仿生扑翼水下机器人介绍

帅哥

目前，基于扑翼推进装置的仿生水下机器人主要有以下几种：美国的AQUA AUV、MIT研制的仿生扑翼水下机器人（Flapping foil AUV）、加拿大的仿生机器海龟Madeleine、美国Duke大学的仿生扑翼水下机器人Gamera、美国日本合作研制的3自由度仿胸鳍机器人、美国海军水下战研究中心（Nava Underwater Warfare Center, NUWC）研制的仿生扑翼水下机器人等。以下分别对这几种仿生扑翼水下机器人进行简要介绍，并分析其特点。
a）AQUA扑翼水下机器人
AQUA水下机器人与传统的水下机器人有很大差异，它是在陆地移动机器人“RHex号”的基础研制成功的水陆两栖机器人AQUA，它借助六只蹼状翼板的摆动实现水中的自由游动。
试验表明：通过控制扑翼的相位可以实现水中的前进、后退、上浮、下潜、转向、翻滚等动作。AQUA是由单自由度翼板摆动推进的典型原理样机，尽管可以实现水下自由运动，由于该机器人扑翼摆动频率较低，翼板的推力产生性能有限，机动性有待提高。
b）麻省理工学院的扑翼水下机器人
麻省理工学院海洋工程科学实验室的研究人员为研究水生动物的扑翼推进机理，研制开发了扑翼水下机器人（Flapping foil AUV）。[12~13]
该AUV装备了四个相同的扑翼推进装置，四个扑翼推进装置前后左右对称布置。每个推进装置通过两个直流电机带动扑翼作两自由度的正弦摆动，从而实现扑翼的划水动作。实验研究结果表明，与采用同等功率的螺旋桨推进器相比，采用扑翼推进装置的AUV具有更高的机动性和推进效率。
  
图2 AQUA扑翼水下机器人
  
（a）扑翼机器人三维图                      (b)  扑翼样机试验
图3麻省理工的扑翼水下机器人
c）加拿大的仿生机器海龟Madeleine
2004年加拿大Vassar 大学生物认知科学和多学科仿生机器人研究实验室研制成功新型仿生水下移动平台Madeleine，见图4。该水下机器人的研制目的是为了辅助水生脊椎动物进化过程的生物学研究。通过机器人这种实物模型来分析水生脊椎动物，尤其是具备四个鳍状肢的水生动物，如龟类、海狮、海豹、企鹅、鲸鱼、古生物蛇颈龙等等。J Long教授在对Madeleine的研究中发现：Madeleine使用四只扑翼与使用两只扑翼相比，并没有获得航行速度上的成倍增长，相反能量消耗却加倍，但是四只扑翼并用可以产生更大的瞬时推力，能够快速改变运动状态。所得结论很好地解释了水生脊椎动物在巡游的时候采用两个前肢运动，在捕食或者逃生的时候却同时使用四肢运动的现象。[15~16]

图4 仿生机器海龟Madeleine
d）美国Duke大学的X形扑翼水下机器人
Duke大学的学生AUV小组设计了一种采用X形布置的柔性扑翼推进水下机器人。[17]这项研究工作由Duke大学和Nekton公司合作完成，Nekton公司为学生们提供了四个单自由度扑翼推进器用于机器人的六自由度运动控制。在四个推进器呈X形的布置方式下，Gamera能够获得较好的水动力性能，从而产生较强的机动性，可以有效地调整和控制深度，航向，位置和速度等运动参数。
  
图5 美国DUKE大学的X形扑翼水下机器人Gamera
e）美国与日本合作研制的3自由度机械胸鳍推进水下机器人
在美国与日本大版大学KATO教授合作的研究项目中，研制了一种基于机械胸鳍式推进装置的水下机器人样机“鸭嘴兽”（PLATYPUS），见图6。机械胸鳍式推进装置具备3个自由度，可实现3种运动方式：划桨、拍打、羽状运动（Rowing，Flapping，Feathering）。[19]
  
（a）胸鳍3种运动模式                                           （b）“PLATYPUS”
图6 美日合作研制的机械胸鳍推进水下机器人“PLATYPUS”
f) 美国NUWC研制的仿生扑翼水下机器人
美国海军水下战研究中心（NUWC）先后研制了3台采用扑翼装置驱动的仿生水下机器人，见图7，其中2005年最新研究的一台仿生水下机器人，在载体前后两端各布置了3只仿生翼，其中每一只翼板都可以单独完成持续的大幅扑动和扭转运动。这台AUV的开发目的是为了取代槽道螺旋桨推进器以实现悬停定位操作。水动力测量试验表明，在悬停模式下，扑翼推进装置产生了与槽道推进器同样大小的垂向力，但是其功耗却降低了一半。
   
图7 美国NUWC研制的3种基于仿生扑翼推进器的水下机器人
国内在有关仿生扑翼推进系统方面的研究，多见于仿生扑翼飞行器研究领域，而水下扑翼推进机理研究与推进装置的试验研究十分有限。南京航空航天大学以及西北工业大学率先开展了扑翼飞行器的研制工作，并且在扑翼运动规律，扑翼推进系统等方面均取得了可喜的成果。中国科技大学陆夕云教授、尹协振教授等领导的课题组对扑翼的流体动力特性进行了试验测量和数值模拟研究。[23~26]江苏科技大学的王志东教授开展了二维摆动水翼的水动力学性能研究。[28]哈尔滨工程大学的苏玉民教授在机器鱼胸鳍的水动力学方面进行了数值模拟和试验研究。[29]上海交通大学开展了四足两栖仿生机械龟的研究工作。[30]