水下仿生扑翼推进性能分析_丁浩

文章编号:100220446(2000)0520427206水下机器人新型仿鱼鳍推进器Ξ刘军考　陈在礼　陈维山　王力刚(哈尔滨工业大学机械电子工程专业　哈尔滨　150001)摘　要:21世纪是人类开发海洋的世纪,水下机器人和自主无人潜器具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值.仿鱼鳍水下推进器作为一种具有效率高、运动灵活以及噪音低等优点的新型水下推进器越来越受到广大科技工作者的重视.本文介绍了仿鱼鳍水下推进器的分类,特点,国内外研究成果与现状,以及目前的研究热点,并对未来发展趋势作了预测.关键词:鱼鳍;水下推进器;水下机器人中图分类号:　T P 24 文献标识码:　A1　引言自主无人潜器(AUV )与水下机器人在海洋地形勘测,矿藏勘察,海洋污染监察等许多领域具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值.传统螺旋桨推进器具有:能源利用率低,结构尺寸和重量大,对环境扰动大,噪音大,可靠性差,起动、加速性能差以及运动灵活性能差等缺点.由于螺旋桨推进器能源利用率低,对微小型潜器和水下机器人而言,由于受体积和承载能力的限制不可能在其上加载太多的能源,只能在水下停留很短的时间,作业范围小,限制了它们的应用.这就使得科研工作者不得不寻找其它的驱动方式,以适应未来水下机器人技术发展要求.近年来,随着仿生学研究的不断进步,科研工作者的目光集中到长期生活在水下,特别是能在水中自由遨游的鱼类的游动机理的研究上.鱼类长期赖以生存在水下,进化出了性能完备的游动机能和器官.利用鱼类游动机理推动机器人在水下浮游的想法伴随着仿生学、材料科学、自动控制理论等学科的发展成为现实.2　仿鱼鳍水下推进器的特点及分类2.1　仿鱼鳍水下推进器的特点与传统螺旋桨推进器相比仿鱼鳍水下推进器具有如下特点:1)能源利用率高.初步试验表明采用仿鱼鳍新型水下推进器比常规推进器的效率可提高30-100%.从长远看,仿鱼鳍的水下推进器可以大大节省能量,提高能源利用率,从而延长水下作业时间[1].2)使流体性能更加完善.鱼类尾鳍摆动产生的尾流具有推进作用,可使其具有更加理想的流体动力学性能[1].3)提高水下运动装置的机动性能.采用仿鱼鳍水下推进器可提高水下运动装置的起动、加速和转向性能[1].第22卷第5期2000年9月机器人　ROBO T V ol .22,N o .5Sep t .,2000Ξ基金项目:国家自然科学基金资助项目(5970511).收稿日期:1999-11-154)可降低噪音和保护环境.仿鱼鳍推进器运行期间的噪音比螺旋桨运行期间的噪音要低的多,不易被对方声纳发现或识别,有利于突防,具有重要的军事价值.5)实现了推进器与舵的统一.仿鱼鳍推进器的应用将改变目前螺旋桨推进器与舵机系统分开,功能单一,结构庞大,机构复杂的情况,实现桨2舵功能合二而一.从而可精简结构和系统,简化制造工艺,并降低成本和造价,具有重大的现实意义和实用价值.6)可采用多种驱动方式.对于应用于船舶、游艇等方面的仿鱼鳍推进器可采用机械驱动,也可采用液压驱动和气压驱动,以及混合驱动方式;对于微小型水下运动装置,可采用形状记忆合金、人造合成肌肉以及压电陶瓷等多种驱动元件.2.2仿鱼鳍水下推进器的分类根据鱼类推进运动的特征水下推进器可以划分为两种基本模式:身体波动式和尾鳍摆动式[2].在波动式推进中,鱼类游动时整个身体(或几乎整个身体)都参与了大振幅的波动,如图1.由于在整个身体长度上至少提供了一个完整的波长,所以使横向力相抵消,使横向的运动趋势降低到最小.很多采用波动推进方式游动的鱼类通过改变波的方向能实现与向前运动一样的向后运动.波动式推进的推进效率主要与波的传播速度有关,波的传播速度越大,推进效率就越高.与尾鳍摆动式推进方式比较而言,身体波动式推进效率较低,主要适用于狭缝中的穿行.尾鳍摆动式推进方式是效率最高的推进模式,海洋中游动速度最快的鱼类都采用尾鳍摆动式推进模式,如图2.其特征是具有大展弦比的尾鳍,在运动过程中尾鳍摆动,而身体仅有小的摆动或波动,甚至保持很大的刚性.其推进效率主要与下列参数有关:1)尾鳍的形状比率为展弦比;2)尾鳍的形状为后掠角A 和前端的曲率;3)尾鳍的刚度;4)尾鳍的形状;5)尾鳍的动作.尾鳍摆动式推进具有很高的效率,适于长时间、长距离的游动,但运动灵活性能较差.另外,还有一些鱼类通过胸鳍等的摆动或波动方式推进,这种推进方式效率较低,但具有很好的机动性能和稳定性能,适用于对机动性能有特殊要求的水下机器人.图1　身体波动式推进模式 图2　尾鳍摆动式浮游模式3　仿鱼鳍水下推进器国内外研究现状目前,在新型仿鱼鳍水下驱动器的研究仅限于国外,如日本、美国等国家,国内有沈阳自动化所1996年开始了尾鳍推进器研究,哈尔滨工业大学机械电子工程专业在国家自然科学基金的资助下也正在进行,下面主要介绍日本和美国等国家的研究现状.根据推进器驱动元件的不同,可以分为两大类.一类是采用功能材料作为驱动元件,主要824 机　器　人2000年9月是压电陶瓷、形状记忆合金和人造合成肌肉,主要应用在微型水下推进器和水下机器人当中;另一类是采用常规驱动元件如电磁马达作为驱动元件,通过机构实现仿鱼鳍运动.3.1　功能材料在仿鱼鳍推进器中的应用3.1.1压电陶瓷在仿鱼鳍推进器中的应用日本名古屋大学的福田敏男(To sh i o Fukuda )先生提出了一种基于鱼类胸鳍游动推进机理由压电陶瓷推动两个对称膜片摆动的微型水下浮游机器人,并进行了一系列的研究[3,4].研制出了一种将压电陶瓷微位移进行放大的弹性铰链放大机构,其放大倍数为250.两个对称的膜片的摆动可以使横向力相抵消,前进的动力得到加强.该机器人长度约为32mm ,宽度为19mm ,其结构如图3所示.其运动速度为21.6×10-3～32.5×10-3m s ,该机器人在管道检查及生物、医学工程等领域有着广阔的应用前景和价值. 1——右驱动器2——左驱动器3——柔性铰链图3　压电陶瓷驱动微型水下浮游机器人结构 图4　放大机构原理简图放大机构的原理如图4所示,当压电陶瓷产生∃x 的微位移时,在三个节点A 、B 、C 处分别产生角位移.通过对称膜片的摆动可以使其在水下实现浮游,改变压电陶瓷的激励频率可以使膜片工作在不同的共振频率下,从而可以改变驱动力以及浮游速度.通过分别控制两个压电陶瓷的工作状态可以实现其转向运动.3.1.2　形状记忆合金在仿鱼鳍推进器和水下机器人中的应用福田敏男先生提出的另外一种微型仿鱼鳍水下机器人驱动器的驱动元件采用的是形状记忆合金(S M A ),进行了“分布式形状记忆合金驱动器及其在水下机器人的应用”的研究[5],提出了一种波形合成的方法,并研制了试验样机.所提出的形状记忆合金驱动器由几种模态的形状记忆合金(如图5所示)构成,根据形状记忆合金的激励方式的不同,通过波形合成可以产生多种形状,可以模拟鱼类波动推进方式游动,实现机器人的水下浮游.在该项研究中,所采用的是平带型形状记忆合金,并研究了其弯曲特性.该机器人构成原理图如图6所示.美国佛罗里达中心大学的科研人员正在研制一种微电子鱼机器人“M ER iF ”,该机器人的驱动系统完全由形状记忆合金制成.该机器人由5个子系统组成,1)控制系统,2)运动系统,3)驱动系统,4)悬浮系统,5)传感系统.该项研究有以下3个主要目的:1)模仿自然界的鱼类,通过鱼尾的摆动实现机器人的水下浮游;2)研制一种无噪声的水下驱动系统.利用常规电磁马达驱动的水下机器人有噪声,这将很难使机器人接近所要观察、研究的水下生物.该项研究中,驱动系统完全由形状记忆合金构成,能真正实现无噪声驱动;924第22卷第5期刘军考等:　水下机器人新型仿鱼鳍推进器1——基体2——S M A图5　S M A 波形示例 图6　S M A 驱动微型水下机器人构成原理3)大范围、长时间的水下作业.为了达到这一目的,采用一种“能量循环”的方法,当太阳能电池能量即将用尽时,机器人停止浮游,并且浮出水面,电池开始充电,充满后,机器人下潜,重新开始作业.通过这样一种方法可以实现大范围、长时间的水下作业.3.1.3　人造合成肌肉在仿鱼鳍推进器和水下机器人中的应用美国新墨西哥大学的M eth ran M ojarrad 和M oh sen Shah inpoo r 等人进行了人工合成肌肉在仿生机器人系统中的应用研究.该项目利用高分子电解质离子交换膜(IE M )通过化学镀的方法镀在金属铂片上,然后制成类似鱼鳍的带状薄片.在外加电场的作用下,高分子电解质离子交换膜产生类似鳗鱼的波动,带动金属铂片一起摆动产生推进力,从而推动水下机器人运动,其驱动器原理如图7所示.实验结果表明,其运动速度与波动频率和振幅成正比,并且与推进器的几何形状与流体性质有关[6]. 1——IE M 2P t 合成致动器　2——电极　图7　IE M 2P t 人工合成肌肉驱动器 图8　仿黑色鲈鱼机器鱼3.2　电磁马达驱动仿生机器鱼日本和美国在电磁马达驱动仿生机器鱼这方面进行了大量的系统研究,取得了大量研究成果,均成功的研制出了实验样机.日本N .Kato 等人于1996年研究了黑色鲈鱼的胸鳍动作原理,初步分析了胸鳍动作状态与游动姿态的关系.N .Kato 从水下运动装置的机动性能出发主要分析了鱼在水平平面以及垂直平面上的盘旋及转向运动与鱼的胸鳍动作之间的关系,鱼在前进、后退运动等情况下的胸鳍的动作,并研制了实验样机(如图8所示),该样机可以用PC 机来控制以实现类似于鱼类的运动[7].日本东芝公司的研究人员研制出了无线控制的能象真鱼一样游动的仿生机器鱼,该机器034 机　器　人2000年9月鱼长约60c m ,重约6磅.该机器鱼通过一台台式计算机控制它的一个尾鳍、两个胸鳍的运动.由于没有必要完全精确的复制海洋鱼类的驱动方式,所以采用弹性振动鳍制作了实验样机.电池驱动的鳍的摆动频率为0.2～1H z ,机器鱼的游动速度可达0.25m s.美国麻省理工学院在仿生机器鱼的研究方面取得了大量研究成果,先后研制了两条机器鱼“T una ”及“P ike ”.通过长时间的观察鱼类的游动情况,麻省理工学院的科研人员研制了第一条机器鱼T una .研制该机器鱼的目的是克服目前水下机器人和水下潜器的连续工作时间短的限制,也就是电池寿命的限制.受机器人和潜水器的体积以及承载能力等因素的限制,不可能装备足够的能源,通过采用基于新型仿鱼鳍驱动原理的新型驱动器可以使问题得到解决,因为鱼类具有效率、性能最高的水下驱动系统.当一个刚性物体在水中移动时,在它的侧面会产生涡流,因而会降低运动物体的速度,增加消耗的动力.但金枪鱼游动时,可利用尾巴的摆动把涡流的阻力转化为一种推进的动力[5].T una 是一条长约4英尺,由2843个零件组成的,具有高级推进系统的金枪鱼.它是模仿蓝鳍金枪鱼制造的.T una 具有关节式铝合金脊柱、真空聚苯乙烯肋骨、网状泡沫组织,并用聚氨基甲酸酯弹性纤维纱表皮包裹,它装有多台2马力的无刷直流伺服电动机(T una 实际上只使用每台电机额定功率得十分之一)、轴承及电路等.T una 在多处理器控制下,通过摆动躯体和尾巴,能象真鱼一样游动,速度可达7.2公里 小时(4节).T una 的摆动式尾巴有助于机器鱼的驱动,推进效率达91%.T una 的结构如图9所示.机器鱼“P ike ”的研制目的是为了揭示鱼类为什么比我们想象的游的要快的原因,因为鱼类看上去不具备使其游的那样快的肌肉力量.同时证明其具有良好的在静止状态下的转向和加速能力.野生梭子鱼从静止状态到速度为6m s 的加速度为8-12g (g —重力加速度),我们只要能获得其数值的一半甚至四分之一就已经相当可观了,这将证明比传统的螺旋桨推进具有更好的加速能力.机器鱼“P ike ”的硬件系统主要有以下几部分构成:头部、胸鳍、尾鳍、背鳍、主体伺服系统、尾部伺服系统、尾鳍伺服系统、胸鳍伺服系统以及电池等(机器鱼P ike 组装图如图10).图9　机器鱼“T una ”结构图 图10　机器鱼“P ike ”组装图4　目前研究热点及未来发展预测目前,新型仿鱼鳍水下机器人的研究及未来发展主要集中在以下几方面:(1)尾鳍摆动式推进模式水动力学模型的建立;(2)尾鳍摆动时尾流的产生及其与推进力和推进效率关系数学模型的建立;(3)弹性元件在降低尾鳍摆动能量损失中的应用;()134第22卷第5期刘军考等:　水下机器人新型仿鱼鳍推进器234 机　器　人2000年9月(5)机器人的微型化.未来的水下机器人应该具有象鱼一样高的推进效率、快的游动速度,以及极好的运动灵活性能,来适应未来开发和探测海洋的需要.5　结论新型仿鱼鳍水下推进器可大大提高水下推进器的效率,提高能源利用率,降低推进器噪声,并且可使水下运动装置的机动性能得到提高.新型仿鱼鳍水下推进器在水下机器人和水下潜器等领域有着巨大的应用前景和潜在价值.本文介绍了新型仿鱼鳍水下推进器的特点、分类,国外目前在新型防鱼鳍水下推机器方面的研究概况,所取得的研究成果以及该项研究中的研究热点,并对未来发展趋势做出了预测.参　考　文　献1　T riantafyll ou M S,T riantafyll ou G S.A n Efficient S w i m m ing M achine.Scientific Am erican.M arch1995:64-702　Sfaki otakis M,L ane D M,B ruce J,D avies C.Revie w of F ish S w i m m ing M odes for A quatic Locomoti on.IEEE Journal of O cean Engineering.1999,24(2):237-2523　Toshi o Fukuda,A tsushi Ka w a moto,Fum ihito A rai,H ideo M atsuura.M echanis m and S w i m m ing Experi m ent ofM icro M obile Robot.P roceedings of the1994IEEE Internati onal Conference on Robotic and A utom ati on.1994:814-8194　Toshi o Fukuda,A tsushi Ka w a moto,Fum ihito A rai,H ideo M atsuura.Steering M echanis m of U nder w ater M icro M obile Robot.P roceedings of the1995IEEE Internati onal Conference on Robotic and A utom ati on.1995:363-3685　Toshi o Fukuda,H ide m i Hos okai,Isa m u Kikuchi.D istributed Type of A ctuators of ShapeM e mory A ll oy and ItsA pp licati on to U nder w ater M obile Robotic M echanis m s.P roceedings of the1990IEEE Internati onal Conference on Robotic andA utom ati on.1990:1316-13216　M ojarrad M,Shahinpoor M.B i om i m etic Robotic P ropulsi on U sing Polym eric A rtificialM uscles.P roceeding of the1997IEEE internati onal conference on Robotics and A utom ati on.1997:2152-21577　Kato N aom,et al.Pectoral fin model for m aneuver of under w ater vehicles.IEEE Symp A uton U nder w ater V eh Tech,1996: 43-56A NE W T Y PE OF UND ER W ATER TURBI NE I M I TATI NGF I SH-F I N F OR UND ER W ATER ROB OTL I U Jun2kao　CH EN Zai2li　CH EN W ei2shan　WAN G L i2gang(D ep t.O f M echatronic E ng ineering,H arbin Institute of T echnolog y,H arbin　150001)　Abstract:T he21century is a peri od for hum an beings to exp l ore oceans.A utonomous under w ater veh icles and under w ater robots expect an expansive app lied future and are of great potential value.A ne w type of under w ater turbine has been paid more and more attenti on for its h igh efficiency,m aneuverability and l ow noise.T h is paper introduces the classificati on and the characteristics of ne w type under w ater turbine i m itating fish2fin,als o introduces the research ach ieve m ents and current state hom e and abroad,and forecasts the devel op ing tendency.　Keywords:F ish2fin,under w ater turbine,under w ater robot作者简介:　刘军考(19732),男,博士研究生.研究领域:水下驱动器.　陈维山(19662),男,博士、教授.研究领域:超声驱动器,航天地面模拟器,特种驱动器.。

仿生机器鱼胸尾鳍联动水动力学性能分析高鑫驰 梅 杰 祁靖媛 李 波 陈定方武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430063摘 要：针对尾鳍摆动仿生机器鱼游动迟缓、姿态不稳定的问题，文中提出一种胸尾鳍联动的仿生机器鱼，实现了仿生机器鱼外部轮廓、内部布局设计，提出了仿生机器鱼运动控制系统，为仿真和实验提供硬件基础；改进了仿生机器鱼运动学模型，提出了水动力学仿真中鱼体轮廓改变的运动函数；基于仿生机器鱼游动水动力学仿真分析，得到最优运动参数以及最优运动参数下的应力、流速、涡情况；采用仿真最优胸尾鳍运动幅度结果，改变胸尾鳍运动频率，设计实验研究了仿生机器鱼游动水动力学性能。

仿真结果表明，以尾鳍摆动幅度72 mm、胸鳍转动角度水平正负45°、胸尾鳍运动频率均为3 Hz等运动参数进行仿真，无胸鳍辅助游动的推进力为2 N，有胸鳍辅助游动的推进力为2.6 N；实验分析结果表明，以最佳运动参数实验，无胸鳍辅助游动的推进力为1.57 N，有胸鳍辅助游动的推进力为2.57 N。

仿真和实验均说明，有胸鳍辅助鱼体游动的推进力更大。

关键词：仿生机器鱼；运动学建模；水动力学性能；胸尾鳍联动中图分类号：TP242 文献标识码：B 文章编号：1001-0785（2023）13-0021-10Abstract: Considering the problems of slow swimming and unstable posture of bionic robot fish with swinging tail fin, a bionic robot fish with linkage by pectoral and caudal fins was proposed, the external contour and internal layout design of bionic robot fish were realized, and the motion control system of bionic robot fish was proposed, which provides hardware basis for simulation and experiment. The kinematics model of bionic robot fish was improved, and the motion function of fish contour change in hydrodynamic simulation was put forward. Based on the hydrodynamic simulation analysis of bionic robot fish swimming, the optimal motion parameters and the stress, velocity and vortex under the optimal motion parameters were obtained; according to the simulation results of the optimal motion amplitude of the pectoral and caudal fins, the motion frequency of the pectoral and caudal fins was changed, and experiments were designed to study the hydrodynamic performance of the bionic robot fish when swimming. Simulation was carried out with motion parameters, including the swing amplitude of the caudal fin of 72 mm, the horizontal rotation angle of the pectoral fin of ± 45 degrees, and the motion frequency of the pectoral fin of 3 Hz. The simulation results show that the propulsion force without pectoral fin was 2 N, and that of swimming with pectoral fin was 2.6 N; the experimental analysis results show that the propulsive force without pectoral fin was 1.57 N and that with pectoral fin was 2.57 N. Both the simulation and experimental results show that the propulsive force with pectoral fin is greater.Keywords:bionic robot fish; kinematics modeling; hydrodynamic performance; linkage by pectoral and caudal fins0 引言人类对于海洋资源探索自古以来从未停止，水下航行器是目前水下探索较为有效的手段之一[1，2]。

摆动频率影响扑翼推进水动力的数值仿真研究宋保维;周务林【摘要】Based on the flapping wing' s two degrees of freedom motion model, numerical simulation study on hydrodynamic of flapping wing propulsion was carried out using the technology of dynamic grid computing. According to the results of simulation, the thrust and the maximum lift are approximately proportional to the swing frequency square. And the swing frequency affects the generating and fading of leading-edge eddy and tailing-edge eddy, thereby affects the thrust.%通过建立简谐运动耦合的二自由度扑翼运动模型,基于动网格技术对水下扑翼推进水动力特性展开数值仿真研究.通过数值仿真发现:扑翼推进力和最大升力与扑翼摆动频率的平方近似成正比；摆动频率影响前沿涡和尾涡的产生和脱落,从而影响推力.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2012(012)008【总页数】5页(P1821-1824,1840)【关键词】扑翼;摆动频率;动网格计算;涡【作者】宋保维;周务林【作者单位】西北工业大学航海学院,西安710072;西北工业大学航海学院,西安710072【正文语种】中文【中图分类】U664.35;TP24目前，国内外对仿生波动推进技术及机理开展了很多研究工作，取得了一些定性和定量的成果［1，2］。

第 63 卷第 1 期2024 年 1 月Vol.63 No.1Jan.2024中山大学学报（自然科学版）（中英文）ACTA SCIENTIARUM NATURALIUM UNIVERSITATIS SUNYATSENI仿生鳄鱼游动推进机制动力学分析*冯创新，蒋建平，白宏磊，何俊轩，曾钦，卓志钦中山大学航空航天学院，广东深圳 518107摘要：本文建立了鳄鱼水中摆尾游动的动力学模型，并利用Froude游动效率理论给出了鳄鱼推进效率的计算方法。

结果表明：鳄鱼游动过程中，稳态平均游速随摆动频率、幅值和波长的增大逐渐增大。

其中，增加摆动频率对提高游速的贡献最大，增加摆动波长的贡献最小；推力功率随着摆动频率、幅值和波长的增大逐渐增加，功率损耗也逐渐增加；当鳄鱼摆动频率为0.7 Hz、摆幅为0.2 m、波长为1.2 m时，游动效率达到最大为64%；游动效率随着Re的增大，呈现先增大后减小的趋势，在Re为3×105时达最大值；游动效率随着St的增大而逐渐趋近于55%的稳定值。

研究结果对研制仿鳄鱼机器人具有重要参考价值。

关键词：仿生鳄鱼；摆尾推进；动力学建模；游动效率中图分类号：O352 文献标志码：A 文章编号：2097 - 0137（2024）01 - 0113 - 08Dynamical analysis of propulsive mechanism of bionic crocodileswimming in waterFENG Chuangxin， JIANG Jianping， BAI Honglei， HE Junxuan， ZENG Qin， ZHUO Zhiqin School of Aeronautics and Astronautics，Sun Yat-sen University，Shenzhen 518107，ChinaAbstract：The dynamics model of a swimming crocodile is established based on its kinematic model and Lighthill’s slender-body theory. Furthermore， the propulsion efficiency of a swimming crocodiles is calculated using Froude’s theory. The results show that the cruising velocity of the crocodile increases with the increase of the tail’s swinging frequency，amplitude and wavelength.And，the increase of swinging frequency being the greatest contribution， the increase of swavelength being the least contri‐bution. It is also observed that the thrust power increases gradually with the increase of the tail’s swing‐ing frequency， amplitude and wavelength. When the oscillating frequency is 0.7 Hz， the oscillating am‐plitude is 0.2 m and the wavelength is 1.2 m， the thrust efficiency is up to 64%. The thrust efficiency in‐creases first and then decreases with the increase of Re， and reaches the maximum value when the Re is 3×105， gradually approaching the constantvalue of 55% with the increase of St. The results provid an valuable reference for the development of a crocodile-like robot.Key words：bionic crocodile； wagging thrust； dynamics modeling； swimming efficiency鳄鱼是研制仿生水陆两栖机器人的重要仿生对象。