趙冬生,張 禹,李延斌,趙文川,王 寧
(沈陽工業(yè)大學機械工程學院,遼寧 沈陽 110870)
近年來,隨著仿生學和軟體材料的發(fā)展,科學家借鑒自然界中魚類的運動原理,利用硅橡膠材料的超彈性特征,在軟體驅(qū)動器設計中涌現(xiàn)了不同驅(qū)動方式的仿生機器人。由于軟體機器人本身用硅橡膠材料制成,具有高度多變能力和無限自由度[1]。與傳統(tǒng)剛性仿生機器魚相比,軟體機器人結(jié)構(gòu)更加多變,且制造成本低,控制方法簡單可靠,軟體仿生魚類機器人無論在外形還是游動方式上與自然界的魚類完全相同,對海洋生態(tài)的影響很小[2]。
目前主流軟體仿生機器人有英國埃塞克斯大學(University of Essex)的Liu等人研制了MT系列和G系列的軟體仿生魚類機器人,G系列軟體仿生魚類實現(xiàn)了峰值轉(zhuǎn)速130度每秒,平均轉(zhuǎn)速70度每秒的較好轉(zhuǎn)向性能[3]。MIT的Marchese等人研制了一款采用流體高彈性驅(qū)動器(fluidic elastomer actuators,F(xiàn)EAs)的軟體仿生魚機器人,該機器魚在S形起動實際的實驗中,展現(xiàn)了軟體魚較高的機動性能[4]。國內(nèi)中科院自動化所在對魚類深入觀察的基礎(chǔ)上,開發(fā)了多種軟體仿生魚類機器人[5]。
本文借鑒自然界“游泳冠軍”金槍魚高效運動特點,設計了一種以氣動驅(qū)動的軟體仿金槍魚機器人。根據(jù)尾部氣腔內(nèi)的氣體壓力變化而使尾部產(chǎn)生不同程度的變形,以改變頻率和彎曲角度,來實現(xiàn)多種游動模式。
金槍魚模式游動魚類前2/3身體部分基本是不產(chǎn)生推進動力,且后身體部分的擺動也有限,在尾柄處達到最大幅度,如圖1所示。細小的尾柄帶動尾鰭一起運動,尾鰭提供了90%以上的游動推力[6]。因此,如今很多有關(guān)研究關(guān)注金槍魚模式,許多仿魚類水下推進裝置也采用金槍魚模式魚類的外形[7]。
圖1 金槍魚推進模式
在T=0 s時刻,尾鰭沒有運動,兩側(cè)無水流還沒有產(chǎn)生波動;在T=0.01 s時,尾部肌肉帶動尾鰭開始擺動,在該時刻尾鰭向逆時針擺動擊打水流,尾鰭上面水壓變大,下面水壓變小。
T=0.375 s時,擺動尾鰭使擺幅達到峰值,在經(jīng)過峰值位置后,尾鰭變?yōu)轫槙r針方向擺動。
T=0.75 s時,當產(chǎn)生的第二個漩渦完全脫離尾鰭,這時魚尾擺幅到中間位置,尾鰭水壓髙低壓區(qū)域再次發(fā)生變化。
T=1.125 s時,由尾鰭所在前端低壓區(qū)開始產(chǎn)生貼身渦流。T=1.12 s時逐漸脫離,該時刻的漩渦旋轉(zhuǎn)方向變成順時針方向。完成一個周期的運動。
圖2 金槍魚尾鰭一周期運動
基于上述對金槍魚推進機理分析,本文設計了一種以氣動驅(qū)動的軟體仿金槍魚機器人來模擬金槍魚的運動,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要由3部分組成,詳細介紹如下。
圖3 整體結(jié)構(gòu)模型
軟體仿金槍魚機器人尾部變腔驅(qū)動器單側(cè)采用2個獨立氣腔,用于實現(xiàn)軟體機器人的多種運動模式。該尾部變腔驅(qū)動器由氣壓驅(qū)動,根據(jù)充入氣腔內(nèi)氣壓壓力不同產(chǎn)生不同的彎曲變形角度。為了產(chǎn)生足夠的推力,尾翼被添加在軟體仿金槍魚機器人的末端。尾翼采用金槍魚特有的月牙形,這種翼型相對較為柔軟,經(jīng)常在水的阻力作用下被動地彎曲,再增加推進力的同時,又能減小側(cè)向力,擺動對重心影響也非常小。
單側(cè)采用2個獨立長度不同氣腔設計變腔驅(qū)動器來制作軟體仿金槍魚尾鰭,不僅更好的符合金槍魚骨骼的特征,也能夠是實現(xiàn)巡游、轉(zhuǎn)彎、快速應急游動的多種模式。
該軟體仿金槍魚機器人尾部結(jié)構(gòu)主要分為3部分:1)左側(cè)變腔驅(qū)動器有一大一小2個獨立氣腔,大氣腔有12個連通氣囊,小氣腔有4個連通氣囊;2)位于中間封閉氣腔的約束層;3)右側(cè)變腔驅(qū)動器有一大一小2個獨立氣腔,大氣腔有12個連通氣囊,小氣腔有4個連通氣囊,具體結(jié)構(gòu)如圖4。各部位尺寸數(shù)值如表1。
圖4 尾部設計模型
表1 尾部設計參數(shù)
軟體仿金槍魚機器人的前身采用硅膠材料,前身做成空腔,來實現(xiàn)平衡前后質(zhì)量,方便氣管在軟體仿金槍魚機器人內(nèi)部走線,在重心位置增加重心機構(gòu),改變密度,增加下沉重力,前身結(jié)構(gòu)設計主要由3部分組成:1)硅膠外殼;2)傳感器固定結(jié)構(gòu);3)重心結(jié)構(gòu)。模型參數(shù)如圖4、表2所示。其中硅膠外殼為通氣結(jié)構(gòu)和重心結(jié)構(gòu)提供密閉空間;通氣結(jié)構(gòu)是為尾部驅(qū)動器提供通氣管道,保證氣泵通氣時氣體通過無阻礙;重心結(jié)構(gòu)改變浮心和軟體仿生機器人的密度來確保仿金槍魚機器人能定深。
圖5 前身結(jié)構(gòu)模型
表2 前身結(jié)構(gòu)參數(shù)
在軟體仿金槍魚機器人游動時,尾部變腔驅(qū)動器的往復運動會使軟體仿金槍魚機器人的本體發(fā)生旋轉(zhuǎn),故應加一些平衡機構(gòu)進行抑制。軟體仿金槍魚機器人增加第二背鰭與臀鰭以平衡尾鰭推進是對本體產(chǎn)生的力矩;增加胸鰭以提高俯仰控制性能,通過增大第二背鰭與臀鰭,可以平衡胸鰭;第一背鰭用來增加偏航控制性能。
圖6 各平衡鰭結(jié)構(gòu)模型
表3 各平衡鰭結(jié)構(gòu)參數(shù)
尾部變腔驅(qū)動器是由硅橡膠材料利用3D打印模具澆筑而成,基于Yeoh模型理論建立的硅橡膠材料本構(gòu)關(guān)系,用E表示應變能力密度函數(shù),E=E(I1,I2,I3),定義如下:
(1)
設第三不變量I3=1,λ3=1,代入方程(1)可得:
(2)
(3)
代入帶2階Yeoh模型可得:
(4)
式中,C1、C2為系數(shù),C1=0.11和C2=0.02,對方程(4)求偏導得到該應力值化簡方程:
σ=8C1(λ1-1)
(5)
尾部驅(qū)動器彎曲是由激勵層、約束層和對立層三者相互作用來實現(xiàn)的,如圖7,當氣體通入時,嵌入在彈性激勵層的氣道膨脹,并且第二不可延伸但柔性的約束層用于約束由沿著一側(cè)的膨脹通道產(chǎn)生的軸向張力,將彈性體中的橫向應力轉(zhuǎn)化為彎矩。
圖7 橫截面分析示意圖
根據(jù)通道的物理特性和內(nèi)部致動器壓力描述了矩形有限元分析的總彎曲角。
(6)
(7)
式中,n是通道數(shù),x是通道寬度,ε是材料應變和材料應力σ的非線性函數(shù),ya和yc是致動器和通道的高度。然而,因為執(zhí)行器與矩形致動器略有不同,優(yōu)化得到了一種新的力學模型。在給定的嵌入通道n之后,沿著致動器長度的累積角度θn,θn的物理特性可以用Pa的函數(shù)來估計。
(8)
(9)
圖8 橫截面膨脹彎曲分析圖
本文方案設計的變腔驅(qū)動器結(jié)構(gòu)為變高度變體積的兩腔。以氣泵為主要動力源,所需要通入不同的氣壓來對2個變腔體產(chǎn)生彎曲變形。左邊變腔體充氣實現(xiàn)向右彎曲,右邊變腔體充氣實現(xiàn)向左彎曲。軟體機器人在巡游狀態(tài)下需要兩變腔體都通氣,左右對稱結(jié)構(gòu)的變腔體通過規(guī)律性的充放氣,實現(xiàn)較大擺動角度進行向前游動。當機器人有障礙需要加速躲避時,靠近尾鰭的型腔充氣,尾鰭遠端的型腔不充氣,通過加快擺動頻率,減小擺動角度,來提升瞬間的加速度。
在ANSYS軟件中模擬氣體通入變腔驅(qū)動器,對變腔驅(qū)動器的彎曲變形能力進行仿真分析。由于變腔驅(qū)動器是通過硅橡膠材料澆筑成型,本身變形具有非線性,本文通過Yeoh本構(gòu)方程為計算模型,在不考慮水中阻力和自身重力的理想條件下,對變腔驅(qū)動器大小端氣壓仿真分析,不同氣壓變腔驅(qū)動器彎曲變形如圖9所示
圖9 不同氣壓彎曲形態(tài)
應用fluent對軟體仿金槍魚機器人本體進行水動力仿真分析,仿真結(jié)果如圖10所示。在不同的速度下,由速度云圖可知,軟體仿金槍魚軟體機器人是z軸對稱體結(jié)構(gòu),所以周圍水流流動有對稱性。由壓力云圖可知,機器人前身前端和胸鰭前端受水流沖擊壓力明顯大于其他位置壓力,機器人會受到與前進方向相反的阻力。
圖10 軟體仿生機器人壓力云圖和流線圖
本文設計和分析了一種軟體仿金槍魚機器人來模擬金槍魚的游動,與單通道單氣管通氣型腔結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器相比,本文設計的是兩通道兩氣管通氣的變體積型腔結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器,該軟體變高變體積腔體機器人具有響應時間達1.5 s、彎曲極限角度大、推進時效比高的優(yōu)點。同時仿真結(jié)果驗證了軟體仿金槍魚機器人多型腔驅(qū)動器滿足彎曲變形需要,整體結(jié)構(gòu)符合水動力特性。
下一步繼續(xù)優(yōu)化機器人整體尺寸結(jié)構(gòu)和型腔結(jié)構(gòu),設計氣動回路與電控系統(tǒng)來實現(xiàn)軟體仿金槍魚機器人在水下場景的游動。