水下仿生機(jī)器人推進(jìn)研究背景與實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

隨著水下機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，推進(jìn)效率與運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性成為水下仿生機(jī)器人研究中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。基于自然生物推進(jìn)方式的仿生設(shè)計(jì)，東北大學(xué)儲(chǔ)逸塵分別以牛蛙后肢和牛鼻鲼胸鰭為仿生對(duì)象，提出兩種水下仿生機(jī)器人推進(jìn)新方法，成功設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了兩種多連桿仿生推進(jìn)機(jī)構(gòu)。

在上述水下仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)研究中，NOKOV 度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)用于獲取真實(shí)生物及仿生機(jī)構(gòu)在水下環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，為模型分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)支持。

基于牛蛙后肢的仿生水下推進(jìn)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

研究以牛蛙后肢運(yùn)動(dòng)機(jī)制為仿生原型，提出并實(shí)現(xiàn)了一種水下仿生機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)采用三階段四連桿機(jī)構(gòu)模擬牛蛙“踢腿—恢復(fù)”運(yùn)動(dòng)，通過(guò)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)周期性推進(jìn)。

1.通過(guò)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)獲取真實(shí)牛蛙后肢運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究人員使用 NOKOV 度量水下動(dòng)作捕捉系統(tǒng) 獲取真實(shí)牛蛙后肢在推進(jìn)與回收階段的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，分析大腿、小腿及蹼足在不同階段的角度變化規(guī)律，并據(jù)此設(shè)計(jì)仿生后肢結(jié)構(gòu)。

圖1.通過(guò)NOKOV水下動(dòng)作捕捉系統(tǒng)獲取牛蛙后肢運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)

2.通過(guò)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)對(duì)仿生機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量并與真蛙數(shù)據(jù)對(duì)比

在仿真與實(shí)物實(shí)驗(yàn)階段，研究同樣借助 NOKOV 度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng) 測(cè)量仿生后肢的實(shí)際運(yùn)動(dòng)角度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，仿生機(jī)構(gòu)與真實(shí)牛蛙后肢的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)高度一致，蹼足運(yùn)動(dòng)吻合度達(dá)到 98.5%。

圖2.仿生牛蛙機(jī)制

圖3.圖(a)(b)(c)為真蛙與仿生蛙后肢運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)對(duì)比，F(xiàn)igure 5.展示仿生蛙后肢運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)

水下六自由度力實(shí)驗(yàn)顯示，該水下仿生推進(jìn)系統(tǒng)在 9V 電壓驅(qū)動(dòng)下平均推力為 2.65N，峰值瞬時(shí)推力可達(dá) 7.91N，驗(yàn)證了該水下仿生機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)的實(shí)際性。

基于牛鼻鲼胸鰭的六連桿水下仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

除牛蛙后肢外，牛鼻鲼胸鰭拍動(dòng)推進(jìn)也是一種典型的高效水下仿生原型。圍繞中位鰭與對(duì)鰭（MPF）推進(jìn)方式，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于瓦特型六連桿機(jī)構(gòu)的水下仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)方案。

   1. 仿生牛鼻鲼胸鰭設(shè)計(jì)推進(jìn)機(jī)制驗(yàn)證可行性

該機(jī)構(gòu)通過(guò)軸向疊加兩個(gè)等比例縮放的六連桿結(jié)構(gòu)，并設(shè)置固定相位差，以模擬牛鼻鲼胸鰭的連續(xù)周期性拍動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真驗(yàn)證機(jī)構(gòu)可行性后，研究人員完成了水下仿生原型實(shí)驗(yàn)。

圖4.基于瓦特型六連桿機(jī)構(gòu)的仿生牛鼻鲼水下機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

2.對(duì)水下仿真機(jī)制進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)使用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)量

在實(shí)驗(yàn)階段，團(tuán)隊(duì)通過(guò) NOKOV 度量水下動(dòng)作捕捉系統(tǒng) 對(duì)六連桿仿生機(jī)構(gòu)在水下環(huán)境中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明，仿生機(jī)構(gòu)的水下實(shí)測(cè)角度變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果基本一致，差異主要來(lái)源于水體阻力影響。

圖5.運(yùn)用NOKOV水下動(dòng)作捕捉系統(tǒng)對(duì)仿生牛鼻鲼機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作記錄與分析

進(jìn)一步的水下六自由度力學(xué)實(shí)驗(yàn)顯示，該水下仿生機(jī)器人在同步拍動(dòng)與反向拍動(dòng)模式下，分別能夠產(chǎn)生推進(jìn)力與側(cè)向力，表現(xiàn)出良好的推進(jìn)能力與運(yùn)動(dòng)控制潛力。

NOKOV 度量動(dòng)作捕捉在水下仿生機(jī)器人研究中的作用

在上述兩項(xiàng)水下仿生機(jī)器人研究中，NOKOV 度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng) 均用于獲取真實(shí)生物原型及仿生機(jī)構(gòu)在水下環(huán)境中的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡與姿態(tài)數(shù)據(jù)。

通過(guò)高精度水下動(dòng)作捕捉，研究人員能夠?qū)Ρ确治錾镌团c仿生機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)一致性，驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的合理性，并對(duì)水下仿生機(jī)器人推進(jìn)性能與穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)估。這一過(guò)程為水下仿生推進(jìn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

研究團(tuán)隊(duì)與論文來(lái)源

相關(guān)研究成果分別發(fā)表于 Biomimetics 與 Journal of Marine Science and Engineering 期刊。兩篇論文第一作者儲(chǔ)逸塵為東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院博士在讀，長(zhǎng)期從事水下仿生機(jī)器人研究，并創(chuàng)立粼動(dòng)仿生科技，致力于推動(dòng)水下仿生機(jī)器人技術(shù)的工程化與應(yīng)用落地。