仿生机器鱼的身体架构

2020-12-17 09:25:17 303

经过数年研究,我们提出了全新的建模理念:仿形、仿理、仿自然,提出鱼尾材料必须是弹性材料,而且提出鱼尾的长度、宽度、面积占比必须要合理,才能产生较好的推进效果。

仿生机器鱼设计的要素是速度、稳定性、灵活性,而实现这些要素所涉及的理论和技术范围又非常广泛,这给我们设计制作仿生机器鱼带来许多不便和困难。为此,我们从三个方面阐述实现仿生机器鱼三要素的基本理念和具体做法。

1.速度要素

我们知道,真鱼游动时主要靠尾鳍的摆动提供动力,包括摆动幅度,摆动频率,尾鳍的长度面积占比,都非常重要。因此,厘清尾鳍的构成材料,确定尾鳍的摆动方式非常必要。解剖学证明,构成鱼尾鳍的核心材料是有机质,尾鳍内部有排列整齐的鳍骨,鳍骨有机质含量很高,在鳍骨的外面覆盖了致密的脂肪和胶原蛋白,这种结构使鱼尾鳍整体有着非常好的弹性,鱼游动时,尾鳍拨水,发生弹性形变,储存了弹性势能,正是尾鳍储存的弹性势能使鱼获得了前进的动力。功率小尾鳍弹性系数小,尾鳍的摆动幅度也较小。反之,功率大尾鳍弹性系数大,摆动幅度也较大。

为了在形态和原理上更能体现仿生机器鱼的推进机理,我们尝试了多种弹性材料:金属弹片、碳纤维弹片、尼龙弹片和复合弹片等。

2.稳定性要素

和稳定性相关的应该有以下几个因素:鱼体长度、质量、重心,尾鳍的弹性系数、尾鳍长度面积占比和摆动频率。我们采用的摆动方式有三种:曲柄滑槽机构、曲柄摇杆机构、曲柄滑杆机构,尾鳍与鱼体通过摆轴连接。尾鳍摆动时对鱼体会产生一个以摆轴为支点的扭矩,这个扭矩会使鱼头向与尾鳍摆动方向相同的方向运动,所以当鱼体的长度、质量确定后,要尽可能减小这个扭矩,一个较为恰当的做法就是减小尾鳍的长度,当然尾鳍的宽度也要有所限定,即尾鰭的长度面积占比要恰到好处。影响机器鱼稳定性的另外一个重要因素是摆动频率,如果尾鳍摆动频率过慢,即便尾鳍长度足够短,但因尾鳍摆动时对鱼体产生的扭矩会长时间(相对)作用于鱼体,会使鱼体发生偏转,进而影响鱼体的稳定性。可以通过实验测定一个阈值,一般可以设定这个阈值为5赫兹,根据鱼体或船体质量不同可以设定不同的阈值。

3.灵活性要素

普通船舶的转向主要靠方向舵来实现,也有将马达直接固定在方向舵的轴上来控制方向(矢量舵) ,也有利用 双马达的交替运行来控制转向的,喷水动力船则可 以利用改变喷水方向来控制船舶的方向。对于仿生机器鱼来说,加装方向舵不太妥当,外形上就不像鱼,所以我们初设计了利用鱼头来控制方向。鱼头与鱼体成活连接,并且鱼头可以通过舵机控制,当鱼头向左转动时,鱼就向左游,当鱼头向右转动时,鱼就向右游。我们课题组从第五代机器鱼到第十一代机器鱼都是采用鱼头来控制方向的,实验证明,这种结构基本可以实现仿生机器鱼的转向,缺点是转弯半径大,转向时间长,转弯过程中速度会明显下降。