Разработка автономного подводного робота-рыбы с биомиметическими движениями

Исследование водных пространств Земли — следующая крупная задача, стоящая перед человечеством. С развитием технологического прогресса люди больше стали опираться на технологии, что позволяет уменьшить риски, а также увеличить эффективность процесса исследования. Подводные робототехнические комплексы встречаются нам не так часто по сравнению с наземными или воздушными системами, такими как мультироторные летательные аппараты или вездеходные мобильные гусеничные платформы с манипуляторами, так как их применение более понятно рядовому пользователю, и разработка и изготовление вышеупомянутых систем в разы проще и дешевле относительно подводных аппаратов. Несмотря на это люди занимаются научными наблюдениями за подводными обитателями и их техникой движения в жидкости с середины XX в. Например, в I960 г. М.Дж. Лайтхилл опубликовал свою работу по изучению механики и эффективности движения рыб [1]. В течение последующих десяти лет было опубликовано множество научных трудов, посвящённых теории плавания водных животных. Впоследствии на основе результатов М.Дж. Лайтхилла по описанию движения рыб были получены аналитические выражения для оценки силы тяги в случае тел бесконечно малой и конечной толщины профиля.

По результатам данной и последующих статей планируется разработка и изготовление опытного образца биомиметического робота рыбы, способного с достаточной точностью имитировать движение реально существующих животных, а также перемещаться под водой со схожей эффективностью, как у живых образцов. Однозначно сложность работы заключается не только в фундаментальных вопросах гидродинамики и обтекания тел сложной формы в неидеальных жидкостях, но и в физическом воплощении данного устройства. Планируется обеспечить удаленное управление и автономность данного робототехнического комплекса, что в условиях его эксплуатации в пресной или соленой воде вызывает огромное количество дополнительных задач для решения, начиная от герметизации всей конструкции с сохранением необходимой подвижности тела робота, продолжая вопросами приема-передачи данных для управления и навигации сквозь толщу воды.

Изучим возможную форму корпуса робота. Для первичного исследования было принято решение отказаться от трехмерного случая и свести проблематику до решения двумерного обтекания корпуса. Это позволит проводить аналитические исследования оптимальной формы тела робота. Подробностям аналитического получения формы корпуса и последующим ее исследованиям будет посвящена одна из будущих публикаций. Согласно вышеуказанным предположениям формой прототипа является прямой цилиндр, в основании которого лежит один из профилей Жуковского.

Рассмотрим отображение дуги на окружность [2]:

/ ш — а \ ² ш + а

z — а

, z + а

которое позволяет получить целый класс профилей, напоминающих профиль крыла, предложенных Н.Е. Жуковским [3]. Соответствующее прямое и обратное отображения имеют вид

статком не обладает модифицированное преобразование Жуковского [2]:

z = ш + —, ш

Рис. 1. Схематичное изображение конформного отображения окружности в симметричный профиль Жуковского

Построим с помощью данного отображения (3) симметричный профиль Жуковского с кромкой [4]. Выберем окружность радиуса R так, чтобы ее центр лежал на вещественной оси, внутри окружности должна быть точка (а; 0), а точка (—а; 0) должна принадлежать этой окружности (рис. 1, слева). Уравнение такой окружности можно записать в виде

(£ — (R — а)) + г/² = R.

Введя обозначения z = х + iy, ш = £ + iy, получим для (3) выражение для хну через £ II у:

х + iy = (£ + iy) +

(£ + iy) ’

откуда, разделяя вещественную и мнимую части, а также исключив у, можем записать выражение искомого профиля Жуковского (рис. 1, справа):

^{Х £ +} £2 — R² + (£ + а — R)²

V R² — (£ + а — R) — R² + (£ + а — R) ’

,—=----------------—   а2

У = ±^R — (£ + а — R)² ф т^- ^£2

где а - характеризует длину профиля, а А =--толщину профиля. Решение этой дву-а мерной задачи выявит обтекаемую форму будущего устройства и позволит наглядно рассмотреть движение потоков неидеальной жидкости в слоях, близких к водяной глади.

Следующим принципиальным вопросом построения нашего подводного аппарата является способ расположения движителей внутри тела робота. Доступно два основных принципа создания подобных гибких конструкций:

• 1)    движители располагаются внутри головного сегмента гибкой конструкции и изменяют положение последующих сегментов при помощи системы тросов, шарниров и натяжителей [5];

3.    Компоновка компонентов внутри тела робота

Первый принцип конструкции значительно облегчит решение проблемы герметизации и защиты всей электроники, так как все необходимые к изоляции элементы будут находиться в одном объеме тела робота, но данное конструктивное решение значительно усложнит меха-ническуто составлятощуто конструкции, а также дает ограничение в свободе изгиба каждого сегмента по отдельности (например создания 5-образного профиля). Второй принцип же добавит сложностей с герметизацией, но при этом позволит сократить ширину тела робота ввиду использования движителей общего типа размера, а также откроет возможность исследовать С-образные и 5-образные режимы изгибания тела робота.

Таким образом, мы перешли к проектированию основного скелета будущего подводного устройства. Планируется наличие четырех сегментов робота, в головной части необходимо выделить основной отсек для управляющей электроники и аккумулятора, при такой компоновке упрощается вопрос защиты логической и силовой электроники от внешнего попадания воды внутрь тела робота.

Рис. 2. Компоновка несущего каркаса робота

Для реализации компоновочных решений необходимо определиться с выбором основных электронных компонентов, входящих в конструкцию робота.

• 1)    Микроконтроллер. Предпочтительным выбором стал STM32, а именно STM32L432KC6U как обеспечивающий достаточную надежность и вычислительную мощность для возможного масштабирования функционала системы. Отдельным плюсом можно выделить возможность установить данный МК в виде отладочной платы NUCLEO-L432KC для гибкого подключения модулей.

• 2)    Движители. Поскольку для реализации управления многосегментной конструкцией необходима достаточная точность и крутящий момент, а также нет необходимости в постоянном вращении, наш выбор пал на сервоприводы. Сервопривод, установленный на первый сегмент тела робота, будет испытывать повышенную нагрузку, так как на его выходном валу будет переменная нагрузка от всех последующих звеньев скелета робота, сервопривод MS-1.3-9 удовлетворяет данному запросу (крутящий момент 13 Н* см и рабочее напряжение 5V). Для последующих звеньев оптимальным будет использование сервоприводов ES9251, они обладают меньшим крутящим моментом (3 Н* см) при равном рабочем напряжении, но и сравнительно меньшими габаритами, что позволит комфортно уместить их в сужающийся корпус прототипа.

• 3)    Аккумулятор. В качестве элемента автономного питания был выбран Li-Po аккумулятор на 7.4 В и 160 мАч. При таких характеристиках и выше выбранных сервоприводах

его емкости теоретически хватит на 10 мин автономной работы. Учитывая малый вес самого аккумулятора (13 г), данный выбор является оптимальным для проведения экспериментов по работоспособности прототипа.

• 4)    Стабилизатор питания. Поскольку выходное напряжение аккумулятора может изменяться от 6.4 до 8.4 В в зависимости от уровня заряда, а микроконтроллер и сервоприводы чувствительны к изменению напряжения и не рекомендуется их эксплуатация при подаче напряжения свыше 5 В, то нам необходимо стабилизировать питание от аккумулятора. Преобразователь AMS 1117 способен выдавать стабильное напряжение 5 В и выходной ток до 750 мА, что делает его подходящим для нашей задачи. Первым этапом проектирования будет разработка отсека под электронику в головной части робота (далее первый сегмент рис. 2). Также на первом сегменте должно располагаться пространство для крепления сервопривода MS-1.3-9, который будет приводить в движение последующие три сегмента тела робота. Первичная форма первого сегмента дает нам понимание минимальной ширины обтекаемого профиля для внешнего корпуса нашего прототипа.

Рис. 3. А - первый сегмент; Б, В, Г - сегменты хвоста робота

a

Рис. 4. Профиль робота-рыбы с расположенной внутри проекцией основного блока

Имея расположение первого сегмента внутри предполагаемого профиля, мы смогли продолжить проектирование следующих сегментов скелета робота с установленными в них точках крепления сервоприводов ES9251. Таким образом мы получили ЗВ-модели составных деталей конструкции прототипа.

4.    Изготовление опытного образца

При изготовлении прототипа подводного мобильного устройства использовались аддитивные технологии ввиду их достаточной точности и вариативности свойств материалов, доступных для производства. Поскольку наша конструкция робота чувствительна к точности производства, при печати сегментов скелета робота использовалась технология печати SLS (англ, stereolithography) [8]. Данный метод печати использует в качестве материала жидкую фотополимерную смолу, которая застывает при воздействии ультрафиолетового излучения, особую точность производства придает рабочий инструмент принтера в виде источника лазерного излучения с длиной волны 405 нм и диаметром сфокусированного пучка лазера порядка 85 мкм, толщина слоя при данном методе наращивания детали составляет 25 мкм. Таким образом, изготовленные этим методом детали имеют отличную гладкость поверхности и практически не нуждаются в дополнительной абразивной обработке.

Рис. 5. Гибкие детали обтекателей хвоста робота

Рис. 6. Промежуточный этап сборки опытного абразца

Поскольку ввиду особенности конструкции прототипа, его хвост должен изгибаться, но при этом держать жесткую форму, необходимо было использовать методы изготовления деталей из полимеров средней жесткости. В данном случае FDM-печать позволяет использовать гибкие полимеры, такие как TPU. В нашем случае использовался BFlex, который обладает модулем упругости 970 кг/см2, и достаточно мягкий, чтобы не мешать сервоприводам изгибать хвостовую часть робота. Однако из-за малой толщины хвостового кожуха робота и особенности печати с использованием подобных материалов хвостовой кожух пришлось печатать двумя раздельными деталями и склевать на скелете робота по месту.

После изготовления основных деталей конструкции робота, прокладки всей необходимой проводки и сборки все электрические компоненты подверглись обработке диэлектрическим лаком для плат, а также были покрыты силиконовым составом во избежание соприкосновения контактов электроники с проводящей жидкостью (рис. 5). Такое решение позволит безопасно проводить лабораторные испытания прототипа. Поскольку у данного прототипа не предусмотрен механизм изменения плавучести, была проведена дополнительная балансировка массы путем добавления дополнительных грузов в полости скелета робота. Таким способом была достигнута нейтральная плавучесть конструкции, которая позволяет производить дальнейшие испытания в течение неограниченного времени.

5.    Заключение

В качестве результата был разработан и изготовлен прототип четырехсегментного биомиметического робота рыбы с возможностью отдельного управления каждым отдельным сегментом. Основными параметрами прототипа являются:

• •    длина 242 мм;

• •    ширина 33 мм;

• •    высота 46 мм;

• •    масса 202 г;

• •    емкость аккумулятора 160 мАч.

По результатам данной работы будут проводиться натурные эксперименты для сравнения теоретических расчетов и гипотез с реальной эксплуатацией аппарата с целью дальнейшей модернизации робота. В перспективе исследований перейти от двухмерного случая обтекания жидкости к трехмерному, добавить возможность перемещения робота по третьей оси путем добавления плавников или изменения плавучести конструкции.