仿牛鼻鰩機器魚設計與分析

張曼 麥文 王炳乾

摘要：設計一種采用單電機驅動單側胸鰭方式的牛鼻鰩機器魚.根據牛鼻鰩身體結構和運動方式，設計長59.2 cm，寬73.6 cm，高15.6 cm的機器魚，實現運動控制.進行運動控制分析，驗證機器魚的水平、垂直、轉彎和滑翔運動.設計胸鰭鰭條運動仿真實驗，驗證機器魚胸鰭鰭條弦向、展向和鰭尖運動規律.結果證明，機器魚展向運動類似正弦規律且頻率相同，弦向運動類似正弦規律且幅度相同，胸鰭鰭尖振幅為49.42°.分析和仿真表明機器魚胸鰭的展向、弦向振動規律與牛鼻鰩胸鰭振動規律相似，能夠實現滑翔功能，為進一步優化機器魚模型和搭建機器魚平臺并進行水動力試驗提供方向.

關鍵詞：仿生魚; 滑翔; 胸鰭機構; 牛鼻鰩

中圖分類號：TP242? 文獻標志碼：A? 文章編號：1001-8395（2024）05-0676-06

doi：10.3969/j.issn.1001-8395.2024.05.013

0 引言

水下作業系統一直以來備受世界各國關注.傳統的水下航行器具有推力大、速度快和易于控制等優點[1-2]，但存在效率低，平均效率在40%～50%[3-4]，且難于繼續提高的問題[1].螺旋槳還存在被植物纏繞和噪聲大等局限性[5].魚類經過千萬年的自然選擇和進化，身體機制和游泳模式已趨近完美，多數魚類游泳效率高于80%，而某些金槍魚的游泳效率高于90%.有些魚類還可在轉彎半徑小于體長10%～30%的情況下實現急轉彎[3，6].

魚類的運動大致可分為身體/尾鰭推進（BCF）模式和中央鰭/對鰭推進（MPF）模式[7].BCF模式魚類具有狹長身體，依靠身體產生推進波，實現游泳.這類魚具有較好的速度、加速度和效率[1，8-9].MPF模式的魚類，在隱蔽性、機動性、穩定性和噪聲等方面優勢明顯[1，8].

MPF模式具有水動力地面效應，具有諸多優勢，得到了廣泛關注.如文獻[5，8，10-14]設計的Robo-ray機器魚，主要采用人工肌肉或電機驅動胸鰭實現，文獻[3，15-16]以蝠鲼為原理設計的RoMan機器魚，Bianchi等[17]仿牛鼻鰩設計的主動控制機器魚.Wu等[18]仿蝠鲼設計的胸鰭鰭條驅動控制機器魚.

本文以牛鼻鰩為原型，針對多鰭條驅動模式存在控制復雜和續航能力差等問題，提出了一種改進模型.采用3D建模技術，在單電機驅動單側多鰭條情況下，使總電機數量降到3個.通過控制浮力系統和尾鰭，實現仿生魚的滑翔功能，節省大量能耗，明顯增強續航時間.通過仿真分析和實驗，驗證了設計的可行性.

1 結構設計

通過對海洋博物館內多個牛鼻鰩的游泳運動分析，得到牛鼻鰩游泳時身體變形[12，19]、胸鰭輪廓圖和翼尖軌跡圖[12]，如圖1～3所示.

研究表明，牛鼻鰩胸鰭的振動頻率為0.5～1.2 Hz[12].振動過程中，振動幅度通常是翼展的0.3倍，上沖程運動與下沖程運動相似，方向相反[10，13].這種低振動頻率產生低噪聲，能降低環境影響.胸鰭的振動方向與游泳方向垂直，振動運動產生推力，這種游泳方式能夠提高速度和效率[11，13].此外，在長距離遷徙過程中，牛鼻鰩采用滑翔，能耗低.

1.1 總體結構 仿牛鼻鰩機器魚模型包括了6個部分：頭部、中部、后部、胸鰭、尾鰭和皮膚，如圖4和5.頭部有攝像頭、紅外傳感器、姿態傳感器、壓力傳感器、微處理器模塊、通信模塊、驅動電機、電池及電池管理模塊等，沿魚體對稱排布.后部包含浮力系統.胸鰭蒙皮采用硅膠，皮膚采用彈性為1.5～2倍的透光尼龍布.頭部和中部用擋板、防水橡膠密封圈及防水密封膠進行密封處理;后部和中部也采用擋板、防水橡膠密封圈及防水密封膠進行密封處理.驅動電機輸出軸安裝有VA型氟橡膠水封和雙面膠蓋密封不銹鋼軸承，以解決旋轉軸密封和動力輸出的問題.

1.2 胸鰭結構 胸鰭由左胸鰭和右胸鰭兩部分構成，它們結構相同，沿魚體對稱排布.此處，以左胸鰭為例，加以說明.根據鰭邊緣輪廓值，設計左鰭條長度及鰭條位置關系.左胸鰭由4個鰭條組成，包括第一鰭條、第二鰭條、第三鰭條和第四鰭條，如圖6.其中，第一、第二、第三鰭條平面連桿機構簡圖如圖7所示，第四鰭條與第一鰭條結構相同.左胸鰭由單個電機驅動，通過鰭條間驅動軸安裝角度差，實現鰭條間的相位差.鰭條平面連桿機構將驅動電機的旋轉運動轉變為連桿往復的拍打運動.由此，仿生魚可以在其鰭條皮膚表面產生正弦推進波，在展向上產生與牛鼻鰩類似的拍打運動.

牛鼻鰩胸鰭橫截面在展向上運動頻率相同，在弦向上運動幅度相同.第一鰭條曲柄OD與驅動電機連接，驅動電機以角速度ω0勻速轉動.以O為原點，第一鰭條平面機構投影到兩坐標系的方程組如下：

lEPsin?β+lEDsin?θ=LOPsin?γ+lODsin?α，lEPcos?β=lEDcos?θ，LOPcos?γ=lODcos?α，（1）

其中，lOD為曲柄OD長，lED為桿ED長，LOP為機架OP長，lEP為桿EP長，α、β、θ、γ分別為OD、EP、ED、OP與x坐標的夾角.通過（1）式求得β和θ，故第一鰭條點A的位置方程如下：

xA=LOPcos?γ+lPAcos?β，yA=LOPsin?γ+lPAsin?β，（2）

其中，lPA為桿EP的直線延長桿長度.合理設置位置和桿長參數，實現點A類似正弦規律運動.

根據第一鰭條，設計第二鰭條.第二鰭條平面機構投影到兩坐標系的方程組如下：

lPGsin?β=lGFsin?δ，lPF=lPGcosβ-lGFcos?δ，（3）

其中，lPG為桿PG長，lGF為桿GF長，lPF為機架PF長，β和δ分別為PG、GF與x坐標的夾角.通過（3）式求得lGF、δ，故第二鰭條點B的位置方程如下：

xB=LOPcos?γ+lPGcos?β+lBGcos?δ，yB=LOPsin?γ+lPGsin?β+lBGsin?δ，（4）

其中，lBG為桿GF的反向延長桿長度.合理設置位置和桿長參數，實現點B類似正弦規律運動.

根據第二鰭條，設計第三鰭條.第三鰭條平面機構投影到兩坐標系的方程組如下：

lHKsin?δ=lJKsin?ε+lHJsin?β，lHKcos?δ=lJKcos?ε+lHJcos?β，（5）

其中，lHK為桿HK長，lJK為桿JK長，lHJ為桿HJ長，ε為JK與x坐標的夾角.通過（5）式求得lJK、ε，故點C在第三鰭條上的位置方程如下：

xC=LOPcosγ+lPHcos?β+? lKHcos?δ+lKCcos?ε，yC=LOPsin?γ+lPHsin?β+? lKHsin?δ+lKCsin?ε，（6）

其中，lKC為桿JK的直線延長桿長度.合理設置位置和桿長參數，實現點C類似正弦規律運動.

1.3 浮力系統結構

針對續航問題，設計一種浮力系統，如圖8.在尾鰭的輔助下，實現滑翔功能.

該浮力系統主要包括：電磁閥、儲水器固定架、儲水器、水泵和連接軟管.儲水器由彈性橡膠材料制成，解決不可變形儲水器蓄水容量變化與內部空氣壓力變化引發的問題.電磁閥和水泵協同控制儲水器液位，調整浮力.

2 仿真分析

2.1 運動仿真 鰭條弦向運動規律驗證.控制鰭條驅動軸勻速運動，取第一鰭條、第二鰭條、第三鰭條和第四鰭條的第一個節點，分別為點A、G、H、M，繪出垂直位移曲線，如圖9.相鄰鰭條間相位差90°，鰭條產生近似正弦波運動規律，由仿真結果可知，仿生魚胸鰭的弦向運動規律與牛鼻鰩胸鰭的一致.

鰭條運動頻率和運動幅度驗證.控制鰭條驅動軸勻速運動，取第三鰭條的3個節點，繪制垂直位移曲線，如圖10.點H是第三鰭條根部點，點K是第三鰭條中部點，點C是第三鰭條尖部點.由仿真結果可知，仿生魚胸鰭橫切面在展向方向上的運動頻率是相同的，運動幅度從胸鰭根部到胸鰭遠端逐漸增大，符合鰭條設計要求和牛鼻鰩胸鰭的運動規律.

圖11呈現了仿生魚模型不同鰭條尖部振動角度變化規律.鰭條尖部最大振動幅度不超過49.42°，振動幅度小，接近牛鼻鰩胸鰭真實振動幅度.

2.2 運動分析 左胸鰭驅動電機以一定大小和方向的角速度轉動，產生推力FL.右胸鰭驅動電機以相同大小，相反方向的角速度轉動，產生推力FR.當FL=FR，仿牛鼻鰩機器魚向前運動，如圖12（a）.左、右胸鰭驅動電機轉動方向分別與前進方向相反，則機器魚后退.

仿牛鼻鰩機器魚左、右胸鰭的振動頻率不同，實現轉彎.當左胸鰭驅動電機轉速更快，則FL>FR，仿牛鼻鰩機器魚右轉，如圖12（b）.反之左轉，如圖12（c）.左、右胸鰭驅動電機轉速相同，則FL=-FR，仿牛鼻鰩機器魚原地轉彎，如圖12（d）.

控制浮力系統，實現垂直運動.處理器根據壓力傳感器檢測的壓力值，通過水泵控制儲水量，進而改變浮力，實現系統閉環控制.

仿牛鼻鰩機器魚在浮力系統和尾鰭協同工作下，實現滑翔運動，如圖13.調整尾鰭，控制魚頭向下，并使浮力B小于重力G，其合力F可分解為Ft和Fn.在水的影響下，仿牛鼻鰩機器魚還受到阻力D和升力L.當仿牛鼻鰩機器魚速度V較小時，Ft>D，仿牛鼻鰩機器魚加速運動.隨著速度增大，阻力[18]D增大，直到Ft=D，仿牛鼻鰩機器魚勻速運動，實現滑翔下潛.滑翔上浮控制與之相反.綜上，實現滑翔功能.

3 機器魚樣機

通過3D打印技術，制作完成機器魚樣機，如圖14所示.

該機器魚高15.6 cm，寬73.6 cm，長59.2 cm，重量約為3 kg.

4 結論

1） 分析牛鼻鰩身體結構、胸鰭輪廓圖和翼尖軌跡圖，設計仿生牛鼻鰩機器魚的總體結構、胸鰭鰭條長度及分布位置.

2） 采用單個驅動電機驅動單個胸鰭，使胸鰭驅動電機數量減少，降低控制難度;在尾鰭輔助下，通過浮力系統調節仿生魚浮力大小，實現滑翔功能.

3） 通過仿生魚的運動控制分析和胸鰭運動仿真，驗證仿牛鼻鰩機器魚模型的可行性.其中，運動控制分析包括前進運動、后退運動、垂直運動、轉彎運動和滑翔;對胸鰭運動的仿真包括展向運動仿真和弦向運動仿真.

參考文獻

[1] HE J J， CAO Y， HUANG Q G， et al. A new type of bionic Manta ray robot[C]//Global Oceans 2020： Singapore-U.S. Gulf Coast. Biloxi： IEEE，2021：1-6.

[2] LI G Y， DENG Y X， OSEN O L， et al. A bio-inspired swimming robot for marine aquaculture applications： from concept-design to simulation[C]//OCEANS 2016. Shanghai： IEEE，2016：1-7.

[3] ZHOU C L， LOW K H. Better endurance and load capacity： an improved design of Manta ray robot （RoMan-II）[J]. Journal of Bionic Engineering，2010，7（4）：S137-S144.

[4]? 喻俊志，吳正興. 自然啟迪技術靈感，仿生提升機動性能：解讀《高機動仿生機器魚設計與控制技術》[J]. 中國機械工程，2019，30（4）：498-503.

[5] CAI Y R， BI S S， LI G Y， et al. From natural complexity to biomimetic simplification： the realization of bionic fish inspired by the cownose Ray[J]. IEEE Robotics Automation Magazine，2019，26（3）：27-38.

[6] ZHOU C L， LOW K H. Design and locomotion control of a biomimetic underwater vehicle with fin propulsion[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2012，17（1）：25-35.

[7] SFAKIOTAKIS M， LANE D M， DAVIES J B C. Review of fish swimming modes for aquatic locomotion[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering，1999，24（2）：237-252.

[8] NIU C M， ZHANG L G， BI S S， et al. Development and depth control of a robotic fish mimicking cownose ray[C]//2012 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. Guangzhou： IEEE，2013：814-818.

[9] MENG Y， WU Z X， DONG H J， et al. Toward a novel robotic manta with unique pectoral fins[J]. IEEE Transactions on Systems， Man， and Cybernetics： Systems，2022，52（3）：1663-1673.

[10] CAI Y R， BI S S， ZHENG L C. Design and experiments of a robotic fish imitating cow-nosed ray[J]. Journal of Bionic Engineering，2010，7（2）：120-126.

[11] CAI Y R， BI S S， ZHANG L G， et al. Design of a robotic fish propelled by oscillating flexible pectoral foils[C]//2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Louis： IEEE，2009：2138-2142.

[12] CAI Y R， BI S S， ZHANG L G. Design and implication of a bionic pectoral fin imitating cow-nosed ray[C]//2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Taipei： IEEE，2010：3525-3529.

[13] MA H W， CAI Y R， WANG Y L， et al. A biomimetic cownose ray robot fish with oscillating and chordwise twisting flexible pectoral fins[J]. Industrial Robot： An International Journal，2015，42（3）：214-221.

[14] ZHANG Y X， WANG S P， WANG X J， et al. Design and control of bionic manta ray robot with flexible pectoral fin[C]//2018 IEEE 14th International Conference on Control and Automation. Anchorage： IEEE，2018：1034-1039.

[15] LOW K H， ZHOU C L， SEET G， et al. Improvement and testing of a robotic manta ray （RoMan-III）[C]//2011 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. Karon Beach： IEEE，2012：1730-1735.

[16] CHI W， LOW H K. Review and fin structure design for robotic Manta ray （RoMan IV）[J]. Journal of Robotics and Mechatronics，2012，24（4）：620-628.

[17] BIANCHI G， CINQUEMANI S， RESTA F. Bio-inspired design of an underwater robot exploiting fin undulation propulsion[J]. Applied Sciences，2021，11（6）：2556.

[18] WU J N， WU G， GUO Y， et al. Overall design and flutter motion analysis of a semi-active manta ray robot[C]//OCEANS 2019 MTS/IEEE SEATTLE. Seattle： IEEE，2020：1-6.

[19] ROSENBERGER L J. Pectoral fin locomotion in batoid fishes： undulation versus oscillation[J]. Journal of Experimental Biology，2001，204（2）：379-394.

Design and Analysis of A Robotic Cownose Ray

ZHANG Man1， MAI Wen1， WANG Bingqian2

（1. College of Physics and Electronic Engineering， Sichuan Normal University，? Chengdu 610101， Sichuan;2. Huaneng Dali Hydropower Co. Ltd.， Dali 671000， Yunnan）

Abstract：A robotic cownose ray with a single motor driving a unilateral pectoral fin was designed. According to the body structure and movement mode of the bull nose ray， a robotic fish with a length of 59.2 cm， a width of 73.6 cm， and a height of 15.6 cm was designed to achieve motion control. The motion control analysis was carried out to verify the horizontal， vertical， turning， and gliding motion functions of the robotic fish. The simulation experiment for the bar motion of the pectoral fin was designed to verify the pectoral fin bar chord， span， and tip motion rules of robotic fish. The results show that the spanwise motion of robotic fish is similar to the sine law with the same frequency， the chordwise motion is similar to the sine law with the same amplitude， and the maximum amplitude of the fin tip is 49.42°. The analysis and simulation results show that the oscillations of the pectoral fins of the robotic fish are similar to those of the ray， which can realize the gliding function， and provide direction for further optimization of the robotic fish model， construction of the robotic fish platform and the hydrodynamic test.

Keywords：bionic fish; gliding; pectoral fins mechanism; cownose ray

（編輯 鄭月蓉）

基金項目：國家自然科學基金（61901289）

*通信作者簡介：麥 文（1974—），男，副教授，主要從事機器人和信號處理的研究，E-mail：329050589@qq.com

引用格式：張曼，麥文，王炳乾. 仿牛鼻鰩機器魚設計與分析[J]. 四川師范大學學報（自然科學版），2024，47（5）：676-681.