高振帮　李志刚　梁拥成　崔秀芳

【摘 要】随着海洋保护与水下侦查的需要，水下机器人越来越受到人们的重视，可以承担水下环境监测与生物生长鱼群迁移等等任务。而水母是一种柔性生物，仅凭借对腔体大小改变可实现便捷的转向和定轨迹的行程行进。但是目前的仿水母机器人游动稳定性差、方向不易控制。因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

【关键词】水母机器人；稳定性；技术方案

中图分类号：TB333 文献识别码：A 文章编号： 2095-2457（2018）06-0262-002

【Abstract】With the needs of marine protection and underwater detection， underwater robots have received more and more attention from people， and they can assume tasks such as underwater environment monitoring and biological growth fish migration. The jellyfish is a kind of flexible creature， and it can achieve convenient steering and fixed track travel only by changing the size of the chamber. However， the current swimming robots have poor stability and difficulty to control their orientation. Therefore， a new technical solution is needed to solve the above problems.

【Key words】Jellyfish robot； Stability； Technical solutions

0 課题的提出及意义

“Machine jellyfish”是festo公司[1-3]设计并研发的氦气动能源的两栖水母类机器人成果，旨在海况和空航领域，”Cyro”是美国Virginia Tech提出和开发一种依靠8块电机驱动8个机械臂的类水母 “软”的机械臂型陆用机械水母，已在军民行业展开适当的范围的调试与运用。国内哈工大机器人组开展的多连杆仿生器水母机构的初步研究，取得部分效力，可开展例如缓水流与急流复杂交变的模拟海况的试验探索。[4-6]本文拟提出一种克服冗余与欠驱驱动、变限胞法等缺点的新奇驱动形式器。

1 课题研究的内容

通过本课题的研究包括以下内容：（1）对水母机器人的各个零部件进行详细介绍与分析，校核。（2）对水母机器人的工作原理做出详细分析，确定流程图。（3）利用多个软件对水母机器人进行仿真分析，并对可行性与不足之处作详细分析。（4）研制出一种新型材料。（至少理论发现一种新型材料）。（5）一种新能源发电设备与机器人的融合，提高机器人的可靠性。（6）样机试制。

2 课题研究方法

本次研究采用多种运动原理相结合的方法，主要有运动版-空间机构运动原理；用SolidWorks三维软件对构想出的水母机器人模型进行建立；用fluent 流体分析与仿真软件对水母机器人进行仿真与分析；用SolidWorks等仿真软件对水母机器人进行仿真与分析；现阶段主要进行材料物理性能与评价参数的计算。主要采用MS7.0与Vasp软件的材料参数性能的计算，目的是寻找一种更加适合于水下环境的新型材料。

2 仿生水母机器人

上腔室，包括外壳体、内壳体和封板，内壳体设置在外壳体的内部，外壳体和内壳体的底部通过封板密封连接，且外壳体、内壳体和封板之间围合成第一封闭腔，内壳体的内部与封板之间围合成第二封闭腔。其中，外壳体是由特殊材料——形状记忆合金制造而成，其特性类似于水母的柔性壳体，可以实现在大量运行之后的变形回复可靠的本领。外壳体上设有第一进水机构，第一进水机构用于将外部的水周期性地输入到第一封闭腔中，内壳体上还设有第二进水机构，第二进水机构用于将第一封闭腔中的水输入到第二封闭腔中。下腔室，包括筒体，筒体的顶部与封板的下表面密封连接，筒体内设有左增压腔和右增压腔，左增压腔和右增压腔内设有增压器，且左增压腔和右增压腔均与第二封闭腔相连通；增压器主要用于对左增压腔和右增压腔中的水进行增压形成压力水。驱动机构，安装在下腔室的中心位置处，驱动机构与第一进水机构相连接，并用于驱动第一进水机构往复动作。左喷水机构和右喷水机构也是由形状记忆合金制造而成，其设置在下腔室的底部，左喷水机构和右喷水机构分别与左增压腔和右增压腔相连接，并分别用于将左增压腔和右增压腔中的压力水喷出至外部。

3 仿生水母机器人技术实现

将水母机器人放到水面上，选取蓄电池作为水下电机能源，并通过凸轮的转动作为连接动力与非动力的运行机构的连接，凸轮通过竖杆将力传递给了圆盘，圆盘的上下运动带动了连杆的上下运动，从而带动了运动板的伸出或缩回运动，进而开启或闭合第一进水口，而在第一进水口开启时便可将水挤进第一封闭腔，然后经第二进水口进入到第二封闭腔，第二封闭腔中的水经漏水孔进入到左增压腔和右增压腔中，最终通过增压器将左增压腔和右增压腔中的水加压后挤进左喷水机构和右喷水机构的喷水管中，通过喷水叶片的喷水口喷水来实现机器人的前进，通过扫描成像声纳对水下进行视频和图片的拍摄。岸上的操作人员还可以通过扫描成像声纳传输回来的视频、图片等对所需信息进行筛选，并通过远程控制器来控制处理器，从而对机器人的姿态进行调整。

4 分析及结论

水母机器人技术实现路线与所设计的水母机器人模型，结合多驱动融合理论相比单一驱动机制具有更高的可靠性和效率；新型材料对于水母机器人的运动机理起到了关键性的作用，一方面可以简化运动机构，另一方面可以适当减小水母机器人在水下运动的阻力。我们的模型选取较前沿的SMA材料，克服冗余与欠驱驱动、变限胞法等缺点的新奇驱动形式器，采取运动稳态机理、非重承载自重比的机制结构设计，可作为新型类水母拓扑空间泛机构的并行开发研究工程。本技术方案已获得发明专利。（No. 14XD1424300）

【参考文献】

[1]王振龙，李健，杭观荣，王扬威.生物喷水推进机理及其在仿生喷水推进装置中的应用[J].机器人.2009（03）：281-288.

[2]肖俊东，喻俊志.基于多连杆机构的仿生机器水母设计与实现[C].第三十二届中国控制会议，中国陕西西安，2013.6.

[3]刘英想 .两关节机器鱼本体及动力学研究[D].哈尔滨工业大学硕士.2007.

[4]迟冬祥，颜国正.仿生机器人的研究状况及其未来发展 [J]. 机器人.2001（05）：476-480.

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[6]胡娅南.低电压驱动仿水母式微型机器鱼的研究[D].哈尔滨工程大学硕士.2009.