仿鱼形水下机器人设计与分析.docx

仿鱼形水下机器人设计与分析樊炳辉1 ，焦浩1 ，贾娜2 ，赵建建3 ，程晟4( 1 山东科技大学，山东青岛266590，e-mail:1501999786 qq com; 2 西安工业大学，西安710032;3 中科院 上海生命科学研究院，上海200031;4 哈尔滨工业大学，哈尔滨150001)摘 要: 对仿鱼形水下机器人进行了设计开发和研究，通过研究鱼类推进原理及现有的水下推进装置，研发出一种新型、高效、无噪音的推进装置; 利用 cfx 对仿鱼形水下机器人外流场进行数值计算和后处理，得到 了机器人壳体表面压强云图，验证了设计的可行性，为实物生产提供了可靠依据。之后进行下水试验，证实了 前期设计的合理性。关键词: 仿鱼形水下机器人; 水下推进装置; cfx; 外流场; 表面压强云图中图分类号:文献标识码:tp242adoi:10.13952/ki.jofmdr.2014.0012design and analysis of the fish-imitated underwater obotfan binghui1 ，jiao hao1 ，jia na2 ，chao jianjian3 ，chen sheng4( 1 shandong university of science and technology shandong qingdao 266590，china; 2 xian technological university xian 710032，china;3 shanghai institutes for biological sciences，chinese academy of sciences，shanghai 200031; 4 harbin institute of technology，harbin 150001)abstract: in this paper，the fish-imitated underwater robot was developed，researched and designed by studying the underwater propulsion principle of fish and the existing propulsion device，a new，efficient，noiseless underwater propulsion unit was developed using cfx to the fish-imitated underwater robot，the flow field numerical calculation and post-processing were done and the shell surface pressure contours of the robot was gained thus，the feasibility of the design was verified，and a reliable basis is provided for real production after the water test，the preliminary design is proved to be reasonablekey words: fish-imitated underwater robot; underwater propulsion unit; cfx; flow field; shell surfacepressure contours21 世纪是海洋的世纪，占全球 71% 面积的海洋将是下一个世纪，也是未来人类赖以生存的资源海洋，对于人类的 发展和社会的进步将起到至关重要的作用。在民用上，海洋 蕴藏着丰富的矿物资源、海洋生物资源和能源，是人类社会 可持续发展的重要财富。因此，对于海洋的开发和争夺成了 很多发达国家的战略重点，而且愈演愈烈。在各种海洋技术 中，作为用在一般潜水技术不可能到达的深度或区域进行综 合考察和研究并能完成多种作业使命的水下机器人使海洋 开发进入了新时代1 4。随之“蓝色经济”越来越成为各沿 海地区经济发展的“正能量”，大规模的开发探测和利于海洋 资源，已经成为我们 21 世纪要面对和必须解决的现实问题。 另外，军事方面对其需求也日益增加，为了适应这种需求，研 究和开发潜水器和水下机器人成为了极佳的选择5。鱼类经过长期的自然选择，具备非凡的游动能力，近年 来随着仿生技术的进步，人类纷纷模仿自然界中鱼类的运动 方式和运动器官，即各种各样的水下机器人。世界上第一台水下机器人“poodle”诞生于 1953 年。近 20 年来，水下机器人有了很大的发展，它们既可军用又可民用。到目前为止， 全世界大约共建造了 6000 多台各种各样的水下机器6。水 下机器人有广泛的应用空间，民用和军用均可，不仅可以代 替潜水员在深水长时间工作，降低工作风险，提高工作效率， 而且还可以检测水污染状况，监测鱼类生长状况，探测海底 火山活动状况; 在军事方面，可以用于跟踪敌人的船舰和潜 艇，捕获地方军事信息，也可以降低敌人对我军的探测几率， 甚至可以携带炸药至敌人军舰处，炸毁敌方舰艇的动力系 统，摧毁敌方舰队。此外，仿鱼形水下机器人还可以应用于 海洋动物园。仿鱼形水下机器人是一种集机械、智能控制与 一体的高科技设备，在民用、军事、科学研究等领域体现出了 广阔的应用前景和巨大的潜在价值。1仿鱼形水下机器人机械结构组成本仿鱼形水下机器人借鉴金枪鱼外形的优点进行外部形状的设计，壳体仿照金枪鱼的流线型设计，并考虑可加工 性; 尾鳍仿照金枪鱼半月形进行设计，也考虑了机械可加工。收稿日期: 2013 08 15樊炳辉等: 仿鱼形水下机器人设计与分析第 2 期43进，当尾鳍偏离中性面并不停左右摆动时便可以推进机器人向前运动，这类似于金枪鱼尾鳍的作用7。 尾鳍 包 含 尾 鳍 主 体和 两 个 尾 鳍 连 接 架。 上 尾鳍连接架安装在支撑 座上，具 有 旋 转 自 由 度， 下尾鳍连接架安装在动 密封传动组件的传动杆 上，与其六边形部分配 合; 尾鳍主体仿金枪鱼尾 鳍形 状，半 月 形，具 备 很高的行进速度。图 1 仿鱼形水下机器人三维图6011 舵机舵盘图 46012 舵机固定孔尾鳍舵机本仿 鱼 形 水 下 机 器人共包含 5 个舵机，舵机型号一样，如图 4，为数字舵机，具有无限旋转模式和给定角度两种模式。舵 机舵盘上均布有 4 个螺纹孔，用于与负 载联接。图 5 中联轴器 12 上均布有 4 个通 孔，与舵机舵盘上 4 个螺纹孔经螺钉联 接; 联轴器中的、3 /4 通孔与动密封传 图 1，图 2 中: 1 上壳体 2 推进鳍 3 浮沉鳍 4 下壳体5 尾鳍 7 电源 8 安装平台 9 动密封传动组件 10 舵机 支架 12 联轴器201 推进 鳍 上 平 板 202 推 进 鳍 翅203 限 位 销 钉204 推进鳍下平板 205 支撑柱 206 螺钉601 尾鳍舵机 602 推进鳍舵机 603 浮沉鳍舵机图 2 仿鱼形水下机器人内部机械结构图由图 1 和图 2 可清晰看出，本仿鱼形水下机器人外部形体包 含上壳体、下壳体、推进鳍、尾鳍和浮沉鳍。上壳体和下壳体构成仿鱼外形的水下机器人壳体，壳体 内安装有舵机、舵机支架、联轴器、密封性传动组件、电源、平 板和连杆机构，并预留有控制电路板放置空间。推进鳍布置在本水下机器人的中间两侧，起主要的推进 作用，是一种新型的推进装置，尾鳍布置在本水下机器人的 中间两侧，起辅助的推进作用和调节水下机器人的运动方 向，浮沉鳍布置在本水下机器人的头部两侧，控制本水下机器人的上浮和下沉。图 5 联轴器动组件的传动杆的 3 /4 外圆柱面配合联接。由以图 3 及说明可知尾鳍传动序列为: 尾鳍舵机联 轴器尾鳍连接架尾鳍主体。通过向尾鳍舵机输入不同的数字指令可以控制尾鳍执 行转向功能或者向前推进功能，并且可以控制转向幅度，前 进速度。2 2 推进鳍部分推进鳍用于本仿鱼形水下机器人的推进，为其提供最主 要的推进动力，是本机器人的其中一个创新点，它在电机的 作用下前后不停的摆动。另外，为了提高推进效率，本推进 鳍具有向身后摆动速度大于向前摆动的速度，这样大大的降 低了不必要的能量消耗，提高了推进效率。推进装置的设计本仿鱼形水下机器人可以在水下实现前进、上浮、下潜 和转向等 动 作，其运动执行部分包含: 尾 鳍、推 进 鳍 和 浮 沉鳍。2 1 尾鳍部分尾 鳍 主 要 用于本水下机 器人的转向，当 尾鳍偏向一定2角度并保持不变时在水流的 作用下将会起201 推进鳍上平板 202 推进鳍翅 203 限位销钉204 推进鳍下平板 205 支撑柱 206 螺钉图 6 推进鳍1 上壳体 4 下壳体 9 动密封传动组件 到转向的作用，10 舵机支架12 联轴器 13 支撑座 501 尾鳍主体 502 尾鳍连接架 601 尾鳍舵机图 3 尾鳍传动图推进鳍中的主要结构部件是推进鳍翅，由一圆柱和平板焊接而成，置于推进鳍上平板和推进鳍下平板的孔中，为间另外尾鳍还可以用于辅助前44机械设计与研究第 30 卷隙配合。当推进鳍向身后摆动时，3 个推进鳍翅在水流的作用下闭合组成一个面，提供本水下机器向前行的动力; 当推 进鳍向前摆动时，在水流的作用下推进鳍翅打开，让水从空 隙中流过，大大减少了向前摆动时水的阻力。推进鳍上平板推进鳍下平板上面均有孔，不同之处在于 推进鳍上平板最右侧的孔为圆孔，推进鳍下平板最右侧的孔 为菱形孔; 支撑柱两端均有螺纹孔，置于推进鳍上平板和推 进鳍下平板之间，并且在螺钉的作用下使其固定; 限位销钉 用于推进鳍翅的限位，它的安装位置的准确性影响着本仿鱼形水下机器人的行进效率。浮沉鳍部分在水下机器人运动中，鱼浮沉鳍的实时的俯仰角度决定 了其浮潜和深度9。2 33 浮沉鳍 8 安装平台 9 动密封传动组件10 舵机支架 12 联轴器 603 浮沉鳍舵机图 9 浮沉鳍传动图从图上可以清晰看出: 安装平台固定在下壳体上，浮沉鳍舵机由舵机连接架固定在安装平台上，浮沉鳍经动密封传 动组件、联轴器与浮沉鳍舵机相连接，动密封传动组件镶嵌 固定在下壳体中。从图 9 及结构连接分析可知浮沉鳍的传动序列: 浮沉鳍 舵机联轴器动密封传动组件浮沉鳍。以上为本水下机器人推进装置的设计。2 推进鳍 8 安装平台 1101 曲柄 1102 连杆 1103 摇杆图 7 推进鳍传动图结合图 2 仿鱼形水下机器人内部机械结构图可知曲柄与推进鳍舵机连接，曲柄上有三个孔用于和推进鳍舵机上的 舵机盘连接; 摇杆左侧为大半圆形孔与密封性传动装置的传 动轴相连，内部填充密封介质黄油，保证转动时可以保持密 封性8; 曲柄、连杆和摇杆在本实例中构成曲柄摇杆机构，并 且调整各杆件的长度即调节行程速比系数，使得摇杆顺时针旋转速率小于逆时针旋转速率，最终使得推进鳍由本机器人 的头部向尾部运动的速率大于由尾部向头部运动的速率。基于 cfx 仿鱼形水下机器人外流场的数值计算及后处理ansys cfx 简述cfx 是 全 球 第 一 个 通 过33 1iso9001 质量认证的大型商业 cfd 软 件，是 英 国 aea tech- nology 公司为解决核反应堆多 相 流问题开发出来 的，并 在 1986 年开始作为商业软件在全 球发售。cfx 的使用过程为六个阶 段10，如流程图 10 所示:图 10 为 cfx13 0 窗口 界 面，其 包 括 ansys turbo- grid、cfxpre、cfxsolver、和 cfxpost 四个模块。1101 曲柄 1102 连杆 1103 摇杆4 高度调整垫圈 5 螺栓 6 垫片 7 螺母图 8 连杆机构3 2cfx 对仿鱼形水下机器人模拟分析图 10 cfx 分析流程图以上连杆机构为曲柄摇杆机构，根据调整各杆件长度，调节行程速比系数。根据以上几幅图及分析可以总结推进鳍传动序列: 推进 鳍舵机连杆机构推进鳍。此传动过程中，连杆机构将电机的连续转动转换成推进 鳍的前后摆动，相比直接用电机带动，则电机必须来回转动，电机的动载荷系数必将很高，电量消耗严重，电机的使用寿 命大大降低。因此本设计采用的传动更加节能和高效。cfx 对机器人壳体水下运动模拟分析的步骤如下:步骤 1: 打开 cfx 前处理，新建模拟，选择 general 选项， 进入下图窗口右键选择 mesh，导入上节中 icem 生成的网格文件，并 调整图形的显示状态。步骤 2: 生成域创建域，旋转观察生成的域，确保域的标志符号处于壳樊炳辉等: 仿鱼形水下机器人设计与分析第 2 期45的设定。选择域中某边界，设定其为入口边界，质量与动量选定 为 normal speed，值设定为 1 米 / 每秒，湍流模型设定类型为 intensity and length scale，值 为 0 05。如下图 14 入口边界 设定。图 11 cfx 窗口界面图 12 cfxpre 窗口界面图 14入口边界设定图 13 域的设定体外，长方体内，在常规选项中选择流体物质为 water，并设 定其它属性，如设定流体模型中选择 shear stress transport 模 型作为湍流模型，壁面函数选择 automatic 选项，设定 isother- mal 作为热量传输模型，如图 13 所示。步骤 3: 指定集合区域几何图形中所包含的很多二维区域具有相同的性质，在 设定边界条件前常常把它们通过集成域的方式集合为一个 整体。本模型中，壳体上方水体的边界与左侧水体边界、下侧 水体的边界物理性质相同，单击菜 单栏中 insert 按钮，选 择 composite egion 将它们集合为一体并重新命名。步骤 4: 入口边界的设定在本模型的求解中，假设机器人是静止的，而水是具有 一定速度的，入口边界的设定，即对流向壳体头部方向水流图 15流场流速初始化步骤 5: 出口边界创建抽口边界，并设定，类似于入口边界的设定，质量与动 量选定为 static pressure，相对于出口边界的压强设定为 0 pa。步骤 6: 壁面边界设定将指定的几何区域指定为 wall，设定壁面剪切力为 0，46机械设计与研究第 30 卷流体在壁面无滞留，壁面垂直方向速度指定为 0，平行方向指定为无梯度。步骤 7: 对称面边界设定本机器的壳体分为上下两个壳体，上下对称，为了方便 分析我们只选对一个壳体进行分析，并设置对称面。步骤 8: 壳体壁面设定我们在 icem 文件中，已经把壳体的所有面做了统一的 命名，在此处设定壳体面为 wall 类型，并指定 wall influence on flow 为 no slip。步骤 9: 初始值设定图 15 中，给定流场的初始速度，并对湍流耗散模型进行 设定。步骤 10: 求解器控制的设定图 18 复原完整壳体通过创建平面，以及多项设定生成水下机器人壳体尾部液体 流动的矢量图图 19 机器人壳体尾部液体流动的矢量图步骤 14: 生成云图调整显示，并且云图几何设定，最终生成壳体表面压强 云图，如图 20。图 16 求解器设定求解器控制中设定 advection scheme 为 high esolution， 残差类型选定为 ms，esidual target 为 0 001。由此便进入了 cfx 的 cfxsolver manager 模块。 步骤 11: 求解 进入求解对话窗口，选定求解文件，并开始求解。 下图左侧为流体分析求解过程中的收敛曲线。图 20 仿鱼形水下机器人壳体表面压强云图利用 cfx 进行有限元网络划分和后期处理得出了本水下机器人在水下行进时外壳体所受到 的 压 强，符 合 设 计 要求。4下水试验由于本水下机器人尚处于实验阶段，故采用电缆提供外 接电源和信号输出，通过控制器，采用手动操作的方式进行 实验11。装配 完成的水下机器人的样机如图 21 和 图 22 所示。本仿鱼形水下机器人的结构与性能参数为: 尺寸( 长 宽 高) 550 150 120mm 重量 3 kg舵机最大输出转矩 1 2 nm图 17 求解过程中收敛曲线步骤 12: 创建对称并复原为上下两个壳体 如图 18。 步骤 13: 创建平面，并创建矢量图 如图 19。樊炳辉等: 仿鱼形水下机器人设计与分析第 2 期47最大摆动转速 20 r / min最大行进速度 0 15 m / s本仿鱼形水下机器人自身所用舵机为数字舵机，可适时的反馈实际输出转矩，如图表 1 所示。表 1 中可以看出俯仰 鳍、推进鳍、尾鳍在 0 60范围内摆动时，摆动克服水阻力所 需的转矩最大为 0 88 nm，而舵机最大输出转矩可达 1 2 nm，因而舵机可以满足本仿生水下机器人的动力要求。因 此本仿鱼形水下机器人动力系统可正常运行，下 水试验成 功，推进装置等效果符合预期要求。结论5本文对仿鱼形水下机器人进行了设计开发和研究，通过研究鱼类推进原理及现有的水下推进装置，研 发出一种新 型、高效、无噪音的推进装置; 利用 cfx 软件对仿鱼形水下 机器人外流场进行数值计算和后处理，得到了机器人壳体表 面压强云图，说明了设计的可行性，为实物生产提供了可靠 依据。之后进行了下水试验，证实了前期设计的合理性，为 下一步本水下机器人整个系统的完善提供了坚实的理论和 实践依据12。图 21 仿鱼形水下机器人游动参考文献1 l b gary the evolutionary development of the military autonomousunderwater vehiclec/ / in proc fifth international symposium on unmanned untethered submersible technology vol chicago，il， 2000( 5) : 3239 32432 p borot，j l michel and h leoux operational utilization devel- opment of the unmanned untethered submersible systemsc/ / in proc third international symposium on unmanned untethered submersible technology，1983( 1) chicago，il: 4 123 b thomas potential application of autonomous underwater vehiclesc/ / in proc third international symposium on unmanned un- tethered submersible technology，1983 ( 1 ) chicago， il: 223 2294 x s jiang，x s feng xi-sheng esearch and development of un- derwater vehicle in china in procc/ / china international work- shop on intelligent obot beijing，1991，8: 25 285 谢龙汉，赵