一种自由游动仿金枪鱼机器人的设计、制造及游泳性能

摘要

巡航效率高是开发金枪鱼仿生机器人的决定性因素。到目前为止，已经制造了一些类似金枪鱼的机器人。然而，坎特伯雷大学已经开发出自己的金枪鱼样机器人，叫做UC IKA 1，以研究并相应地改善仿生游泳机器人的游泳性能。为此，研究了金枪鱼推进系统的推力和阻力。在此基础上，结合金枪鱼推进系统设计和制造了鱼类机器人。然后对机器人进行多次测试，以研究其游泳性能。将UC Ika 1与其他类似金枪鱼的机器人的速度和效率进行比较，结果表明UC Ika 1的巡航性能有了很大改善。

1.介绍

大多数水下任务，如海底电缆和管道监测或污染搜索，都需要具有导航能力的机器人长时间工作[1］.基于这一目的，仿生游泳机器人是最适合的，因为它们速度快、效率高、操作性强[2］.

第一台仿生游泳机器人RoboTuna于1994年在麻省理工学院制造出来[3.］.1997年，涡度控制无人潜水器(VCUUV)在RoboTuna的基础上进行了一些改进，具有更强的避障和上下运动能力[4].从那时起，开发了许多具有更大能力的鱼类机器人[5- - - - - -8］.机器鱼的更详细的技术状态在[9］.

在现有的鱼类机器人中，RoboTuna和VCUUV等机器人的灵感来自于金枪鱼，它是一种远洋鱼类，运动效率很高[10(记住Bandyopadhyay [11[认为仿生游泳机器人的效率并不比螺旋桨机器人高，但动物在游泳时表现出了优越的机动性)。然而，对仿金枪鱼机器人的运动效率研究还不够深入。因此，作者以金枪鱼为灵感，开发了一种鱼类机器人，以研究其巡航效率。摘要简要介绍了仿生金枪鱼机器人的设计、建模和制造步骤，并对仿生金枪鱼机器人的游动性能进行了详细的讨论。

论文组织如下。下一节的重点是鱼机器人的设计标准。节3.，介绍了机器人的设计。节4，制作过程是关注的中心，包括鱼是如何制作的材料。部分5分析了机器人的游泳性能。最后，对论文进行了总结。

2.金枪鱼设计的物理标准

鱼类机器人的动力学行为主要受到两种力的影响:静水力和水动力。静水力对于深度控制更为重要，而水动力则用于游泳。然而，为了使游泳模型能以最小的能量耗散，需要对几个因素产生水动力。这些因素作为最优游泳因素引入。

2.1.静水压力

鱼的重量、浮力等静水力对鱼的稳定性起着至关重要的作用。重量,，定义为质量乘以引力常数，.另一方面，浮力，，由阿基米德定律定义为水的排开质量乘以重力常数，,在那里是鱼的体积和是水的密度。为了保持机器人在水下的位置稳定，和需要平等。此外，质量中心和浮力中心必须垂直对齐，浮力中心应在重量中心之上。这保证了机器人的姿态稳定性。

2.2.水动力

水动力，如阻力和推力，因鱼而异。对于类似金枪鱼的机器人，主要阻力与压力阻力有关，而主要推力与升力有关[12］.因此，为了有一个有效的游泳，压力阻力和升力需要分别减少和增加。

压力阻力是沿物体的压力梯度的结果。为了减少这种阻力，动物的形状是一个决定因素。游泳动物最好的整体形状是拥有流线型的身体，最粗的部分的直径，，以及鱼的长度，。流线型的身体在0.18和0.28之间产生的最小阻力小于10% [13］.

在运动过程中，金枪鱼通过尾鳍尖端脱落的旋涡产生升力。较大的旋涡提供更大的推力。为了扩大这些漩涡，有几个因素在起作用。初始时，尾鳍需要呈高展弦比的月状(如图)1).此外，身体和尾鳍应具有波动运动。金枪鱼通过尾梗产生行波的速度大于游动速度。这种类型的运动称为波动[10］.波动运动要求尾鳍在达到最大垂荡时改变方向。这也有助于鱼制造更大的漩涡。

注意，在波动过程中，鱼周围的流体被侧向推拉。这些流体的加速和减速导致能量耗散增加和游泳效率降低。由于金枪鱼是一个高效的游泳者，它的波动始于它的尾鳍，尾鳍和尾鳍之间的连接处尽可能的窄，以减少这种能量的耗散。换句话说，尾梗较小的表面有助于金枪鱼侧向移动较小体积的水。这节省了金枪鱼在巡航时的能量。

２．３．最佳游泳因素

对鱼机器人的身体和尾鳍形状进行优化设计可以提高鱼机器人的游泳性能，但设计高效游泳机器人还存在其他决定性因素。本文主要考虑了两个判据:斯特罗哈尔数和弗劳德效率。

斯特罗哈尔数是反映鱼类通过身体波动所形成漩涡结构的一个因子。斯特鲁哈尔数,，是一个无量纲参数。表示非定常力与惯性力的比值，定义为 在哪里为物体波动的频率，是尾鳍的起伏，和是鱼的平均巡航速度。如果时，尾鳍后面的涡流产生最大推力。注意，斯特罗哈尔数适用于通过身体和尾鳍游动的鱼类[14］.

弗劳德效率是评价鱼类游动行为的另一个重要因素。这个因素将用于推进的有用功率与鱼的总动能联系起来，总动能是鱼周围尾流传递动量的平均速率。弗劳德效率的定义是 在哪里是推力和推力为鱼的平均速度。为鱼的总动能[15］.在这篇文章中,的表达式如下: 在哪里产生漩涡尾流的力是多少是尾鳍的平均横向速度和在[16］.一条鱼的效率可以达到90%，而螺旋螺旋桨鱼机器人的效率最多为50% [17］.

3.原型设计

数字2图解了坎特伯雷大学设计的金枪鱼机器人，它的名字，UC IKA 1，来源于毛利人单词IKA。

该机器人主要由两部分组成:主体和尾部。主体设计为刚性部件，包含电池、单片机、直流电机等所有固定部件。胸鳍是固定在身体上的，在这个原型中，胸鳍也是刚性的。尾部包括柔性尾梗和刚性尾鳍，波动驱动机构位于尾梗内。该机构将直流电机与尾鳍连接;参见图2。

UC-Ika 1的设计允许研究所有上述的物理标准，这是机器人稳定和高效巡航运动的必要条件。UC-Ika 1是中性浮力，重量大约为4公斤，而浮力中心在质量中心之上(图)3.）．

数字3.还显示UC Ika 1的整体形状是流线型的，带有和分别为147毫米和610毫米。因此，机器人的体型有等于0.24，在流线型车身的最佳范围0.18-0.28。

此外，为了有效率的巡航，尾梗皮肤的设计是灵活的。尾鳍连接处的尾梗较窄，周长64 嗯。尾鳍被设计成具有长宽比的月形，，等于6.4，其中为170毫米等于4500 嗯²。

尾巴的波动由图中所示的运动机构决定4。这个机构有明显的特点。首先，该机构由一个直流电机驱动。这允许在主体内部装配接近质心的电机，以减少尾脚的重量。当尾脚较轻时，由于质量惯性矩较小，机器人的摆动是可控的。

第二个显著特征是第三环节的被动控制。换句话说,在图4依赖于连杆系统其余部分的运动，由。相应地，需要控制的自由度也会减少。

该机制的第三个重要特点是它适合于模仿真正的金枪鱼巡航。现有的仿金枪鱼机器人具有像鲭鱼一样的carangiforms游泳模式。Carangiforms的波浪从身体的最后三分之一，而thunniniforms(如金枪鱼)的升力推进系统局限在靠近尾鳍的身体最后部分[10］.因此，尾部机构避免了尾部梗在刚体附近的过度运动及其相关的能量耗散。

考虑尾翼的运动学设计，图4，另一方面，电机振荡为14度F点的垂荡为56 mm, C点垂荡短，F点垂荡长，而尾部机构没有进行优化，对于金枪鱼样的波动是一个相当令人满意的结果。

4.制造和装配

为了制造复杂形状的刚性主体，采用了一种称为熔融沉积建模（FDM）的快速成型方法应用，这是一种直接使用CAD模型的3D打印技术。然后使用两种不同的熔融材料作为基材和支撑材料逐层制作设计。基材为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），实际上是制造的实际材料。3D打印后，在70°C热碱性浴中分解并移除零件上的支撑材料（图5） ［18].为了使主体防水，主体上涂有环氧树脂，以避免随着时间的推移水通过主体，因为主体具有轻微的多孔性。

柔性尾脚由聚二甲基硅氧烷(PDMS)硅Sylgard 184生产，耐用，抗拉，耐水和大多数溶剂[19］.硅树脂由两部分组成。这两个部件需要组合在一起，然后倒入模具中。尾节的模具也是用3d打印机制作的，类似于刚体制作。尾巴的凝固大约需要72小时。数字6说明了柔性尾部的铸造。

鱼机器人的其他部件，如胸鳍、驱动机构和尾鳍，都是用众所周知的制造机器制造的。请注意，驱动机构和胸鳍是由钢和铝组成，而尾鳍是由一个5毫米的聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)片。

控制12 设计了一个开环控制器，该控制器被编码到Arduino Uno微控制器中，该微控制器可以通过蓝牙连接器与任何蓝牙设备（如计算机和智能手机）进行通信。

数字7展示了鱼类机器人UC-Ika 1的最终原型。

5.鱼类表现

UC-Ika 1是单步态机器人，只能利用尾鳍和尾鳍进行巡航运动。当尾鳍在最大垂荡时改变方向时，会产生更大的涡流，从而保证了机器人的更快性能。为了证实这一理论，UC-Ika 1用两种不同的尾部设计进行了测试:如图所示的尾鳍固定接头8（a）以及如图所示的灵活的一个8 (b)。对于固定接头，尾鳍与尾节的方向相同，而柔性接头由一块橡胶制成，在最大垂荡时，使尾鳍改变方向。

请注意，VCUUV由液压动力装置操作，RoboTuna是一种带有外部电源的车载机器人[9而UC-Ika 1仅由一个内部固定的12v直流电机驱动。因此，UC-Ika 1不需要外部支持，采用电机，适合中型机器人使用。有关执行机构的进一步资料，请参阅[20.］.

在4米长的水箱中对上述两种尾鳍设计进行了多次试验。表格1显示每个测试的结果。

结果显示巡航速度为0.21 m/s和0.29 分别具有固定关节和柔性关节的UC Ika 1的m/s（通过对UC Ika 1巡航运动视频的运动分析，完成了机器人若干测试的结果）。通常测量鱼的速度，并与鱼的体长进行比较。因此，UC Ika 1的速度为每秒0.33体长（BL/s）用于固定接头和0.44 灵活设计的BL/s。这些结果与现有的金枪鱼机器人类似。图9将两种模拟金枪鱼的机器人VCUUV和RoboTuna与uci - ika 1进行比较，uci - ika 1既有固定关节也有灵活关节。

通过斯特罗哈尔数和弗劳德效率研究了具有柔性关节游动机器人的最优性。为了计算这两个量，首先从实验中得到UC-Ika 1的游泳参数。这些参数如表所示2。

应该指出的是和使用弗劳德时，机器人在巡航时必须获得效率。在巡航模式下，推进力的平均值等于阻力的平均值。因此,和计算机器人在巡航模式下的速度，并替换为和(例如,）．

替换，,到(1)的收益率。这个值的证明了鱼机器人产生的涡流不是完全理想的。然而，UC-Ika 1的Froude效率大约较高。代入，，,到(2)和(3.)计算结果表明，该机器人的弗劳德效率为78%。

结果显示了一个很有前景的性能，因为金枪鱼的几个水动力方面还没有考虑。例如，尾鳍没有流线型的形状。此外，金枪鱼的胸鳍是静态的，朝向身体内部，而UC-Ika 1的胸鳍是固定的朝外。此外，运动尾机构还没有得到优化。未来的优化设计预计具有更高的效率，超过83%。

6.结论

为了设计出稳定、快速、高效的类金枪鱼机器人，需要考虑金枪鱼推进的物理标准。因此，机器人需要保持中性浮力。机器人的整体外形要求为流线型。尾部需要灵活波动提供大型绞lunate-shaped。最后,尾鳍尾部花梗必须缩小挠性接头附近的尾鳍。UC-Ika 1是设计和制造考虑所有这些标准,而没有充分优化。

uci - ika 1的巡航试验表明其性能令人满意。主要利用Strouhal数和Froude效率对机器人的游动效率进行了研究。UC-Ika 1游动时的Strouhal数为0.72，这不是完全的理想值。然而，与螺旋桨水下机器人和自然界的真鱼相比，该机器人的效率也非常好。UC-Ika 1的效率是78%。该机器人的速度可与其他类似金枪鱼的机器人相媲美，如RoboTuna，它采用拖车安装并使用外部电源，以及VCUUV，它使用液压动力单元游泳[9］.采用尾鳍柔性关节巡航时，机器人航速达到0.44 BL/s，比采用固定关节巡航速度提高25%。

对于未来的原型，机器人的效率和速度将采用优化算法进行优化。此外，未来的机器人设计将包括振动胸鳍，这将增加机器人的机动性。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

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