针对生物灵感和仿生学的研究教育而进行的微型机器鱼的设计、建模和表征

摘要

在本文中，我们提出了具有模块化尾鳍的仿生机器鱼设计及其性能分析。机器人推进系统的实验特征，是为不同几何形状的尾鳍采用专门的推力测量系统。振动尾产生的静推力依据振动雷诺数来表示，并与文献中的类似结果进行比较。非线性振动的推进尾使用液体中细长圆柱体大型振动研究中的模态分析和经典的研究结果进行模拟。这种分析允许依据尾部振动的输入参数计算振动雷诺数。自由游动试验的执行是为了调查研究机器人的性能和可操作性以及相关的静推力和终点速度。这个机器人平台是目前正使用在为了调查研究群居鱼类的集体行为的仿生机器人研究中，以及义务教育阶段的学生的教育趣味科学活动中。

索引词：建模，推进力，机器人，水下机器人，振动

1介绍

因为与鱼类游泳相关的性能效益以及这些设备在实地调查中的潜在实现[1]，[2]机器鱼的设计持续获得相当多的研究关注。这些设备的一个新的应用是在仿生机器人的新兴领域，涉及到动物系统中的机器人集成，为了进行动物行为的研究（见[3]）。具体来说，在一个活鱼学校内机器鱼行为调节的可能性可以被用来解决集体行为的基本问题，比如领导者与追随者的出现[4]，[5]，并为鱼旁路系统和害虫控制提供技术帮助[6]，[7]。此外，机器鱼已经被提出用于移动传感器网络和研究鱼类游泳（见，例如，[8]）。超出其基础研究的巨大潜力，机器鱼已被证明是一个宝贵的吸引公众接近科学、技术和数学领域的方法，包括临时展览在公共水族馆。例如，鲤鱼类机器人[9]已经吸引了成千上万的参观者在他们的展览会所在的地方，比如伦敦水族馆。

机器鱼的典型设计是通过使用几个电机串联来增加尾巴的灵敏性（见，例如，[10]-[13]）。其他技术包括使用泵或电力传输装置，如电缆，肌腱，齿轮，或皮带连接到一个单一的电机或液压执行器，嵌入在机器人的身体，实现尾部跳动的运动（见，例如，[14]-[19]）。智能材料，如离子聚合物金属复合材料和形状记忆合金，也被认为是为水下推进器提供几个优点的有前途的致动器，包括安静的操作和高度的仿生学（见，例如，[20]-[25]）。然而，它们的成本相对较高，目前它们的性能作为水下推进器的限制因素是其在仿生机器人及其教育应用中的实现。另一种设计策略是使用一个单一的电机连接到一个柔性/刚性尾鳍产生推力（见，例如，[26]-[31]）。后者的策略实现起来相对简单，并为实现低成本设备快速部署提供了一个可行的平台。此外，平台提供小尺寸、最小代价、受生物启发的功能和互动功能，将更好地服务于仿生机器人和中小学教育/推广应用的需要。

在[26]-[29]中机器鱼的描述提供了箱鲀（[26]、[28]）和长刀鱼（[27]、[29]）的仿生设计。在[30]中提出的机器鱼包括有一个摆动硅胶尾巴在后方的刚性椭圆身体。此外，在[31]中的机器人类似于一个在螺旋桨处有一个摆动半月状鳍的潜水艇。除[28]中的平台外，这些机器人的尺寸范围从25到120厘米，是常见的实验室设置在执行仿生机器人实验时的实际困难。为了研究集体行为和领导/追随反应，实验可以包括在一个检测试验池的群居鱼类偏好测试，或观察鱼和机器人一起在水洞中游泳（见，例如，[32]）。在这样的情况下，机器人往往需要接近目标物种的形态生理和/或游泳的方式。

在[26]-[29]中描述的机器人的设计包括多部分组件和应用程序开发的自定义组件。少部分的使用和广泛使用的现成的组件将为提高这类系统的可访问性提供一个更具成本效益的平台，特别是对中小学教育/外联活动。这样的活动（见，例如，[33]）继续存留机器人交互式组件的特色，让参与者积极学习通过动手参与平台的操作和/或其设计。

在本文中，我们介绍了一种多用途、小型、低成本的仿生机器鱼可能使用在仿生机器人研究和中小学教育/外联活动中。具体来说，我们提出了一个新的仿生机器鱼的模块化尾鳍的硬件设计和特性描述。这个小型的、低成本的机器人利用一个基于伺服马达的推进系统，并且是通过手持遥控器或计算机图形用户界面（GUI）的无线操作。我们通过使用特定的自组实验装置直接测量各种尾部跳动的频率和振幅，并作为不同几何形状的尾鳍的输入参数，来描述机器人的推力生产的特点。我们从实验活动中获得的数据估计推力系数来预测作为尾鳍几何函数和与尾部振动相关的振荡雷诺兹数的静态推力的产生。此外，我们用欧拉-伯努利梁理论为尾振动开发了一个非线性模态模型来描述锥形鳍的摆动。我们把包括流体的影响通过考虑时变的分布力作用在尾部，以莫里森方程[34]的形式，通常用于研究刚性细长柱由于振荡流的水动力载荷。两个流体动力学系数被用来解释流体引起的阻尼和附加质量。这样的系数实验的确定利用基于视觉的采集系统直接测量鳍尖位移。我们提出了线性回归模型依据振荡雷诺兹数和KC数来预测这两个系数。模态模型结合估计推力系数计算推力输出作为输入参数的函数，也就是说，尾巴跳动的频率和幅度。通过自由游动实验，我们描述了机器人的速度作为尾拍频率和振幅的函数，我们通过引入阻力系数进一步关联这种速度与静推力数据。

用于研究机器人的运动主要的建模方法共享在[18]，[20]和[21]中相似的工作，因为它试图通过考虑机器人的尾巴在静止流体中的强迫振动估计静态推力的生产。然而，在这里我们采取了显着背离这些努力，通过考虑包含流体在内的非线性阻尼，在柔性梁的低频和中等大振动中起着重要的作用，正如[35]-[37]所示。作为输入参数的函数的静态推力生产的准确知识是本文的主要贡献之一，是开发机器鱼的控制导向模型以及了解机器人设计的一个基本里程碑。

本文的结构如下。在第二节中，我们提出了一个机器人平台的描述的和远程控制体系结构。在第三节中，我们实验和分析研究机器人的推进系统。在第四节中，我们调查机器人的自由游动，并评估其性能。第五节留给结论和讨论。

2系统描述

该系统包括仿生机器鱼和远程控制单元。该机器人由一个刚性丙烯腈丁二烯苯乙烯塑料机身外壳，尾部和盖子（见图1）。

图1 仿生机器鱼。长度：117mm（无尾鳍）；高度：48mm；宽度：26mm；质量：70g。

一个模块化尾鳍连接到尾部，并可能被替换为一个不同的大小/几何形状，为优化产生的推力。机器人是类似于一个三连杆组件，其中的身体和尾部部分是刚性的链接和尾鳍是兼容的。主体和尾部之间的致动器作为这两个部分之间的活动铰链，并决定它们之间的角度。由于这个角度的变化，包容流体的存在诱导顺从尾鳍的弯曲，这反过来又允许推进。

遥控器允许机器鱼的无线操作。可指定尾部跳动频率、振幅和偏移量等参数。一个操纵杆，旋钮，和几个开关都包含在远程机器人的手动控制。此外，远程连接到计算机的可选连接允许使用GUI精确控制参数的选择和机器鱼的自主操作。

2.1机器人的设计

该机器人的壳体包括有效载荷舱和电机舱。有效载荷舱包含控制电子设备，电池和和配重以提高俯仰和滚转的稳定性，并且实现适当的浮力。更具体地说，浮力设置，使得机器人在操作过程中几乎完全被淹没。盖子提供有效载荷室的防水密封件，并向机器人的后部延伸，部分覆盖电机室。隐藏在盖子扩展中的拨动开关用于打开或关闭机器人。电机舱有一个Traxxas 2065防水伺服电机用于驱动，通过改进的伺服电机的角连接到尾部。尾鳍通过在尾部自由端的一个贴身合适的槽附着在尾部上。机器人的塑料部件在三维软件中设计和在三维打印快速成型机上打印。机器人长约117mm，48mm高，26mm宽，没有模块化的尾鳍，重70g。

车载电子设备包括微控制器单元、无线收发器、功率调节器和可充电电池。

Arduino Pro Mini单片机作为机器人的处理单元。单片机具有北欧nRF2401A收发器芯片接口用于与远程控制的无线通信。重要的是要注意在水中实现良好的无线通信，主要是由于机器人极为靠近水面。远程控制通过包含机器人状态信息和控制参数的数据包与单片机交换数据，即，尾部跳动频率，振幅和偏移量。控制数据由单片机进行处理，然后用于驱动伺服电机。采购自（www.powerstream.com）的单节锂离子聚合物电池提供动力给机器人。该电池具有一个标称容量180mA约3.7 V的输出。微控制器和伺服电机直接由电池供电，当电压降到3.3V通过使用一个LD33V的电压调节器来收发。充电端口位于机器人的后底提供了一种外置充电电池的方法。我们注意到充电端口处于非工作状态，当机器人打开并允许在充电前彻底干燥时。在这种配置中，机器人在电池充电前可以连续工作约1小时是必需的，在伺服电机的驱动阶段电流范围从100到300mA。

2.2机器人控制

设计了一种遥控装置来提供机器鱼的手动操作。遥控器是由一个Arduino Duemilanove单片机来进行处理，控制输入硬件和机器人状态指示器。操纵杆提供左右运动的转向控制和上下摆动的尾拍频率控制；旋钮用于尾拍振幅的选择；拨动开关允许选择 通过“操纵杆模式”或“计算机模式”控制；两个LED灯指示系统就绪和低电池状态。摇杆模式允许机器人的手动操作，而计算机模式通过GUI精确控制参数选择和自主操作能力提供控制。

3机器尾分析

机器人的推进通过起伏的刚性尾部的灵活尾鳍连接来实现（见图2）。静态推力生产的特点描述是通过直接测量各种尾巴跳动的频率和振幅，作为输入参数，并考虑不同尾鳍的几何形状。设计一个特设实验装置测量由起伏的尾部产生的推力。估计每个尾部的推力系数作为振荡雷诺兹数（从这个实验活动中获得的数据）的函数，并与文献的结果进行了比较。推力系数的一种易于处理的线性回归模型，作为振荡雷诺兹数的函数被建立。正如在[18]，[19]和[29]中观察到的，静态推力值可以被认为是适当的动态推力下限，实现在实际运动中，尾尖涡脱落可以提供进一步的推进（参见[38]）。

利用经典欧拉-伯努利梁理论描述了翅片振动，周围流体的效果通过时变的分布力被吸收，以莫里森方程的形式。在这种方法中，由两个水动力系数和描述流体加载，它们分别考虑阻尼和附加质量力。使用降阶模态模型对非线性分布模型进行了分析，只有沿着真空中鱼鳍的基本振形的振动被保留。这些系数通过实验确定，将这个模型和以视觉为基础的实验数据预测的鳍尖位移之间的误差最小化。提出了一个接近和的线性回归模型来作为振荡雷诺兹数和KC数的函数。

图2表示机器人起伏尾巴的机器鱼的俯视图

图3推力测量实验装置示意图。连接在尾部的伺服电机和尾鳍固定在低摩擦直线运动导轨上并通过螺纹杆连接到测力传感器上。脉冲宽度调制信号应用于伺服电机、摄像机装置来捕捉到鳍的运动。

3.1推进实验

实验装置，如图3所示，是设计来定量表征尾巴摆动频率和振幅的在一个平静的环境中对推力产生的影响。设置类似于在[20]和[39]中提出的系统，分析振动离子聚合物金属复合材料产生的推力，并在[19]和[29]中研究不同机器人的鱼形推进。在此设置中，Traxxas 2065伺服电机，用于机器鱼与连接尾部和被动尾鳍，设置在60L淡水玻璃测试池，75times;30times;32cm分别为长、宽、高，在室温下。一种传感器技术GS-10测力传感器用于此设置，与一个TMO-1放大器/调节器模块一起用于力的测量。制造商没有指定测力传感器来测量加载过程中的单向力和固有转矩或力矩，可能提供不相关的读数。因此，低摩擦THK RSR-WZM直线运动导轨是用来限制扑翼机器人尾巴向一维的平移。测量方向是固定沿实验箱的最长尺寸，以尽量减少壁效应（见图3）。一个定制的亚克力支架是用来连接伺服电机到直线运动导轨，并通过一个短的精密螺纹杆连接到测力传感器。附带测力传感器的直线运动导轨安全地停留在测试池的顶部，并在试验期间固定在水位以上。亚克力支架向下延伸到水中支持水下伺服电动机与连接的尾部和尾鳍。

开发了一个自定义的LabVIEW 8.6虚拟仪器GUI来通过国家仪器USB-6221数据采集（DAQ）板从测力传感器获得推力数据，当驱动伺服电机时。在100 Hz下进行1000个样本的数据采集。伺服电机由一个脉冲宽度调制（PWM）控制信号产生，代替伺服电机的角的角位移的正弦信号。高速德尔成像相机Y系列3位于设置上方记录几个周期的横向运动，并与推力测量同步。相机设置在帧速率为100或500Hz下捕获3s的运动。帧速率的选择是出于需要提高运动清晰度，同时保持一个可管理的视频文件大小。

在实验之前，测量设置校准应用于测力传感器的权重。在实验过程中存在的负载条件通过使用滑轮系统将力施加到测力传感器上模仿。线性校准曲线通过使用各种精度的权重，并将测力传感器的电压输出与相应的力关联。

通过驱动伺服电机来波动被动尾鳍进行实验，在平静的水环境中悬在装置（见图3）的尾部。在这项研究中三尾鳍的几何形状（见图4）是经过深思熟虑的，并且全部由透明聚酯薄膜和透明胶带构造。不同几何形状的鱼鳍对推力产生的影响已经在生物和工程文献中都进行了研究，然而，实验结果适用于宽范围的操作条件下的一致薄片，连同他们的振动数据一起是不够的[40] - [42]。尾巴跳动频率为1-2 Hz获得的推力数据，以0.1Hz的增量对12°的幅度或变化幅度从10°到20°，以1°的增量在1Hz的频率下，每鳍类型共计测量22次。从时间的痕迹，提取出推力的峰值和平均值。频率和振幅的范围选择是根据实现在机器人上的实际操作范围。我们注意到更高的频率在系统和折中的测量中产生相当大的振动。来自测力传感器的原始数据，通过信号调理器，使用5Hz截止的低通滤波器软件过滤来滤除信号中的噪声。此值被选择，以确保在实验中系统的带通大于两倍的最大的特征频率（2Hz）。在实验过程中捕获的图像使用市售的图像分析和跟踪软件Xcitex ProAnalyst（www.xcitex.com）进行了分析。提取出被动尾鳍尖端和基底横向位移的时间历程。位移信号分别从原始数据偏移到零均值。此信息用于计算每个输入频率/振幅对的振荡雷诺兹数，定义为

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