水下仿生機器人推進研究背景與實驗?zāi)繕?biāo)
隨著水下機器人應(yīng)用場景的不斷拓展，推進效率與運動穩(wěn)定性成為水下仿生機器人研究中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。基于自然生物推進方式的仿生設(shè)計，東北大學(xué)儲逸塵分別以牛蛙后肢和牛鼻鲼胸鰭為仿生對象，提出兩種水下仿生機器人推進新方法，成功設(shè)計并驗證了兩種多連桿仿生推進機構(gòu)。
在上述水下仿生機器人實驗研究中，NOKOV 度量動作捕捉系統(tǒng)用于獲取真實生物及仿生機構(gòu)在水下環(huán)境中的運動學(xué)數(shù)據(jù)，為模型分析與實驗驗證提供數(shù)據(jù)支持。
基于牛蛙后肢的仿生水下推進機構(gòu)實驗驗證
研究以牛蛙后肢運動機制為仿生原型，提出并實現(xiàn)了一種水下仿生機器人推進系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)采用三階段四連桿機構(gòu)模擬牛蛙“踢腿—恢復(fù)”運動，通過單電機驅(qū)動實現(xiàn)周期性推進。
1.通過動作捕捉系統(tǒng)獲取真實牛蛙后肢運動學(xué)數(shù)據(jù)
在實驗過程中，研究人員使用 NOKOV 度量水下動作捕捉系統(tǒng) 獲取真實牛蛙后肢在推進與回收階段的運動學(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)計仿生后肢結(jié)構(gòu)。
圖1.通過NOKOV水下動作捕捉系統(tǒng)獲取牛蛙后肢運動學(xué)數(shù)據(jù)
2.通過動作捕捉系統(tǒng)對仿生機構(gòu)運動數(shù)據(jù)測量并與真蛙數(shù)據(jù)對比
在仿真與實物實驗階段，研究同樣借助 NOKOV 度量動作捕捉系統(tǒng) 測量仿生后肢的實際運動角度。實驗結(jié)果表明，仿生機構(gòu)與真實牛蛙后肢的運動趨勢高度一致，蹼足運動吻合度達到 98.5%。
圖2.仿生牛蛙機制
圖3.圖(a)(b)(c)為真蛙與仿生蛙后肢運動捕捉數(shù)據(jù)對比，F(xiàn)igure 5.展示仿生蛙后肢運動捕捉數(shù)據(jù)
水下六自由度力實驗顯示，該水下仿生推進系統(tǒng)在 9V 電壓驅(qū)動下平均推力為 2.65N，峰值瞬時推力可達 7.91N，驗證了該水下仿生機器人推進機構(gòu)的實際性。
基于牛鼻鲼胸鰭的六連桿水下仿生機器人實驗驗證
除牛蛙后肢外，牛鼻鲼胸鰭拍動推進也是一種典型的高效水下仿生原型。圍繞中位鰭與對鰭（MPF）推進方式，研究團隊提出了一種基于瓦特型六連桿機構(gòu)的水下仿生機器人設(shè)計方案。
1. 仿生牛鼻鲼胸鰭設(shè)計推進機制驗證可行性
該機構(gòu)通過軸向疊加兩個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。在運動學(xué)仿真驗證機構(gòu)可行性后，研究人員完成了水下仿生原型實驗。
圖4.基于瓦特型六連桿機構(gòu)的仿生牛鼻鲼水下機器人設(shè)計方案
2.對水下仿真機制進行實物實驗使用動作捕捉系統(tǒng)進行運動學(xué)數(shù)據(jù)測量
在實驗階段，團隊通過 NOKOV 度量水下動作捕捉系統(tǒng) 對六連桿仿生機構(gòu)在水下環(huán)境中的實際運動進行測量。結(jié)果表明，仿生機構(gòu)的水下實測角度變化趨勢與仿真結(jié)果基本一致，差異主要來源于水體阻力影響。
圖5.運用NOKOV水下動作捕捉系統(tǒng)對仿生牛鼻鲼機器人進行動作記錄與分析
進一步的水下六自由度力學(xué)實驗顯示，該水下仿生機器人在同步拍動與反向拍動模式下，分別能夠產(chǎn)生推進力與側(cè)向力，表現(xiàn)出良好的推進能力與運動控制潛力。
NOKOV 度量動作捕捉在水下仿生機器人研究中的作用
在上述兩項水下仿生機器人研究中，NOKOV 度量動作捕捉系統(tǒng) 均用于獲取真實生物原型及仿生機構(gòu)在水下環(huán)境中的真實運動軌跡與姿態(tài)數(shù)據(jù)。
通過高精度水下動作捕捉，研究人員能夠?qū)Ρ确治錾镌团c仿生機構(gòu)之間的運動一致性，驗證運動學(xué)模型的合理性，并對水下仿生機器人推進性能與穩(wěn)定性進行定量評估。這一過程為水下仿生推進機構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化提供了可靠的實驗依據(jù)。
研究團隊與論文來源
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逸塵為東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院博士在讀，長期從事水下仿生機器人研究，并創(chuàng)立粼動仿生科技，致力于推動水下仿生機器人技術(shù)的工程化與應(yīng)用落地。
