基于海马仿生的水下机器人

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Dec 2, 2023

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前言

仿生海马的创新点如下:

1.仿海马身体外壳 该机器人的整体尺寸为长约13cm、宽8cm、高22cm，尾部放松时高度最大可达30cm，各个身体部分的比例为头部：胸部：尾部=2：5：4。机器人采用直立且扁平的身体设计，这种身体形态使其在水下运动时能够降低阻力，从而实现更加高效的前进。此外，机器人微小的体型也增强了其在水中的隐蔽性，同时赋予了它更大的灵活性和机动性。

2.仿海马胸鳍和背鳍的仿生推进转向机构 通过结合海马的头部和背部鳍推进特性，我们将其复杂的运动简化为通过单个舵机控制的摆动。在此基础上，我们设计了含有两组机构的组合推进系统，以实现机器人的运动和转向。其中，胸鳍负责辅助推进与转向，背鳍负责主要推进。通过背鳍电机驱动，带动曲柄连杆高速进行空间曲柄摇杆运动。这使得装有仿海马背鳍薄膜的尾部棘条机构能够以高频的周期性摆动。这种设计不仅为机器人提供了充足的动力，还通过曲柄连杆的空间结构和对称的周期运动，有效避免了急回特性，从而提高了机器人运动的稳定性和精确度。为了实现机器人的灵活自由游动和转向控制，我们设计了机器人头部的双电机差速转向辅助驱动机构。这一机构与推进系统协同工作，使得机器人能够进行转向和加速运动，从而在水下实现自由而灵活的运动。

3.仿海马尾部的多杆串联仿生抓取机构 仿生海马尾部抓取机构采用舵机控制舵盘转动的方式，带动钢索拉动与钢索连接的曲柄主动件的运动，从而驱动整个尾部机构完成卷曲和放松的动作。这一机构通过调整舵盘的转动半径和角度，结合外部设置的身体外壳限位，将尾部运动限制在特定范围内，并能够准确测量和控制尾部卷曲的程度。尾部的卷曲动作使得机器人能够在水下对目标进行抓握，而且不会对目标造成伤害。此外，尾尖部分设计了一个挂钩，可针对目标进行勾挂和追踪。一旦机器人挂钩成功并附着在目标上，它将进入低功耗待机状态，能够长时间、远距离地跟踪目标.

📝 项目背景

根据新思界产业研究中心发布的《2018-2023年中国水下机器人市场调查及行业分析报告》显示，到2023年，我国水下机器人市场规模已达到580.65亿元。同时，国家政策的支持，人工智能等互联网高科技的快速发展也推动了水下机器人行业的突飞猛进，水下机器人由最开始的军工市场向民用及大众娱乐消费市场拓展，应用领域广泛。

国内现有一些仿生的水下机器人，如达普 RoboFish-Plus-1.0 混合动力水下机器人仿生尾鳍无刷推进器，它依旧采用传统的螺旋桨推进，只是重点模仿了鱼的外形，限度融合了仿生技术与传统技术，只做到了仿形，在仿生方面有所欠缺，没有充分利用仿生机构的优势。并且该仿生水下机器人价格昂贵，体型庞大，不利于接近鱼群,该机器能耗大，会造成资源浪费。因此该类型水下机器人仍有很大进步空间。

如图为国内传统机器人的代表之一——深之蓝公司的缆控水下机器人，该机器人采用模块化设计，涡轮推进，曾参与完成过南水北调长隧洞水下监测、大深度地下河打捞、水下重要会议安保等任务，在水利水电、救援打捞乃至军事领域功能十分强大，但其过大的体型以及多涡轮推进时产生的大涡流及噪音，在执行鱼类养殖以及水下监测等任务时存在隐蔽性差、噪声较大、影响环境等缺点，会惊扰鱼群、影响观测对象导致难以活得真实观测结果，还会对所处水域的生态环境造成一定影响，因此该类型水下机器人在民用渔业养殖领域还需一定的改进.

现有水下渔业养殖机器人在进行工作时存在隐蔽性差、噪声大、惊扰鱼群等缺点，对养殖对象的生长和养殖场所处水域环境有一定影响。

机构设计

生物学分析

海马游动时主要靠身体背部背鳍和头部胸鳍的快速高频的摆动来为自己提供运动的动力。并且我们得出：如图所示，其中背鳍的运动是海马运动动力的主要来源，背鳍大小约4cm左右，一个来回摆动角度可达约90度，两侧摆动角度大致对称，如图所示，摆动频率高达10次/秒。此外，背鳍摆动时，背鳍的表面积会变化，导致水流在背鳍上产生不对称的压力分布。这种不对称压力会使海水在背鳍的一侧产生较高的压力，而在另一侧产生较低的压力，从而产生向前的推进力，推动海马前进。

海马的胸鳍位于脑后两侧，大小约1cm，形态结构与胸鳍类似，通过极快速的摆动承担了海马在水下运动时的“掌舵”功能，同时能够帮助海马在水下保持稳定平衡。由于海马胸鳍过小，摆动极快，我们对海马水下转向运动视频进行逐帧分析。由此我们得到了海马胸鳍摆动过程中的不同位置，通过将各画面中胸鳍的所处位置的描线及角度提取并集中到坐标系中进行相关分析，最终得出海马胸鳍摆动的规律。

海马尾部在海马的水下游动时不提供动力，但海马尾部结构和在休息时用尾部卷曲抓取的动作的动作十分独特，并且能够帮助海马保持平衡。如图10所示，观察表明海马尾部显示出抓取不同半径乃至维度物体的能力，如海草(R1 = 3.21 ± 0.32 mm)和珊瑚枝(R2 = 15.35 ± 1.43 mm)。由于其灵活性、敏捷性和对共形抓取的适应性，在结构上具有广泛且极为独特的应用价值，十分适合作为仿生抓取机构的模仿对象。

通过提取海马尾部弯曲的过程，并将抓取过程中各位置的尾部曲线抽象成数学曲线，我们得出了图12的结果：在海马尾部弯曲到接近极限时，它的尾巴恰好平滑地弯曲成一个对数螺线，收缩率约为1.618，在近尾尖处达到最大的曲率，这样的曲线以及柔性的尾部使得海马在卷曲抓取时能够很好地贴合适应不同大小的物体，抓取得更加牢固。

推进机构设计

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背部背鳍推动机构

该空间机构创新的采用了一种空间结构设计，其工作原理过程为：当身体前部的电机启动时，带动了与舵机输出轴相连的空间曲柄，以很高的转速带动连杆在空间内进行转动，从而带动固定在机架上海马仿生背鳍摆动。仿生背鳍根据海马背鳍的生物结构高度仿生，由背鳍棘条与膜状鳍组成，在进行摆动时连杆带动尾部类棘条部件，由类棘条部件带动固定在上面的膜状鳍部分进行摆动，以此减少重量、增大划水面积，提高推进效率、避免产生涡流

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头部胸鳍辅助推进转向机构

海马的胸鳍与背鳍摆动方式类似，但向外摆动的幅度更大，并且负有“掌舵”的责任，因此胸鳍部分的空间结构我们采用了如图15曲柄摇杆机构，同时将胸鳍的初始位置设置到了更外侧；通过控制圆盘相互独立的转动，使得两侧的胸鳍能够独立差速运动，从而使机器人能够完成在水下转向的动作。当两侧圆盘反方向同相位转动时，能够为机器人提供额外的推进力，使机器人能够进行加速运动

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尾部抓取勾挂机构

我们将尾部设计为可无限串联的多连杆机构。如图，其中海马尾根部肌肉为绕o点运动的曲柄主动件，海马尾背部交汇处的骨骼作为多连杆机构的机架，固定在机架上。尾部的每块肌肉都连接着多个仿骨骼杆件。初始状态尾巴各关节处于放松状态。当海马进行抓握工作时，随着主动件的转动，拉动海马尾根部肌肉，将力通过尾部各仿肌肉连杆传递至尾尖，尾部肌肉带动与其相连的骨骼，使得整个尾部做卷曲运动以完成抓握的目的。当尾巴弯曲到极限时，此时整个尾部卷曲角度达到最大，完成抓握动作，尾尖与曲柄同时受到胸尾处外壳限位，加上主动件的锁紧，保证抓握的物体不会脱落。此外，尾部的尾尖可以进行更换，通过搭载不同配重不同功能的组件，能够附带上各种功能.比如将普通尾尖更换为吸附挂钩，能够依附在目标上

设计理论计算

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自由度计算:活动构件n=3,平面低副pl=4

主动件个数为1，机构运动确定

红线AC为曲柄，长为L1，绿线BC为摇杆，长为L2，EC为BC对应水平面上的投影，EB与AB夹角θ即为尾部摆动所处角度，CD与竖直平面所夹角ɑ即为曲柄转动角度。

了保证机构灵活运行，避免急回特性，我们设计使AC与BC等长且垂直，使得A与B连线处于水平面上。由于已经得出机构自由度为1，只需得知自变量AC所转过的角度，就能够知道整个机构任一构件所处空间内的坐标位置，因此设当曲柄AC转动角度为ɑ时,尾部摆动的角度为θ，有：

机构建模优化

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尾部机构优化

经过结构简图以及数学模型的理论设计计算，我们将初步设计的尾部机构进行了优化建模，采用舵机舵盘连接钢索驱动曲柄主动件，通过舵机舵盘带动钢索拉动主动件进行尾部的卷曲以及放松。

经过建模渲染后的机构如图，其中灰色部分为舵机及舵盘，黄色部分为舵机固定座及机架，蓝色杆件为尾部肌肉，绿色杆件为尾部骨骼，红色杆件为尾尖可更换组件。这样避免了抓取机构重心的偏移，同时加厚的尾部以及高强度碳纤板的材质解决了单侧刚性杆件在受到冲击时易折易断的问题。增加了抓取机构的坚固程度以及稳定性。

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背鳍机构优化

为了提高尾部运动的稳定性，我们将空间曲柄与连杆非相连的一端保持水平共线，并将尾部棘条件的固定处间距增大，同时增添了有限位的光轴，保证了尾部摆动时运动的流畅，减少了零件之间的摩擦，降低能量损耗。此外，我们还对初始的棘条进行了优化，将大棘条改为数量较多的小棘条；并采用了硅胶材质的覆膜。缩小了体积和重量的情况下增大了划水的面积，提高了推进效率

优化后的机构组成及大致工作原理为：如图黑色部分是背鳍机构固定底板，材质为碳纤维板，灰色部分是用于固定的固定件，白色部分为防水电机，金属联轴器与其相连，紫色部分为电机固定座，蓝色部分为曲柄主动件，黄色部分为摇杆，绿色部分为摇杆及背鳍固定件，棕色部分为背鳍棘条。除电机、联轴器、固定底板外所有部件的材质均为3D打印的PLA耗材

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胸鳍机构优化

在对胸鳍结构简图进行转向以及加速时的速度计算时我们发现，通过设置合理的推程以及回程位置，两侧胸鳍存在的急回特性能够对使机器人的加速以及转向产生帮助，在增强推进及转向的推程产生的动力的同时减少回程带来的阻力。因此我们在保持机构稳定性的情况下调整了电机与胸鳍转动轴的位置，适当利用了急回特性增强了机器人加速时所能获得的推进力。

此外,对于主动件，为了保证其稳定性，延长使用时间，避免折断，我们将圆盘悬臂的主动件改为了两端固定的偏心受力曲柄，在增加了转动稳定性的同时对胸鳍运动进行了一定的上下限位，避免了胸鳍受到冲击产生的上下位移导致U型槽折断的情况。经过建模渲染后的机构如图，黄色部分为电机固定架，其内部的灰色部分为两个独立电机，电机轴输出的动力由联轴器传递至绿色部分的主动件，绿色主动件的上端固定在头部机架上，通过主动件的转动带动蓝色部分胸鳍骨架的摆动，从而使胸鳍覆膜摆动来进行转向或加速。优化后的机构结构及大致工作原理为：黄色部分为电机固定架，内部的灰色部分为两个独立电机，紫色部分为固定板，材质为碳素板，当两侧电机驱动主动件同速同相位对称运动时，电机轴输出的动力由联轴器传递至绿色部分的主动件，绿色主动件的上端固定在头部机架上，通过绿色主动件的转动带动蓝色部分胸鳍骨架的摆动，从而使胸鳍覆膜对称运动，起到加速推进的作用，当两侧电机驱动主动件差速转动或只有一侧转动时，机器人能够进行转向运动。其中除了联轴器、电机、碳素板外所有的部件材质均为3D打印PLA耗材