仿生虾桨式推进机构设计

仿生虾桨式机构及其实现

摘要

本文介绍了一种新型水下机器人机构，用于探索海底及其他海洋养殖应用。目前，各种受真实鱼类启发的仿生鱼技术已较为先进，而本文则另辟蹊径，提出一种受虾游泳方式启发的仿生虾机构。聚焦于虾划水肢体的游泳方式，提出一种桨式推进方法，该方法利用虾游泳时腹部的运动。最后，通过开发的原型对推进运动进行了实验，结果得到了表达，并分析了推进力的提升情况。

索引术语

腹足，仿生虾，水下机器人，相位差

一、引言

由于日本是一个四面环海的海洋国家，其海洋资源远比陆地资源丰富。因此，海底勘探正受到科学家和工程师越来越多的关注，以进一步观测水下资源。目前，多种仿生机器鱼正在被开发，旨在为水下机器人[1]的阶段性评估做出贡献。当今用于水下探测的主要推进装置是螺旋桨，其具有多种变体形式，例如不同形状的设计以及可改变叶片方向的类型，已被广泛应用于各种场景。

另一方面，螺旋桨存在一些局限性，例如通过减轻叶片负载可能会加剧空化现象，最大效率的工作范围较小，且当海洋生物接触桨叶时可能对其造成伤害。因此，开发了仿生虾桨式机构，旨在降低风险，该推进装置模仿虾的游泳行为，可在浅水区域无问题地使用。由于虾通过肢体划水前进，这种游泳方式无需高速旋转，不会产生空化现象。

II. 问题描述与提出的解决方案

桨式推进方法以外环船和挖泥船为代表，通过利用虾类划水的相位差来提高推进力，且不高速旋转，因此不会产生空化现象，航行时的推进效率也不会下降。然而，桨式推进装置存在效率低于螺旋桨的问题。因此，采用类似切割器竞赛中特定操作模式的方法，以从桨式推进装置中获得高驱动力。

与利用升力的螺旋桨不同，划桨式依靠阻力运动。阻力通常是作用在物体表面并阻碍其运动的力。与升力类似，阻力与划水速度的平方成正比，并在与划水方向相反的方向上产生。划桨式利用该力作为驱动力推动物体前进。我们在图1的坐标系中将划桨中心设为原点。虾从后侧开始依次运动游泳腿，角度变化存在相位差，如图2所示。为了对上述运动进行建模，游泳腿模型基于参考生物学研究论文[3]建立。由此生成机械运动，并设计出原型。利用该原型，我们将在二维平面上进行一系列运动实验，例如前进和转向，以验证其有效性。游泳腿角度与时间的关系图如图3所示。

III. 控制设计与实验结果

由于目标是在二维平面上收集实验数据，因此设计的原型（图4）被认为在水中工作，从而应用了聚苯乙烯泡沫。控制由计算机执行，微控制器控制总共八个伺服电机。准备了一条显示原型轨迹的路径，以验证二维运动的有效性。当时测得的阻力定义为原型的推进力。

描述了原型机动性的验证实验。将带有浮子的主体从乙烯基泳池的水面出发，通过计算机控制进行二维运动，并在乙烯基泳池两端架设三脚架，从正上方拍摄其运动情况，并在中心悬挂一个带小型相机的方框。描述了原型机动性速度提升的验证测试结果。图5中的图表显示了各条操作轨迹的结果。该图是以部件为原点的xy坐标图。

从图中可以看出，所提出的推进装置能够按照轨迹路径移动，并按预期控制运行。

直行轨迹 (B) 转弯轨迹)

IV. 结论

本文介绍了一种可控制运动的划桨式推进装置，重点研究了虾类划水的相位差对推进力提升的影响。为了验证所提出的划桨式推进装置的机动性，我们利用开发的原型进行了操作实验，包括二维运动轨迹分析和推进力测量，并评估了该推进方法的有效性。实验还验证了虾的游泳运动中的相位差在提高推进力方面的有效性。仿虾机器人可在图像处理应用领域发挥作用，如水生动物的图像识别、目标检测以及海底水下状况的观测。未来，我们计划将三维要素引入研究内容，并将其发展为可在水下作业的推进装置。