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    水下仿生机器鱼的研究进展II-小型实验机器鱼的研制:仿生机器

    时间:2019-09-13 08:19:36来源:佩佩美文网 本文已影响 佩佩美文网手机站
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    第24卷第3期2002年5月

    文章编号:1002-0446(2002)03-0234-05

    机器人

    ROBOT

    Vol.24,No.3

    May,2002

    水下仿生机器鱼的研究进展I-小型实验机器鱼的研制I

    梁建宏

    王田苗

    魏洪兴

    北京

    *

    100083)

    北京航空航天大学机器人研究所(

    要:本文介绍了自行研制的一条小型实验机器鱼.该机器鱼作为研究仿生机器鱼的流体力学性能的实验

    平台,具有刚性头部、采用无线遥控.机器鱼体长8水中最大速度为25关节的柔性身体和月牙形尾鳍,900mm,cm/最大转弯角速度为1最小转弯半径为4综合性能测试实验和C形运动控制实验表明,该机器鱼具有较20º/,0,scm.s

    好的游动性能和较高的机动性能.

    关键词:仿生推进;流体力学;机器鱼;C形运动中图分类号:T24P

    文献标识码:B

    RESEARCHFULDEVELOPMENTOFUNDERWATERROBOFISHII-DEVELOPMENTOFASMALLEXPERIMENTALROBOFISH

    -LIANGJianhong

    --WANGTianmiaoWEIHongxing

    TAOWei

    (00083)RoboticInstituteofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsBeijing1

    :TAbstracthispaperintroducedasmallexperimentalrobofishasanexperimentalflatforastudyofthe,wh.hydrodynamicscapabilityofrobofishichhavearigidheadandflexiblebodyof5DOFandlunatecaudalfin900,ma20º/,miengthoftherobofishis8mm,maximalvelocityis2cm/sximalturningrateis1snimalturningThel0-radiusis4cm.TheexperimentofgeneralcapacityandCshapelocomotionoftheexperimentalrobofishindicated.thattheyhavepreferableswimmingcapacityandhighmaneuverability:b,h,r,c-Keywordsionicpropulsionydrodynamicsobofishshapelocomotion

    1引言()Introduction

    金枪鱼和海豚等水生动物高超的游泳能力是目模仿前任何采用螺旋桨推进的船舶所不能比拟的.鱼类推进方式,鱼类仿生学家可能会为水下自动航行器设计出一种更好的动力装置.这种小型的无人驾驶航行器可用于复杂海洋环境下的海洋观测、军水下作业和水下救生等.事监视、

    近年来仿生学、机器人学、流体力学、新型材料和驱动装置的进步促进了仿生机器鱼技术的发展.1991年日本名古屋大学的福田敏男分别研制了压电

    陶瓷驱动的微型仿胸鳍模式的浮游机器人和SMA

    1,2]

    驱动的身体波动式水下推进器[.1994年美国麻省理工学院(成功研制了世界上第一条仿真正意MIT)义上的仿生机器鱼"该机器是一条长约",RoboTuna

    由2能够像真1.2m,843个零件组成的机器金枪鱼,

    鱼一样游动.1995年,MIT又研制了机器鱼

    [3~5]

    日本东京工业大学研制了"".1999年,RoboPike

    一条自主驱动具有两个关节自推进的机器海豚,长

    游速为1与实际海豚的尺寸非常接1.75.15,m,m/s6]近[长.1999年日本三菱公司研制出新型机器鱼,重2游速0目前,美国佛罗里达60.6,.25.cm,kgm/s

    中心大学正在研制一种微电子机器鱼"驱",MERIF动系统完全由形状记忆合金构成,能真正实现无噪声驱动.

    我们于1999年成功研制了国内第一条自主游动的仿生机器鳗鱼.在此基础上,我们最近又研制了一条小型实验机器鱼,研制该机器鱼的主要目的是以其为实验平台,开展仿生机器鱼流体力学性能的

    中国科学院机器人学开放研究实验室基金资助项目;国防基础科研项目(项目编号:*基金项目:13001004)JC

    收稿日期:2001-09-04

    第24卷第3期梁建宏等:水下仿生机器鱼的研究进展I-

    小型实验机器鱼的研制I

    235

    系统研究,建立一套完整的机器鱼水动力学定性观察、定量测量的实验技术和实验设备.本文介绍了该小型实验机器鱼的结构,它具有刚性头部、伺服舵机组构成的5关节的柔性身体和月牙形尾鳍,采用无线遥控方式.通过水池中的自由游动实验和C形运动控制实验,我们得到了小型实验鱼的综合性能参数.

    线通讯方式.控制系统由P控制器和无线收发C机、

    模块三部分组成,控制器通过无线收发模块接收装在鱼体半圆球形头部内的摄像头的视频信号,同时向控制信号接收机发送控制命令,从而直接控制鱼体的运动.与控制器之间采PC机作为上位机系统,用串行通讯,通过人机交互接口实时显示接收到的视频图像,同时可以修改控制器发出的控制参数,间接控制鱼体的运动.

    2小型实验机器鱼的总体构成(General

    structureoftheexperimentalsystem)

    小型实验机器鱼是一条具有刚性头部,柔性身体和刚性尾鳍的摆动推进器.总长度约8总高90mm,

    度为5总重量为4鱼体头部是一个半圆50950.mm,g球,前部为圆柱形,尾部由直径渐变的圆柱面贴合而成,以形成整体流线型的外部形状,在尾部带有一个尾鳍,作为提供推进力的主要执行机构.鱼体的全部横断面都是圆形,最大横断面是一个直径110mm的圆面.鱼体外形如图1所示.小型实验机器鱼的总体结构如图2所示.整个系统由机器鱼本体和控制系统两部分组成,采用无

    图1小型机器鱼的外形图.1SFigmallexperimentalrobofish

    图2小型实验机器鱼的总体结构框图

    .2GFigeneralstructureschematicofthesmallexperimentalrobofish

    机器鱼本体部分由半圆球形头部、铝制鱼身前部、柔性身体及尾鳍组成.鱼体头部由透明塑料制成,用以放置摄像头及其摆动机构,摄像头在微型舵机摆动机构的控制下,可以拍摄头部下前方的图像,并且通过鱼身前腔中的无线视频发射模块发射至陆地上的接收机中,实时的提供鱼体周围的信息.鱼身

    前腔是一个较长的铝制刚性圆筒,它的下表面开孔,用于安装声纳,可以进行多机器鱼的通讯.内部空间中除了安装视频发射模块以外,另外存放的是整个鱼体的电源.此外还有一个舵机及其接收装置用于控制胸鳍的俯仰,从而控制鱼体的上升和下潜.

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    机器人

    2002年5

    3鱼体结构设计(Designofthemechanical

    )structure

    小型实验机器鱼的机械结构如图3所示.柔性身体部分共有5个关节,每一个关节相对于临近的部分立的.每一个关节由一个伺服舵机控制,可以实现本段和前段的相对转角位移.柔性身体的外形由

    套在钢环上的黑色橡胶外皮构成,每隔一定的距离由一个骨板支撑,附着在鱼体上.这样鱼体外皮呈现的是一个波纹管的形状.鱼皮厚约0在摆动.8mm,

    时波纹管状结构可以自然的张开,所以摆动时的附加阻力很小.

    图3小型实验机器鱼的结构图

    .3MeFigchanicalstructureofthesmallexperimentalrobofish

    整个柔性身体由内部的钢制骨架和舵机连接而成,圆形骨板定义了外表的形状,矩形的空间骨架为传递力和提供鱼皮的支撑提供了足够的刚度.前3

    个舵机与下一节由单臂悬臂梁结构连接,这种结构使舵机轴同时承担连接和提供扭矩的作用,对舵机的运行有影响,但这种结构连接安装非常简单,而且由于在水中,鱼体的重力和浮力基本相等,垂直鱼体纵轴的力很小,不会造成转轴的偏压,影响舵机内齿轮的运动,另外比使用轴承方式有更大的空间.最后的两节舵机由于空间已经变小,所以换用较小的舵机,而且最后一节的舵机位置前置,采用了连接与提供扭矩装置相分离的结构,主要是为了提供足够的运动空间.同时由于最后两节舵机需要较大的扭矩,采用了钢齿轮电机.

    在鱼身前腔的后部和柔性身体的前部,加装了配重.通过安装配重,鱼体可以完全沉入水中,并且保持足够的平衡.配重由两部分组成,上部的长圆筒用于将配重安装在鱼体中前部,中部的阻尼板用于提供足够的防摆阻尼,下部的配重棒可以提供足够的重力,配重棒的位置可调,重量也可以通过在棒上增加或者减少配重块予以调节.

    尾鳍选用大展弦比的尾鳍.展长2弦长06毫米,

    图4是联接尾鳍的5关节鱼体的照片.35毫米.

    4鱼体运动控制算法(-Controlofthefish

    )likelocomotion

    鱼体运动按照摆幅逐渐放大的正弦行波规律,鱼体波形如图5所示.

    在这里我们提出了相对波长n的概念,即鱼体摆动部分的波长与一个完整正弦波波长的比值.当相对波长n为1即鱼体摆动部分复现的形状/2时,是一个1相对波长n是鱼体运动的一个重要/2波.参数,当n很小时,摆动鱼体可以近似的看成是一个刚性直棒在摆动,几乎不产生推力.当n在某个参数范围内时,鱼体的摆动非常协调.波幅递增系数a是一个表征振幅随身体纵向放大速度的系数.a越大,沿鱼体纵向放大的就越快.运动频率f描述了运动中鱼体摆动的速度,即单位时间内鱼体来回摆动的次数.当相对波长n和波幅递增系数a确定后,某一时刻正弦波的形状随即确定.这样我们可以算出鱼

    图4柔性鱼体的照片

    .4PFighotoofmechanicalstructure

    第24卷第3期梁建宏等:水下仿生机器鱼的研究进展I-

    小型实验机器鱼的研制I

    237

    体每一节相对前一节需要的转角,并且通过计算机和遥控器发射给舵机接收机,从而控制舵机运动,复

    现真实鱼体的运动.

    图5鱼体波形图

    .5UnFigdulateformpattemforfishbody

    约1·最大转弯角速度:20º/s

    大约2·遥控距离:00m·摄像传输距离:>50m

    图6鱼体仿真控制软件

    .6SFigimulation&controlsoftware

    图7外场实验环境和实验系统.7OuFigterexperimentalenvironmentand

    experimentalsystem

    摆动频率的改变可以通过仿真控制软件来控制舵机脉冲的宽度实现.

    5小型实验机器鱼的实验研究(Researchin

    )thesmalllexperimentalrobotfish

    5.1综合性能测试实验

    我们在某游泳馆进行了外场实验,估算了游动的速度和游动的机动性能.现场对于配重的位置等参数进行了调整,直到取得相对比较满意的效果.同时观察遥控器的控制范围,以及摄像头的摄像传输效果.实验数据如下:

    轴线以上5·鱼体吃水深度:0mm·鱼体最大速度:20cm/s·最小转弯半径:40cm

    鱼体运动和机动性都比较好.配重的安装经过一系列调整后可以基本保证鱼体的纵向和整体浮力重力的平衡.

    5.2鱼体的C形运动控制实验

    快速启动的鱼类具有优良的机动性.1997年Domenici&Blake总结了关于活体鱼类快速启动运

    7]

    动学的研究[指出快速鱼类的最大加速度超过,

    2

    鱼的身体以C形或S形转弯后再于恰当的150m/s.

    时间释放,从而以很小的能量完成转向,同时其前进

    速度几乎没有损失.因此鱼体的C形运动是表征鱼体机动性能的重要指标.

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    机器人

    2002年5

    实现C形运动的方法是将机器鱼的向前运动与转向运动结合进来,使机器鱼在向前游动的过程中实现突然转向,在控制时要注意使转向运动与向前运动同步,从而使附着涡达到最小.即当要右转时,尾鳍需在转向之前先向右偏转;反之,当要左转时,尾鳍需提前左转.小型实验机器鱼的C形运动如图

    机器鱼有着出色的机动性,传统的舰船转弯8所示.

    半径大约是体长的3倍左右,而仿生机器鱼的转弯

    半径仅为体长的5而且转弯速度非常快,0%左右.大约120º/.s

    性能进行了测试,并通过前向运动与转向运动的结合实现了鱼体的C形运动,结果表明机器鱼有着较

    好的游动性能和出色的机动性.在进一步的研究工作中,我们准备将该机器鱼作为实验平台,对仿生机器鱼的水动力学性能进行系统研究,为研制高速、高效、高机动性的仿生机器鱼奠定基础.

    参考文献

    1

    ()References

    ,Hi,I.DToshioFukudademiHosokaisamuKikuchiistributeTypeofActuatorsofShapeMemoryAlloyandItsApplicationto.PUnderwaterMobileRoboticMechanismsroceedingsofthe1990I,EEEInternationalConferenceonRoboticandAutomation1990:1316-1321

    2T,At,FoshioFukudasushiKawamotoumihitoAraiandHideo

    .SMatsuurateeringMechanismofUnderwaterMicroMobile.P1995IRobotroceedingsoftheEEEInternationalConferenceon.1995:363-368RoboticandAutomation

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    5DSB,MST,e.D-arrettriantafylloutalragReductioninFish

    .J.1999,392:183-likeLocomotionournalofFluidsMechanics212

    6MNa,KT,KAmi,KOn.Ekashimaokuonagaoxperimental

    --.PStudyofaSelfPropelledTwojointDolphinRobotroceedings

    图8正在快速转弯的实验机器鱼.8TFigherobofishinrapidrotating

    oftheNinthInternationalOffsoreandPolarEngineering,1994:419-424Conference

    7D,BomeniciPlakeRW.TheKinematicsandPerformanceof

    -,1997,200:1165-1178FishFaststartSwimmingJExpBiol

    6结论()Conclusion

    本文介绍了我们最近研制的一条小型实验机器鱼.该机器鱼具有刚性头部柔性身体和月牙形尾鳍,采用无线遥控,能够在水中自由游动.对机器的综合

    作者简介:

    梁建宏(男,博士.研究领域:微小型机电系统,鱼1977-),

    类运动仿生.

    上接第2(27页)

    4AB,JB,WG.TrettSlatkinurdickrundfestheDevelopmentofa

    .PRoboticEndoscoperocIntSymposiumonExperimental,S,C,1995:162-171RoboticstanfordA,June

    5HDHo,ABS,J.BeglatkinWBurdickiomechanicalModelingof

    theSmallIntestineasRequiredfortheDesignandOperationofa.P,SRoboticEndoscoperocIntConfonRobotics&Automationan,C,2000:1599-1606franciscoA,April

    6MCC,LL,BMa,e.AMiarrozzaencionignanitalcrorobotfor

    .PColonscopyrocIEEE7thIntSymposiumonMicroMachineand,1996,223-228HumanScience

    7MCC,LL,BMa,e.TarrozzaencionignanitalheDevelopmentof

    .C-97,aMicrorobotSystemforColonscopyVRMedMRCAS"1997.779-788

    8Kr,Ya.C-ishnanSM,KumarSpCJomputerAssistedIntelligent

    .C99,1999,156-160EndoscopyARS"

    9KI,KYo,SHa,e.Lkeuchishinakanshimototalocomotionof

    .P.MedicalRobotwithSpiralRibsUsingMucusrocIEEE7thInt,1996:217-222SymposiumonMicroMachineandScience10JP,DR,HVa.eirseynaertsnBrusselDesignofminiatureparallel

    -.Smanipulatorforintegretioninaselfpropellingendoscopeensors,2000(85):409-417andActuators

    吴德昌等编译人体机能解剖学科学出版社..,1981年11

    生物医学材料学.天津科技翻译出版公司,12顾汉卿等.1993年早期胃癌的内窥镜诊断.四川科学技术出版社,13郭孝达等编著.

    1986年实用肛直肠外科治疗学.宁夏人民出版社,14陈之寒.1980年

    作者简介:

    迟冬祥(男,博士研究生.研究领域:特种机器人.1971-),颜国正(男,教授,博士,博士生导师.研究领域:特1961-),

    智能微系统.种机器人,

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