盧亞平，宋天麟，章月婷

　?。ㄌK州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215325）

       摘要：設(shè)計(jì)了微舵機(jī)控制的仿生魚，結(jié)合魚胸鰭和魚尾鰭的配合動(dòng)作，完成一系列的游弋動(dòng)作。其中根據(jù)魚類“波動(dòng)推進(jìn)理論”的游動(dòng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)仿生魚的前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)；根據(jù)魚類“胸鰭法理論”實(shí)現(xiàn)上浮、下潛運(yùn)動(dòng)；提出加減速游動(dòng)方案，通過(guò)修改X值的方法，實(shí)現(xiàn)仿生魚的加減速游。組裝并進(jìn)行水上模擬實(shí)驗(yàn)和水下實(shí)際實(shí)驗(yàn)，調(diào)試仿生魚的各動(dòng)作協(xié)調(diào)性，分析仿生魚在水中的靜態(tài)平衡和動(dòng)態(tài)平衡問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞：微舵機(jī)；仿生魚；波動(dòng)推進(jìn)理論；胸鰭法

　　中圖分類號(hào)：TH113文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.01.023

　　引用格式：盧亞平，宋天麟，章月婷. 基于微舵機(jī)控制的仿生魚設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（1）：76-78，82.

0引言

　　隨著仿生魚技術(shù)發(fā)展的成熟和社會(huì)關(guān)注度的提高，仿生魚逐漸成為機(jī)器人研究的重點(diǎn)，目前科學(xué)家們研制出了許多高效率、高機(jī)動(dòng)性和高娛樂(lè)性的水下仿生魚，吸引著越來(lái)越多的研究者的興趣。如：2002年日本成功利用高分子材料(人造肌肉)研制了一種仿生魚，這種仿生魚全長(zhǎng)6.7 cm;2003年日本三菱重工業(yè)公司推出的金色鯉魚外形機(jī)器魚在東京展出供人觀賞，這種機(jī)器魚外形與真魚一樣，完全可以迷惑人們的眼睛。

　　目前，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)的仿生魚主要由直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)通過(guò)一定的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)魚尾部的相關(guān)運(yùn)動(dòng)，或利用人造肌肉或電磁線圈的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)仿生魚尾部的運(yùn)動(dòng)。很少使用微型舵機(jī)的方法驅(qū)動(dòng)魚尾部的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)仿生魚的水中游弋，更沒(méi)有使用微型舵機(jī)直接連接胸鰭，通過(guò)胸鰭舵機(jī)的擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)仿生魚的上浮下潛。同時(shí)國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)的仿生魚并沒(méi)有充分利用仿生魚的胸鰭和尾鰭的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)仿生魚的水中游弋，也沒(méi)有豐富魚類急游、慢游、轉(zhuǎn)彎、下潛上浮的游姿［12］。

1仿生魚機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本文通過(guò)研究分析不同魚類的推進(jìn)方法和游動(dòng)姿態(tài)，設(shè)計(jì)了一條基于微舵機(jī)控制的仿生魚。仿生魚的機(jī)械結(jié)構(gòu)由魚頭、魚身、魚尾和一對(duì)胸稽組成。魚頭安放控制模塊（仿生魚的大腦），魚身部分安放電池（仿生魚的動(dòng)力源）。通過(guò)4個(gè)微舵機(jī)連接形成多自由度的機(jī)構(gòu)，其中2個(gè)微舵機(jī)置于仿生魚的尾部,通過(guò)舵機(jī)的擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)急游、慢游，另2個(gè)舵機(jī)置于仿生魚的鰓部和胸鰭，通過(guò)舵機(jī)的擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)下潛、上浮。通過(guò)不同的游泳姿態(tài)組合，達(dá)到豐富人們視覺(jué)的效果［3］。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2仿生魚控制設(shè)計(jì)

　　仿生魚右、左轉(zhuǎn)彎動(dòng)作控制方法：必須使得尾部產(chǎn)生一個(gè)單方向的轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)矩的作用下實(shí)現(xiàn)魚體轉(zhuǎn)角。通過(guò)編程控制兩尾部舵機(jī)，魚尾前舵機(jī)偏置一定角度并保持，同時(shí)魚尾后舵機(jī)以45°快速往復(fù)擺動(dòng)。即,通過(guò)魚尾前舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，再配合魚尾后舵機(jī)45°角的擺動(dòng)產(chǎn)生推力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

　　仿生魚加速、減速控制方法：通過(guò)MCU編程設(shè)置定時(shí)器中斷(T0/T1)來(lái)控制兩尾部舵機(jī)PWM波形占空比的變化速度，實(shí)現(xiàn)控制舵機(jī)往復(fù)擺動(dòng)的頻率，即改變舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度所需時(shí)間。時(shí)間短，魚尾部來(lái)回?cái)[動(dòng)完成角度的速度加快，就會(huì)產(chǎn)生較大的前進(jìn)推力，使得仿生魚能以較快的速度前行；時(shí)間長(zhǎng)，魚尾部來(lái)回?cái)[動(dòng)完成角度的速度變慢，產(chǎn)生較小的前進(jìn)推力，使得仿生魚前進(jìn)速度較慢［4］。

　　舵機(jī)的PWM波是一個(gè)周期為20 ms，且其脈寬在0.5 ms~2.5 ms之間變化的方波。T1定時(shí)中斷設(shè)定為20 ms，T0定時(shí)中斷設(shè)定為0.01 ms，根據(jù)脈沖變化范圍（0.5~2.5 ms），此時(shí)可確定T0的定時(shí)中斷次數(shù)范圍為50~250。以50為起點(diǎn)，X為步長(zhǎng)，從0.5 ms變化到2.5 ms的速度取決于X的大小，理論上當(dāng)X=1時(shí)舵機(jī)要經(jīng)過(guò)200次的20 ms脈沖周期才能從-90°擺動(dòng)到90°，變化速度最慢。當(dāng)X=10時(shí)舵機(jī)要經(jīng)過(guò)20次的20 ms脈沖周期才能從-90°擺動(dòng)到90°，速度較快。由此為仿生魚的加減速游提供了很好的編程思路，X的大小決定了舵機(jī)的擺動(dòng)速度［5］。舵機(jī)擺動(dòng)速度與X的關(guān)系如圖2所示。

　　仿生魚上浮、下潛控制方法：仿生魚的前部安裝一對(duì)具有轉(zhuǎn)動(dòng)自由的胸鰭，在游動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)改變胸鰭的姿態(tài)，利用水流對(duì)胸鰭產(chǎn)生的升力或壓力實(shí)現(xiàn)上浮下潛。當(dāng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)胸鰭舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，若帶動(dòng)胸鰭的姿態(tài)傾斜向下，同時(shí)，兩尾部舵機(jī)加速擺動(dòng)，提升游速，會(huì)使兩端胸鰭產(chǎn)生向下壓力，仿生魚下潛；當(dāng)兩臺(tái)胸鰭舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使胸鰭姿態(tài)傾斜向上，同時(shí)，兩尾部舵機(jī)加速擺動(dòng)，提升游速，會(huì)使兩端胸鰭產(chǎn)生向上升力，仿生魚則上浮；當(dāng)胸鰭保持水平且仿生魚游速較低時(shí)，不產(chǎn)生升力或升力較小，仿生魚水平運(yùn)動(dòng)［6］。如圖3所示。

3水上模擬實(shí)驗(yàn)

　　水上模擬調(diào)試的首要任務(wù)是調(diào)整仿生魚運(yùn)動(dòng)軌跡，使其符合波動(dòng)推進(jìn)理論的基本要求。在開(kāi)始調(diào)試時(shí)，需先校準(zhǔn)各舵機(jī)角度的初始位置（0°），通過(guò)編程調(diào)試各舵機(jī)的擺動(dòng)，觀察舵機(jī)擺動(dòng)的相對(duì)位置關(guān)系，及時(shí)更改舵機(jī)角度或有缺陷的程序指令，確定各舵機(jī)位置與前一位置間的角度變化量，完成一個(gè)周期內(nèi)每個(gè)關(guān)節(jié)的擺動(dòng)姿態(tài)，使仿生魚能夠完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)軌跡。魚體運(yùn)動(dòng)波形如圖4所示，分別給出了調(diào)試并修正后左右擺動(dòng)的輪廓圖?？梢钥闯鲷~體運(yùn)動(dòng)軌跡遵循擺幅逐漸放大的正弦行波規(guī)律［7］。

　　在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)仿生魚體的運(yùn)動(dòng)頻率決定了魚體擺動(dòng)的速度，即單位時(shí)間內(nèi)魚體來(lái)回?cái)[動(dòng)的次數(shù)。擺動(dòng)的次數(shù)越多，游速也越快。當(dāng)舵機(jī)的供電電壓為固定值6 V時(shí)，通過(guò)改變X值的大小可實(shí)現(xiàn)仿生魚擺動(dòng)頻率的調(diào)節(jié)。仿生魚的快慢速擺動(dòng)頻率測(cè)試結(jié)果如圖5所示，慢速游動(dòng)時(shí)的擺動(dòng)頻率為0.8 Hz，快速游動(dòng)時(shí)的擺動(dòng)頻率為1.6 Hz，而魚類游弋時(shí)擺動(dòng)頻率一般為0.5~2.5 Hz，仿生魚擺動(dòng)頻率符合魚類的游動(dòng)要求?？梢?jiàn)通過(guò)編程便能實(shí)現(xiàn)對(duì)仿生魚的多級(jí)調(diào)速。當(dāng)然在慢速游和快速游狀態(tài)中都各需要一個(gè)合適的X值，必要時(shí)還可通過(guò)同時(shí)改變魚尾擺動(dòng)幅度和X值，以達(dá)到仿生魚的加減速游動(dòng)［8］。

　　此設(shè)計(jì)方案中，魚體的幾何特征、重心等對(duì)速度均有影響，它們影響仿生魚在游動(dòng)時(shí)的剛性問(wèn)題。魚體的幾何特征涉及魚尾的關(guān)節(jié)數(shù)、尾部長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的比例，而重心的布局致關(guān)重要。通過(guò)各參數(shù)的調(diào)整能夠更好地完善波動(dòng)推進(jìn)理論［9］。

4水下實(shí)際實(shí)驗(yàn)

　　仿生魚下水前先在魚身的底部加裝配重，在配重的垂直重力影響下使仿生魚在水中保持平衡，魚體不側(cè)翻。水下實(shí)際調(diào)試過(guò)程用相機(jī)拍攝視頻，通過(guò)截拍得到大量仿生魚水下運(yùn)動(dòng)圖像。仿生魚水面游弋實(shí)拍圖如圖6所示，通過(guò)這些圖像進(jìn)行仿生魚水下運(yùn)動(dòng)的特征分析。在調(diào)試過(guò)程中得到大量漩渦形成和演變的連續(xù)圖像，尾鰭拍動(dòng)產(chǎn)生了一系列漩渦序列，漩渦是在尾鰭前緣卷起生成的，并在每次反向拍動(dòng)時(shí)脫落，一個(gè)周期形成一對(duì)旋向相反的漩渦。并且發(fā)現(xiàn)魚尾鰭在波動(dòng)推進(jìn)時(shí)主要是漩渦在起作用，在尾鰭的拍動(dòng)中，水面卷起很強(qiáng)的錐形渦，并穩(wěn)定地附著在尾鰭表面，形成很大的推進(jìn)力。

　　調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，仿生魚的航向穩(wěn)定性與魚尾的擺動(dòng)頻率有關(guān)，即仿生魚的剛性問(wèn)題受到推進(jìn)速度的影響。在調(diào)試過(guò)程中，用相機(jī)進(jìn)行記錄，顯示出在仿生魚尾部不同的擺動(dòng)頻率下，魚頭的擺動(dòng)幅度受到影響，擺動(dòng)頻率越大，仿生魚的航向跟隨性就越差，推進(jìn)效率也越差。在不同頻率下魚頭擺動(dòng)曲線各不一樣。魚頭的橫向晃動(dòng)幅度，即魚的剛性問(wèn)題。當(dāng)魚體擺動(dòng)頻率較低時(shí)（0.8 Hz），魚頭擺動(dòng)曲線變化平緩，此時(shí)剛性最好。當(dāng)魚體擺動(dòng)頻率較高時(shí)（1.6 Hz），魚頭擺動(dòng)曲線出現(xiàn)比較劇烈的超調(diào)，此時(shí)剛性最差。可見(jiàn)仿生魚在低速游動(dòng)時(shí)，擺動(dòng)頻率低，魚頭剛性好，推進(jìn)效率高;而在高速游動(dòng)時(shí)，擺動(dòng)頻率高，魚頭剛性差，推進(jìn)效率受到很大影響。

　　本文對(duì)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)剛性差的問(wèn)題提出解決方案，通過(guò)減小魚尾在高速時(shí)的擺動(dòng)幅度來(lái)彌補(bǔ)剛性差的缺陷。實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)減小魚尾擺動(dòng)幅度和修改合適的X值，能得到較好的仿生魚剛性。

　　通過(guò)相機(jī)拍攝，同樣得到大量仿生魚的下潛動(dòng)作圖，如圖7所示。下潛前胸鰭上翹，尾鰭加速擺動(dòng)，水面激起漩渦，頭部開(kāi)始下潛，當(dāng)尾部也完全淹沒(méi)在水里后，水面漩渦消失。下潛完成后，仿生魚在水底進(jìn)行波動(dòng)推進(jìn)，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，水底的波動(dòng)推進(jìn)效果更佳，主要原因是尾部完全沉浸在水里后，動(dòng)能量損失最小，魚體受到的阻力也最小，仿生魚推進(jìn)效果更完美。

　　仿生魚上浮動(dòng)作過(guò)程與下潛動(dòng)作一致。測(cè)試得到仿生魚在上浮過(guò)程中也有較好的實(shí)驗(yàn)效果，依靠作用在胸鰭上的浮力，以及尾鰭的推動(dòng)完成上浮測(cè)試，由于仿生魚在水底具有較高的推動(dòng)效率，尾部擺出的旋渦反作用力能夠充分作用在尾鰭上，因此上浮比下潛更容易實(shí)現(xiàn)［10］。

5結(jié)論

　　通過(guò)仿生魚機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及水上和水下兩階段的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)仿生魚在水中轉(zhuǎn)彎、上浮下潛、加減速的游弋姿態(tài)。各姿態(tài)受到4個(gè)微舵機(jī)的協(xié)調(diào)控制，而各舵機(jī)的協(xié)調(diào)性受到X值的影響。通過(guò)修改X值可改變矩形波占空比的變化速度,提升魚尾部的推動(dòng)力，改善仿生魚上浮下潛的效率。但是X值又影響著仿生魚的航向穩(wěn)定性。由此在不同的游弋姿態(tài)中給出一個(gè)合適的X值，對(duì)仿生魚的仿生運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要。

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