水下機(jī)器人研究現(xiàn)狀與探索-文庫吧資料
2025-07-02 18:55本頁面
【正文】 能在障礙物之間穿行而不會(huì)造成嚴(yán)重的損害。烏賊動(dòng)作時(shí)，彈性機(jī)制能夠減少能量消耗，提高能量利用效率。分析烏賊噴射和鰭波動(dòng)推進(jìn)的游動(dòng)機(jī)理，烏賊運(yùn)用的復(fù)合游動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是能瞬時(shí)改變游動(dòng)方向，噪聲低，以及即使烏賊的噴射速度低于周圍流體速度，也能產(chǎn)生推力。烏賊除了烏賊骨和喙之外，沒有任何剛性骨骼，而是由一種稱作肌肉性靜水骨骼的三維肌肉陣列來支撐和驅(qū)動(dòng)。從這四個(gè)角度出發(fā)，我來談?wù)勎易约旱囊稽c(diǎn)設(shè)想。4 仿生創(chuàng)新思路總的來說，當(dāng)前的水下機(jī)器人主要是在仿生機(jī)理研究，仿生結(jié)構(gòu)，仿生材料，控制感知方式的方面存在局限性。電流驅(qū)動(dòng)聚合物( Electro Active Polymers , 簡稱 EAP )是人工肌肉的一種, 由導(dǎo)電高分子材料集束在一起制成的像肌肉一樣的復(fù)合體, 通過電流激活高分子材料中的離子或電子, 使之完成伸縮、折曲的動(dòng)作, 控制電流強(qiáng)弱可調(diào)整離子或電子的多少, 從而改變其伸縮性。于是, 許多國家開展了新型智能驅(qū)動(dòng)材料的研究,如:利用形狀記憶合金(Shape memory alloy ，SMA)、電流驅(qū)動(dòng)聚合物(Electroactive polymer，EAP) 、壓電陶瓷等智能材料進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并研究了身體波動(dòng)推進(jìn)、胸鰭波動(dòng)推進(jìn)等游動(dòng)方式。并且，受限于水下的復(fù)雜環(huán)境，采用多傳感器融合的水下自主游動(dòng)尚不穩(wěn)定。除個(gè)別采用記憶合金或者氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)外，傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)仍作為胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)仿生魚樣機(jī)主要應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)器(4) 控制方式?，F(xiàn)有采用胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)模式仿生魚樣機(jī)的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)多是剛性并且分離的，無法產(chǎn)生整體漸變的柔性變形，造成胸鰭運(yùn)動(dòng)過程的柔順性不足。(1) 功能仿生為主。樣機(jī)采用外置氣源驅(qū)動(dòng)，長 m， m，最大游動(dòng)速度 m/s，能夠?qū)崿F(xiàn)非常類似于蝠鲼的胸鰭擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在對被動(dòng)柔性胸鰭和主動(dòng)柔性胸鰭深入研究的基礎(chǔ)上，于 2007 年成功設(shè)計(jì)了氣動(dòng)橡膠空腔致動(dòng)器，原理應(yīng)用于水下仿生機(jī)器人的制作。典型樣機(jī)為由日本大阪大學(xué) SUZUMORI等 [8][9] 澆筑制作的 Manta Robot，如圖 9 所示。全柔性機(jī)體制作根據(jù)胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)的變形需求和仿生原型的構(gòu)型特點(diǎn)，對機(jī)體的柔性分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，樣機(jī)設(shè)計(jì)接近功能仿生與形態(tài)仿生相結(jié)合。全速游動(dòng)速度比人的步行速度稍慢，約為 m/s。樣機(jī)長 m，展寬 m，質(zhì)量 kg，利用尾部的方向舵控制樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。典型樣機(jī)為 2004 年日本科研工作者 IMAE所開發(fā)，這也是首臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)水下自由游動(dòng)的采用胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)模式的仿生魚。僅保留其擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)特征，而忽略其復(fù)雜的構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)功能仿生。第四，現(xiàn)有的仿生驅(qū)動(dòng)方式以機(jī)電驅(qū)動(dòng)為主，相較于生物憑借微量化學(xué)物質(zhì)就能轉(zhuǎn)化出巨大能量來講，能量轉(zhuǎn)換效率上難以望其項(xiàng)背。（如表一）第三，現(xiàn)代仿生材料已經(jīng)發(fā)展到了較高的階段，具有最合理的宏觀、微觀結(jié)構(gòu)，并具有自適應(yīng)性和自愈合能力。首先，科學(xué)家們對海洋生物的生物機(jī)理了解不夠透徹，學(xué)科交叉不夠成功。但由于其學(xué)科交叉性，發(fā)展至今依然存在“形似而神不似”、實(shí)際應(yīng)用有限等諸多問題。此外，美國哈佛大學(xué)也進(jìn)行了柔性驅(qū)動(dòng)的相關(guān)研究，并研制了利用柔性胸鰭進(jìn)行推動(dòng)的水下機(jī)器魚。如 2011 年，美國弗吉尼亞大學(xué)研制的仿生蝠鲼（圖6），質(zhì)量為 g。如 2010 年新加坡南洋理工大學(xué)研制的“RoManII”仿生蝠鲼試驗(yàn)樣機(jī)（圖5），身體兩側(cè)平均分布有 6 個(gè)柔性鰭條，通過鰭條的拍動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向的機(jī)動(dòng)性，該樣機(jī)可完成原地轉(zhuǎn)彎和直線后退等高難度動(dòng)作，穩(wěn)定巡航時(shí)，速度可達(dá)到 m/s [5] 。大部分魚類的推進(jìn)方式分為身體尾鰭（body and/or caudal fin，BCF）推進(jìn)模式和中間鰭對鰭（median and/or paired fin，MPF）推進(jìn)模式兩種。（如上圖）該階段機(jī)器魚主要采用 BCF 推進(jìn)模型，研究人員致力于如何提高推進(jìn)效率以及提高機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)靈活性。對魚類的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、工作原理及控制機(jī)制等進(jìn)行模仿、再造，能提高水下機(jī)器人的推進(jìn)效率和速度，使水下機(jī)器人更適合在狹窄、復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的水下環(huán)境中進(jìn)行監(jiān)測、搜索、勘探、救援等作業(yè)。魚類是最早的脊椎動(dòng)物之一，經(jīng)過長期的自然選擇進(jìn)化出非凡的水下運(yùn)動(dòng)能力，魚類的運(yùn)動(dòng)具有高效、高機(jī)動(dòng)、低噪聲等特點(diǎn)。AUV在實(shí)際的水下作業(yè)中無需人工干預(yù)，它們可以自主地航行在難于接近的、無法預(yù)知的或危險(xiǎn)的海洋環(huán)境之中，完成自主導(dǎo)航、自主避障和自主作業(yè)等任務(wù)。AUV的能源完全依靠自身提供，往往自身攜帶可充電電池、燃料電池、閉式柴油機(jī)等。AUV在水下通過各類傳感器測量信號(hào)，經(jīng)過機(jī)載CPU進(jìn)行處理決策，獨(dú)立完成各種操作，例如進(jìn)行水下機(jī)動(dòng)航行，動(dòng)力定位，信息采集，水下探測等。 圖1 ROV按深度的數(shù)量分布（%）Fig. Quantitative distribution of ROV by depth(%)注：圖中深色為2002年數(shù)據(jù)，淺色為2008年數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)為數(shù)量/總量的百分比，橫坐標(biāo)1000m為深度。圖1列出了2002年和2008年遙控水下機(jī)器人數(shù)量按深度分布的情況。ROV的有點(diǎn)在于動(dòng)力充足可以支撐復(fù)雜或大型的探測設(shè)備，信息采集和數(shù)據(jù)傳送工作快捷方便，數(shù)據(jù)采集量大，由于其操作控制和信號(hào)處理等工作全部由水面的計(jì)算機(jī)和工作站來完成，人機(jī)交互水平高于AUV，所以ROV的總體決策能力要高于AUV。比如，在 2011 年的日本海嘯后，就有使用大量的水下機(jī)器人幫助水產(chǎn)行業(yè)恢復(fù)；德國則是把“海獺”水下機(jī)器人用于近海石油調(diào)查、通信線路檢查、軍事應(yīng)用以及深海探測打撈等。但是這兩種類型
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