制的弓形支架配合螺釘螺母安裝固定舵機，用這種方法使舵機安裝容易且更換簡單。由于機器人的工作環(huán)境為水下，還需考慮波動鰭推進器的密封設計，對于波動鰭殼體本身的密封，需對舵機轉動軸與殼體開口處進行密封處理，開口處的密封不僅要實現鰭條的往復擺動，也要對其進行防水處理。推進器的9 個舵機等弧度排布分別控制9 根鰭條，每根鰭條獨立可控，最大擺角為35°，鰭條連接鰭膜，通過控制改變相關參數可以實現波動鰭多種波形的呈現。

2.4 創(chuàng)新設計方案

按照本文對水下觀測機器人仿生推進器的動態(tài)結構仿生設計，結合本文設計的水下觀測機器人的設計指標，提出一種面向海洋牧場觀測的水下機器人設計方案，最終得到的水下觀測機器人方案效果如圖4所示。水下觀測機器人的殼體要求耐壓和密封，為減小前進方向的航行阻力，降低機器人自身的能耗，提高其續(xù)航能力，將殼體外形設計為類似魚雷的流線型。結合本研究設計的水下觀測機器人的性能要求，設定機器人主體部分的尺寸直徑為246 mm，長度為690 mm，主要由頭部、尾部、中間段和外殼組成。波動鰭仿生推進器對稱排布于水下機器人主體兩側，在水下觀測機器人航行的過程中，保證了其運動的穩(wěn)定性，兩側波動鰭通過鰭條有規(guī)律地擺動形成了鰭面的波動。

圖4 水下觀測機器人方案效果圖Fig.4 Renderings of underwater observation vehicle scheme

3 流體動力學仿真評估與設計評價

3.1 流體動力學仿真評估

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics,CFD）主要通過計算機和數值仿真的方法來求解控制方程，以模擬和分析流體力學的基本問題[16]。本文利用CFD 數值模擬結合用戶自定義函數（User Defined Function, UDF）對波動鰭進行動力學仿真計算，CFD求解流程分為前處理、數值求解以及后處理，其中數值求解過程是把在前處理中劃分好的網格導入仿真軟件進行計算，并對相關參數進行設置，本文將Fluent 軟件作為求解器。

首先建立波動鰭和計算域的物理模型，然后對各個邊界進行命名，方便在Fluent 求解器中對邊界條件進行設置。采用非結構化網格劃分的方法，通過對波動鰭附近流體區(qū)域的網格進行加密來提高計算結果的精確度。根據藍斑條尾魟胸鰭的波動運動編寫了相應的UDF 程序，只需要對UDF 程序中的頻率、幅值和波數三個運動參數進行賦值，便可實現對應波動鰭的運動狀態(tài)，并確定了相應的仿真參數進行求解。選取運動參數波動頻率f=2 Hz、幅值θ=30°、波數n=2進行仿真實驗，由仿真計算結果可知，后臺監(jiān)測到的阻力系數為0.17，相應的阻力值為12.77 N。待波動鰭運動穩(wěn)定后（見圖5），從圖5 中可看出：

圖5 波動鰭表面流場壓力云圖Fig.5 Pressure nephogram of undulating fin surface

1）波動鰭在波動過程中，按照正弦波的形式呈現周期性運動規(guī)律，高壓區(qū)域出現在鰭面的迎水面一側，低壓區(qū)域出現在背水面一側，并隨著鰭面的波動而變化。波動鰭表面形成的局部壓差，使其產生前進的推力。

2）波動鰭表面高壓區(qū)域的高壓中心處于靠近鰭面外邊緣的位置，壓力數值由鰭面外邊緣向鰭面內邊緣逐漸減小，這與波動鰭中鰭條的運動模式有關，越靠近鰭面外邊緣的位置，位移和線速度越大，受到的流體反作用力也越大。因此，鰭面外邊緣附近區(qū)域是波動鰭實現運動的主要動力來源。

之后對水下觀測機器人進行了初步的仿真驗證，假設水下機器人在航行中不會受到洋流等一些因素的干擾，只模擬機器人在穩(wěn)定環(huán)境下的運動狀況，因此，仿真時只考慮機器人航行時受到的阻力。采用Fluent 進行仿真，模擬水下觀測機器人在最大航速1.2 m/s 下的阻力值，得到的阻力系數如圖6 所示。

圖6 阻力系數迭代曲線Fig.6 Iterative curve of drag coefficient

可見阻力系數值在0.5 附近時趨于平穩(wěn)，且由軟件后臺監(jiān)測得到最終收斂的阻力系數值為0.501，相應的阻力值為24.15 N，則單側波動鰭至少需要產生12.08 N 的推力才能使水下機器人保持勻速穩(wěn)定航行。通過對波動鰭流體動力學仿真可知，當頻率f=2 Hz、幅值θ=30°、波數n=2 時單個波動鰭仿生推進對應的推力值為12.77 N，與水下機器人最大航速穩(wěn)定航行時單側波動鰭所需的推力值較為接近。由此可知，本文所設計的仿生波動鰭仿生推進器達到設計要求，能夠基本實現低速穩(wěn)定航行的目的。

3.2 設計評價

水下觀測機器人采用波動鰭仿生推進的方式，在水下航行的過程中，兩側波動鰭通過鰭條有規(guī)律地擺動形成了鰭面的波動，鰭面在波動的過程中會形成局部的壓差使其產生了前進的推力。通過流體動力學仿真評估的方法，驗證了波動鰭能夠產生有效的推力，證明波動鰭推進器達到了水下觀測機器人的設計目標，初步實現了水下觀測機器人在海洋牧場觀測環(huán)境中的應用。綜上，搭載了本研究設計的波動鰭仿生推進器的水下觀測機器人能夠有效提升海洋牧場的觀測能力，這對于海洋牧場的智能信息化水平以及海洋產業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

4 結語

本研究結合結構仿生原理提出了動態(tài)結構仿生設計方法，以水下觀測機器人推進器設計為例對設計方法進行了有效性驗證。通過模仿藍斑條尾魟的胸鰭波動推進結構，對水下觀測機器人的波動鰭仿生推進器進行了動態(tài)結構仿生設計，以流體動力學仿真作為評估方法，得到了波動鰭表面壓力變化情況，進一步驗證了本文所設計的波動鰭仿生推進器能夠產生一定的推力。該方法為水下觀測機器人推進器的相關設計研究提供了參考，為實現波動鰭推進仿生水下機器人在海洋牧場觀測環(huán)境中的應用具有一定的借鑒意義。