2011年--（節(jié)選）外文翻譯--仿生海龜翼的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)（譯文）

1、<p><b>　　中文5000字</b></p><p>　　出處：Font D, Tresanchez M, Siegentahler C, et al. Design and Implementation of a Biomimetic Turtle Hydrofoil for an Autonomous Underwater Vehicle[J]. Sensors, 201

2、1, 11(12):11168-87.</p><p>　　仿生海龜翼的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)</p><p>　　Davinia Font 1, Marcel Tresanchez 1, Cedric Siegentahler 2, Tomàs Pallejà 1, Mercè Teixidó 1,Cedric Pradalier 2 and Jordi Pa

3、lacin 1,*</p><p>　　Received: 20 October 2011; in revised form: 16 November 2011 / Accepted: 22 November 2011 /</p><p>　　Published: 28 November 2011</p><p>　　摘要：這篇論文提出了一種設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，它針對的

4、是AUV水下無人潛航的仿生海龜翼。AUV的最終設(shè)計(jì)必須要像海龜一樣運(yùn)動(dòng)，對于水翼和仿生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要一定的仿生靈感。水翼的設(shè)計(jì)是基于國家航空咨詢委員會（NACA）0014水動(dòng)力翼形的研究。在設(shè)計(jì)過程中，考慮到推進(jìn)的路徑、緊湊度、密封和需要的能源，比較了4種不同的推進(jìn)系統(tǒng)。最終的實(shí)現(xiàn)是基于一種球窩機(jī)構(gòu)，因?yàn)檫@種機(jī)構(gòu)非常緊湊，并且能夠?yàn)樗硖峁?個(gè)自由度（DoF），其在推進(jìn)路徑方面幾乎沒有阻力。通過水翼獲得的推進(jìn)應(yīng)該憑經(jīng)驗(yàn)在水道中進(jìn)行評價(jià)

5、，來比較不同的運(yùn)動(dòng)策略。結(jié)果表明，提出的這種通過一種3自由度機(jī)構(gòu)控制的海龜水翼可以應(yīng)用在未來的AUV的實(shí)現(xiàn)中。</p><p>　　關(guān)鍵詞：AUV；自由度；海龜運(yùn)動(dòng)；推進(jìn)系統(tǒng)</p><p><b>　?、?、介紹</b></p><p>　　水下自動(dòng)潛航器（AUV）是一種在水下工作的機(jī)器人裝置，它通過船上的電腦進(jìn)行控制。AUV相對于有人駕駛水

6、下潛航器（MUV）的主要優(yōu)點(diǎn)是，AUV的尺寸小、成本低，因?yàn)椴恍枰獢y帶人和生命支持系統(tǒng)，因此工作的時(shí)間主要取決于電池的壽命。關(guān)于AUV有許多的研究，商業(yè)和軍事上的應(yīng)用。最早的AUV之一，被稱為特殊目的的水下研究載具（SRURV），是在1957年，華盛頓大學(xué)的應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的，被用來研究擴(kuò)散、聲傳播和潛艇尾跡。最近，特殊傳感器的搭載，增強(qiáng)了AUV在不同應(yīng)用環(huán)境下的能力，例如生物學(xué)的應(yīng)用研究、水道測量學(xué)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)和海洋地理學(xué)，同時(shí)應(yīng)用

7、在詳細(xì)繪制海床的海底拓?fù)涞貓D方面，研究深海浮游生物，考慮布雷對策，港口的保護(hù)方面，補(bǔ)充水聲網(wǎng)絡(luò)，并且還可以來探測化羽的源位置。</p><p>　　大部分常規(guī)的AUV推進(jìn)系統(tǒng)都是基于螺旋槳的，但是這在一些領(lǐng)域并不是明智的解決方案，例如低流量的環(huán)境，密閉的空間，水平面的附近和不定長的海流中。而水翼是一種天然可選擇的推進(jìn)系統(tǒng)，最近也經(jīng)常被人們所考慮，因?yàn)樗\(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)過程有著更少的噪音，較好的靈活性和非常高的可操作

8、性。這篇論文中，我們提出了一種AUV推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式，它是通過仿生基于海龜?shù)耐七M(jìn)。</p><p><b>　　1.1生物背景</b></p><p>　　海龜解剖學(xué)是這篇論文仿生靈感的來源。海龜?shù)凝斠?，也被稱作鰭或前肢，這是海龜主要的動(dòng)力源。海龜龜翼的主要特點(diǎn)是，肱骨及其半徑非常薄，但不是很長，然而它的趾骨相比較而言非常地長。這些特征形成了一種流線型的水翼，

9、適應(yīng)于高效地游泳，因?yàn)樗档土怂韯?dòng)態(tài)漩渦的限制。另外，海龜?shù)念^部也可以根據(jù)導(dǎo)航的路徑來調(diào)整其方向來減少前進(jìn)的阻力。</p><p>　　海龜?shù)奈灰?，在完成一個(gè)特定軌跡的時(shí)候，是由于在兩側(cè)橫翼產(chǎn)生的推力。根據(jù)海龜?shù)姆N類不同，龜翼的軌跡也會有所變化。淡水龜?shù)倪\(yùn)動(dòng)取決于拍打后由于阻力而產(chǎn)生的推力，并且每條腿都遵循著一個(gè)類似橢圓形的軌跡。海龜?shù)凝斠淼能壽E像圖（b）中所示，既有阻力也有升力。在這種情況下，龜翼的運(yùn)動(dòng)路徑被

10、分為4個(gè)不同的階段，分別叫做下行程、旋前運(yùn)動(dòng)、上行程和旋后運(yùn)動(dòng)。下行程和上行程階段是最重要的，然而旋前運(yùn)動(dòng)和旋后運(yùn)動(dòng)僅僅是通過較少的阻力來關(guān)閉運(yùn)動(dòng)周期。</p><p><b>　　1.2論文的價(jià)值</b></p><p>　　這個(gè)項(xiàng)目是一個(gè)更大項(xiàng)目的一部分，是在屬于Eidgenössische理工學(xué)院（ETH）的自治實(shí)驗(yàn)室（ASL）的發(fā)展項(xiàng)目之下，最終的目

11、標(biāo)是來發(fā)展一款使用龜翼推進(jìn)的仿海龜AUV。</p><p>　　為了這個(gè)目的，這項(xiàng)工作提出了AUV的龜翼和推進(jìn)系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式，并考慮了最終的龜翼模型需要搭載到一個(gè)1m長的機(jī)器人上面，需要在10m的海水中進(jìn)行工作。在AUV水下評價(jià)的過程中，假設(shè)最大的海水流速為1m/s，并且龜翼的線性尺寸0.1m，這就決定了雷諾常數(shù)為112359。在這個(gè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，水翼的水動(dòng)力配置選擇國家航空咨詢委員會（NACA）001

12、4，因?yàn)槠淇梢蕴峁╆P(guān)于雷諾常數(shù)在升力和阻力之間的最好聯(lián)系。使用類似的方法，這個(gè)配置曾經(jīng)被應(yīng)用來提高AUV的機(jī)動(dòng)性。</p><p>　　推進(jìn)路徑的選擇是由于海龜?shù)姆律`感，本文也將采用8字形的方式，來在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，產(chǎn)生最大的推力。提出的這種機(jī)構(gòu)是基于球窩機(jī)構(gòu)來產(chǎn)生水翼的運(yùn)動(dòng)軌跡，球窩機(jī)構(gòu)有3個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)上的任何推進(jìn)軌跡。在水道中，對于多種推進(jìn)路徑進(jìn)行了測試，目的是優(yōu)化產(chǎn)生的推力。提出的推進(jìn)系統(tǒng)將

13、在未來的仿海龜AUV設(shè)計(jì)中使用。未來這種AUV不同部分的外觀比例也將參照海龜?shù)母鱾€(gè)組成部分。</p><p><b>　　1.3相關(guān)的工作</b></p><p>　　AUV的研究通過商業(yè)、軍事和研究領(lǐng)域正在一步步推進(jìn)。一些例子是Slocum[21,22]的，是基于一種浮力引擎和Ictineu[23]的結(jié)構(gòu)，使用了螺旋推進(jìn)器來作為推力系統(tǒng)。在[21]的提議中，使用Sl

14、ocum作為一種熱滑翔機(jī)，利用機(jī)器發(fā)動(dòng)機(jī)和海洋溫度的溫度梯度產(chǎn)生的熱流來作為推力。這種情況下，通過移動(dòng)內(nèi)部物體來控制俯仰和翻轉(zhuǎn)，并且由翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏航和航向通過水動(dòng)力偏航時(shí)刻來控制。[22]提議使用一種電動(dòng)滑翔機(jī)來改變自己的重量，它的基礎(chǔ)是一種機(jī)電位移驅(qū)動(dòng)器。在這種情況下，翻轉(zhuǎn)動(dòng)作通過滑翔機(jī)的中心位置來設(shè)定，俯仰則是靠移動(dòng)內(nèi)部重量。偏航和航向則是通過安裝在滑翔機(jī)上的垂直尾翼分別控制。在[23]的例子，是由Girona大學(xué)開發(fā)的方案。AUV

15、原型是為了完成以下幾個(gè)目標(biāo)：從發(fā)射/釋放點(diǎn)移動(dòng)機(jī)器人，通過一道3×4米的驗(yàn)證門進(jìn)行傳遞，定位一個(gè)水池底部的十字標(biāo)并且拔掉上面的標(biāo)記，定位中度水深的目標(biāo)。</p><p>　　其他的AUV機(jī)器人，例如Finnegan[14]，Madeleine[24]，AQUA[25]和NTU海龜機(jī)器人[26]都是使用水翼作為推進(jìn)系統(tǒng)以提升機(jī)動(dòng)性。Finnegan是由麻省理工學(xué)院海洋工程系船模試驗(yàn)開發(fā)的機(jī)器人，它使用了四

16、個(gè)對稱分布在機(jī)器人的每一邊的鰭來產(chǎn)生推力。每一個(gè)鰭通過一對制動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)無約束的俯仰運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)研究的主要目標(biāo)是來提高AUV的機(jī)動(dòng)性，同時(shí)提高控制六自由度運(yùn)動(dòng)的敏捷性。Madeleine是2005年在3方的研究機(jī)構(gòu)合作下產(chǎn)生的，它們是自游生物研究，蒙特雷灣水族館研究所和瓦薩學(xué)院。就像Finnegan一樣，Madeline使用4個(gè)鰭，但是每一個(gè)鰭通過單個(gè)制動(dòng)器來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是來預(yù)測有效的鰭的俯仰運(yùn)動(dòng)，并且建立一個(gè)可以測試

17、鰭的運(yùn)動(dòng)的平臺。AQUA是麥吉爾大學(xué)和紐約大學(xué)合作的結(jié)果。這個(gè)機(jī)器人可以使用6條腿來游泳和走路，這取決于機(jī)器人的功能。這個(gè)機(jī)器人運(yùn)用了大量的傳感器來在需要很大自治性的應(yīng)用中完成一些列任務(wù)。NTU海龜機(jī)器人是由南陽科技大學(xué)開發(fā)的。這個(gè)機(jī)器人通過兩個(gè)前肢可以游泳，這兩個(gè)前四肢通過2個(gè)制動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)，它的兩個(gè)后肢是用來掌舵的。最后，[</p><p><b>　　2.材料和方法</b></p&

18、gt;<p>　　完成我們提出的方案的材料和方法可以分為CAD設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)和控制，水通道和儀器儀表。</p><p><b>　　2.1CAD設(shè)計(jì)</b></p><p>　　工作中的不同階段通過使用不同的CAD項(xiàng)目來解決。JavaFoil平臺可以研究所選擇的水力翼型的特點(diǎn)，這樣可以明白它是怎么樣工作的，并且有助于理解其在流體和結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的影響。提取出來的

19、最重要的信息是估計(jì)的迎角，升力、阻力和動(dòng)力系數(shù)，這樣可以進(jìn)行機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)和水動(dòng)力計(jì)算。這個(gè)項(xiàng)目的潛在流體分析是一種線性渦量分布。考慮到翼型坐標(biāo)，計(jì)算了在任何想要的攻角下的沿著機(jī)翼表面的局部和非粘性流速。首先計(jì)算分布在機(jī)翼表面的速度，表面可以集成得到升力和力矩系數(shù)。然后計(jì)算了靠近機(jī)翼表面的流體運(yùn)行狀況，這可以用來計(jì)算水翼的阻力。以上兩個(gè)步驟需要根據(jù)給出的攻角的變化進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，攻角對于一個(gè)固定的雷諾數(shù)來說會產(chǎn)生水翼的一個(gè)完整的極。通過對沿

20、著海龜路徑的推進(jìn)系統(tǒng)的3個(gè)有代表性的位置進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析和預(yù)測海龜每次的相對速度，可以估計(jì)水動(dòng)力。</p><p>　　在2D設(shè)計(jì)仿真的過程中我們通過Working Model公司（設(shè)計(jì)仿真技術(shù)有限公司，坎墩，MI，美國）來預(yù)測電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。使用NX6和AutoCAD2010來進(jìn)行機(jī)械部分的設(shè)計(jì)。使用ANSYS Workbench11來仿真每個(gè)組件的最大等效·馮·米賽斯應(yīng)力和變形，已確定在水力槽

21、中每個(gè)部分是否有足夠的強(qiáng)度來承受應(yīng)力。使用Maple和Matlab軟件進(jìn)行計(jì)算，解決系統(tǒng)方程式，并且模擬在電機(jī)應(yīng)用控制序列的情況下，它的推進(jìn)路徑軌跡。</p><p><b>　　2.2運(yùn)動(dòng)和控制</b></p><p>　　從經(jīng)驗(yàn)來看，海龜水翼的機(jī)械運(yùn)動(dòng)是實(shí)用Maxon EC 22 50W/167129（瑞典Maxon公司）直流電機(jī)，它的參數(shù)是32V，2.82A，5

22、0W，37.2mNm，轉(zhuǎn)速為20200rpm，組合使用一套驅(qū)動(dòng)器GP 32C 190:1。通過一個(gè)光學(xué)編碼器（MR Encoder 128 CPT）來提供電機(jī)的反饋，編碼器每個(gè)循環(huán)有2個(gè)128計(jì)數(shù)的通道和一個(gè)參照通道。</p><p>　　電機(jī)的絕對角位置是通過使用3個(gè)EPOS 24/5來控制。預(yù)定義的軌跡上的兩個(gè)角位置之間電機(jī)的速度控制在10000rpm。角位置的序列通過實(shí)用常用的控制軟件Matlab和C++編

23、寫而成。應(yīng)用于電機(jī)的時(shí)間和角度序列通過使用Matlab編寫的仿真獲得，仿真了水翼和推進(jìn)系統(tǒng)在3自由度空間中的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)空間取決于應(yīng)用于電機(jī)的角位置序列。</p><p><b>　　2.3水道</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)是在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院中的循環(huán)水道中進(jìn)行的，這個(gè)水道長2.5米，寬0.45米，深0.64米，其中水的深度為0.4米。在實(shí)驗(yàn)階段，把水翼和推進(jìn)系統(tǒng)

24、放置在水道的中央，這樣就可以有足夠大的空間，不會與墻壁碰撞。</p><p><b>　　2.4儀器儀表</b></p><p>　　水道中水的速度通過設(shè)置在不同位置的基于MiniWater 6 Micro Schidknecht的螺旋流速計(jì)進(jìn)行測量的。設(shè)備測量的水流速從0.5m/s到20m/s，精度為 1.0%fs，沒有考慮壓力，溫度，密度和濕度。傳感器的使用需要提

25、供9到26V的電源，并且它的工作范圍對于電器來說-10到+80℃，對于探針來說-10到+140℃。</p><p>　　3.海龜水翼的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)</p><p>　　這一部分主要討論了海龜水翼水動(dòng)力配置的仿生設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式。</p><p>　　在液體中的每一個(gè)水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)中，都會收到阻力D和升力L，以及力矩M的影響（圖2）。升力定義為水動(dòng)力垂直于液體方向的總和，然而

26、阻力是阻擋液體方向平行于液體方向的力。所有這些力定義在翼弦25%的樞軸點(diǎn)上。等式（1）表示了計(jì)算這些力的公式，可以看出力取決于水動(dòng)力的配置，以及液體的特征。</p><p>　　其中V是物體相對于液體的速度； 是液體的密度；C是翼弦； 和 是升力，阻力和動(dòng)力系數(shù)，S是水翼器的表面積。這個(gè)表面是通過計(jì)算弦b乘以水翼的長度，因?yàn)榭梢詰?yīng)用薄項(xiàng)的相關(guān)配置。</p><p>　　海龜水翼的水動(dòng)力配置

27、文件我們選擇NACA 0014（圖2），在仿真中加載JavaFoil，它通過恒定的雷諾數(shù)（Re）提供了升力與阻力之間最好的關(guān)系。這個(gè)可以通過下式計(jì)算：</p><p>　　其中 是液體的密度；V是液體的速度；L是線性空間的情況； 是液體的動(dòng)力粘度。</p><p>　　決定海龜水翼方向的最重要的參數(shù)是攻角（ ），當(dāng)升力除以阻力的系數(shù)（L/D）最大的時(shí)候攻角是最優(yōu)化的。在這個(gè)實(shí)例中，機(jī)器人的

28、速度是1m/s，0.1m作為水動(dòng)力配置的特征線性空間，雷諾數(shù)取常數(shù)為112359，通過JavaFoil估計(jì)的最優(yōu)化攻角為8°。這個(gè)數(shù)值將會在水道中進(jìn)行驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。</p><p>　　應(yīng)用在靜態(tài)機(jī)構(gòu)分析，變形分析和最大等效應(yīng)力分析的水動(dòng)力值將沿著海龜水翼的8字形來進(jìn)行計(jì)算。圖3買書了在海龜水翼3個(gè)關(guān)鍵位置的模型</p><p>　　就一般情況而言，外形通過攻角的描述來進(jìn)行定義

29、。當(dāng)相對于水的速度更高或者鰭通過方程式（1）考慮的尖端估計(jì)力，這些情況是最不利的。升力，阻力和動(dòng)力分別是7.09N，0.17N和-9.3mNm。盡管升力和阻力系數(shù)很大程度上趨向于更高，對于這個(gè)項(xiàng)目來說雷諾數(shù)是混合的，因?yàn)锳UV機(jī)器人的操作規(guī)范決定了。</p><p>　　3.2 CAD設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式</p><p>　　水翼的設(shè)計(jì)是通過NACA 0014利用一個(gè)100mm的特征線性空間和一

30、個(gè)長度為307mm的輪廓定義的，因此長寬比為3.07。水翼的功能模型將使用FullCure 720材料，利用快速成型技術(shù)制作，把鰭分成兩部分，搭配成一個(gè)獨(dú)特的元素。水翼的內(nèi)部被設(shè)計(jì)成稀疏的結(jié)構(gòu)，以減小它的重量。利用Ansys Workbench 11來證明水翼擁有一個(gè)最小的重量和足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以支撐其在組裝過程中不會損壞。適應(yīng)這兩個(gè)目標(biāo)的最好的方法就是設(shè)置縱向條結(jié)構(gòu)，分別位于距離鰭與機(jī)構(gòu)的結(jié)合處58，99.7，141.4，183.1，

31、224.8，266.5mm的地方，并且橫條位于距離鰭的右部分9.8，37.1，59.3，71.9mm的位置。兩種情況下的條寬均為2.8mm。圖4（a）像我們展示了水翼的馮·米塞斯應(yīng)力，最大值為55MPa，低于使用材料的許用應(yīng)力。圖4（b）展示了快速制造的模型。結(jié)果為此次設(shè)計(jì)在組裝過程中不會出現(xiàn)破壞提供了有理的支持。</p><p><b>　　4.水翼推進(jìn)機(jī)構(gòu)</b></p&

32、gt;<p>　　這部分工作，考慮了四種可替代的水翼推進(jìn)機(jī)構(gòu)：四桿機(jī)構(gòu)，差動(dòng)機(jī)構(gòu)，窩機(jī)構(gòu)和滑輪機(jī)構(gòu)。對這些機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析和比較，希望得到AUV設(shè)計(jì)的最佳系統(tǒng)。最終的機(jī)構(gòu)會設(shè)計(jì)并制作，在水道中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。</p><p><b>　　4.1四桿機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　四桿機(jī)構(gòu)[圖5(a)]有2個(gè)自由度，和4個(gè)由兩個(gè)聯(lián)系的電機(jī)控制的約束[M1&a

33、mp;M2:Figure 5(a)]，電機(jī)位于混合部分的內(nèi)部。水翼與另外一個(gè)位于b桿中間點(diǎn)的電機(jī)相連，以改變攻角[M3:figure5(a)]。最重要的特點(diǎn)是b桿中點(diǎn)的軌跡是一個(gè)8字形的。路徑的真服取決于桿之間的桿長關(guān)系。這個(gè)機(jī)構(gòu)存在4個(gè)奇異點(diǎn)，當(dāng)機(jī)構(gòu)輸入桿角度和輸出桿相對于b桿的角度為45°和-45°的時(shí)候會出現(xiàn)。在這些情況下，機(jī)構(gòu)會處于一種限制狀態(tài)，這種狀態(tài)下無法確定最終的運(yùn)動(dòng)。因此，這種情況下，進(jìn)行控制的兩個(gè)聯(lián)

34、系的電機(jī)必須正確地運(yùn)行以避免機(jī)構(gòu)中的死點(diǎn)情況。</p><p><b>　　4.2窩機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　窩機(jī)構(gòu)[Figure 5(b)]有3個(gè)自由度，通過位于機(jī)構(gòu)內(nèi)部的3個(gè)電機(jī)提供，可以實(shí)現(xiàn)海龜水翼的任意推進(jìn)路徑。這種情況下，水平面的運(yùn)動(dòng)通過M1控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)，電機(jī)M2控制垂直面的運(yùn)動(dòng)，M3控制水翼的攻角。這個(gè)設(shè)計(jì)非常的緊湊有效，可以容易地裝華為AUV的結(jié)