日期：2026-09-27　　阅读()　　发布：小编

　　本发明提出了一种基于超灵敏致动器的仿生水下机器人，属于仿生机器人领域技术领域。解决了如何设计一种软致动器优异的机械柔顺性使其有可能实现高效节能的仿生机器人的问题。该仿生水下机器人的3D打印鱼类仿生外壳形状如鱼，3D打印鱼类仿生外壳内为空心结构，3D打印鱼类仿生外壳尾部设置有尾部模型，尾部模型包括尾部无磁性材料和磁致动器，3D打印鱼类仿生外壳尾部依次连接磁致动器和尾部无磁性材料，磁致动器驱动尾部无磁性材料摆动。本发明的仿生设计可以实现水下致动器高效游动，可实现高性能的水下机器人技术，助力新一代节能

　　(19)国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 117002707 A (43)申请公布日 2023.11.07 (21)申请号 4.8 (22)申请日 2023.08.21 (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 陈文礼塔伊尔江 ·图尔荪托合提 (74)专利代理机构 哈尔滨市阳光惠远知识产权 代理有限公司 23211 专利代理师 韩丽娜 (51)Int.Cl. B63C 11/52 (2006.01) B63H 1/36 (2006.01) B33Y 80/00 (2015.01) B33Y 70/00 (2020.01) 权利要求书1页 说明书6页 附图6页 (54)发明名称 一种基于超灵敏致动器的仿生水下机器人 (57)摘要 本发明提出了一种基于超灵敏致动器的仿 生水下机器人，属于仿生机器人领域技术领域。 解决了如何设计一种软致动器优异的机械柔顺 性使其有可能实现高效节能的仿生机器人的问 题。该仿生水下机器人的3D打印鱼类仿生外壳形 状如鱼，3D打印鱼类仿生外壳内为空心结构，3D 打印鱼类仿生外壳尾部设置有尾部模型，尾部模 型包括尾部无磁性材料和磁致动器，3D打印鱼类 仿生外壳尾部依次连接磁致动器和尾部无磁性 材料，磁致动器驱动尾部无磁性材料摆动。本发 明的仿生设计可以实现水下致动器高效游动，可 实现高性能的水下机器人技术 ，助力新一代节 A 能、绿色机器人技术的实现。 7 0 7 2 0 0 7 1 1 N C CN 117002707 A 权利要求书 1/1页 1.一种基于超灵敏致动器的仿生水下机器人，其特征在于：包括空心结构(1)、3D打印 鱼类仿生外壳(2)和尾部模型(3)，所述3D打印鱼类仿生外壳(2)形状如鱼，所述3D打印鱼类 仿生外壳(2)内为空心结构(1)，所述3D打印鱼类仿生外壳(2)尾部设置有尾部模型(3)，所 述尾部模型(3)包括尾部无磁性材料(4)和磁致动器(5)，所述3D打印鱼类仿生外壳(2)尾部 依次连接磁致动器(5)和尾部无磁性材料(4)，所述磁致动器(5)驱动尾部无磁性材料(4)摆 动。 2.根据权利要求1所述的基于超灵敏致动器的仿生水下机器人，其特征在于：所述磁致 动器(5)由外磁场进行控制其摆动。 3.根据权利要求1所述的基于超灵敏致动器的仿生水下机器人，其特征在于：所述磁致 动器(5)的有效工作带宽为0‑7Hz。 4.根据权利要求1所述的基于超灵敏致动器的仿生水下机器人，其特征在于：所述尾部 模型(3)在扇动过程中与尾流域液体相互作用，对生物体产生推力，并产生漩涡脱落。 5.根据权利要求1所述的基于超灵敏致动器的仿生水下机器人，其特征在于：所述磁致 动器(5)在磁场幅值为10Gs，频率为1Hz时，弗劳德效率η为63.26％。 6.根据权利要求1所述的基于超灵敏致动器的仿生水下机器人，其特征在于：所述磁致 动器(5)的雷诺数Re为1.60*10^6，无量纲游泳数Sw为5.30*10^3。 7.根据权利要求1所述的基于超灵敏致动器的仿生水下机器人，其特征在于：所述磁致 动器(5)的斯托拉哈数St数≥0.39。 8.根据权利要求1所述的基于超灵敏致动器的仿生水下机器人，其特征在于：所述3D打 印鱼类仿生外壳(2)壁厚1mm。 9.根据权利要求1所述的基于超灵敏致动器的仿生水下机器人，其特征在于：所述3D打 印鱼类仿生外壳(2)采用树脂材料。 10.根据权利要求1所述的基于超灵敏致动器的仿生水下机器人，其特征在于：所述尾 部模型(3)采用磁感应材料。 2 2 CN 117002707 A 说明书 1/6页 一种基于超灵敏致动器的仿生水下机器人 技术领域 [0001] 本发明属于仿生机器人领域技术领域，特别是涉及一种基于超灵敏致动器的仿生 水下机器人。 背景技术 [0002] 在自然界中，水下生物游动形式多种多样，水母、金鱼和电鳗都有着截然不同的运 动形式，早在1969年Lighthill和动物学同行一起对二十个类别的水生动物推进方式进行 调查发现，其中鱼类主流的推进方式为波浪式运动，即从头到尾沿着身体向后传播的横向 波浪，如图3左(动物们的图)小到鞭毛单细胞、线虫等微小生物，大到金鱼、鲸鲨等都采用波 动模式进行运动，说明这种推进方法及其各种改进方法在高和低雷诺数下都能够实现运 动。 [0003] 执行器是机器人的重要部件，在工业生产、运输和医疗应用中无处不在。致动器通 常指的是硬致动器，主要通过液压装置或电机实现变形。随着机器人技术的成熟和机器人 与人类之间日益密切的互动，对执行器提出了新的要求。特别是这些致动器必须确保与人 类互动时过程的安全性。因此，出现了一种由柔性智能材料设计的新型致动器，称为软致动 器。软致动器具有优异的机械柔顺性，这提供了确保机器人和人类之间安全互动的优势，并 且在模仿生物变形和运动过程以实现仿生机器人方面具有相当大的发展潜力。 [0004] 基于软刺激响应材料的软致动器通常在各种类型的软基质中包含活性填料或微 结构，用于在外部刺激下进行功能操作，如光、温度、湿度、电压和磁场。这些软材料在纳米 机器人医疗机器人和仿生机器人领域取得了重大进展。然而，软致动器的开发涉及到几个 挑战。例如，智能材料对外部刺激的有限响应灵敏度通常需要强烈和危险的刺激，例如需要 高电压刺激的介电弹性体，有时致动器的响应需要改变外部温度或环境酸度，这限制了这 些致动器与人类相互作用的可能性。 [0005] 此外，自21世纪初以来，人类开始关注环境问题，低碳未来已成为一个新的发展愿 景。在此背景下，开发符合绿色、环保和高效理念的新一代机器人技术已成为一项不可避免 的义务。软致动器优异的机械柔顺性使其有可能实现高效节能的仿生机器人。然而，研究智 能材料的材料科学家和研究动物行为的生物学家之间存在的技术和知识障碍使实现这一 目标具有挑战性。为了解决这些问题，必须首先研究对外部刺激具有较强响应能力的智能 材料，并利用生物学中的动物行为理论知识来设计基于智能材料的高效节能仿生机器人。 发明内容 [0006] 有鉴于此，本发明旨在提出一种基于超灵敏致动器的仿生水下机器人。 [0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于超灵敏致动器的仿生水下 机器人，包括空心结构、3D打印鱼类仿生外壳和尾部模型，所述3D打印鱼类仿生外壳形状如 鱼，所述3D打印鱼类仿生外壳内为空心结构，所述3D打印鱼类仿生外壳尾部设置有尾部模 型，所述尾部模型包括尾部无磁性材料和磁致动器，所述3D打印鱼类仿生外壳尾部依次连 3 3 CN 117002707 A 说明书 2/6页 接磁致动器和尾部无磁性材料，所述磁致动器驱动尾部无磁性材料摆动。 [0008] 更进一步地，所述磁致动器由外磁场进行控制其摆动。 [0009] 更进一步地，所述磁致动器的有效工作带宽为0‑7Hz。 [0010] 更进一步地，所述尾部模型在扇动过程中与尾流域液体相互作用，对生物体产生 推力，并产生漩涡脱落。 [0011] 更进一步地，所述磁致动器在磁场幅值为10Gs，频率为1Hz时，弗劳德效率η为 63.26％。 [0012] 更进一步地，所述磁致动器的雷诺数Re为1.60*10^6，无量纲游泳数Sw为5.30*10^ 3。 [0013] 更进一步地，所述磁致动器的斯托拉哈数St数≥0.39。 [0014] 更进一步地，所述3D打印鱼类仿生外壳壁厚1mm。 [0015] 更进一步地，所述3D打印鱼类仿生外壳采用树脂材料。 [0016] 更进一步地，所述尾部模型采用磁感应材料。 [0017] 与现有技术相比，本发明所述的一种基于超灵敏致动器的仿生水下机器人的有益 效果是： [0018] 1、本发明的仿生设计可以实现水下致动器高效游动，可实现高性能的水下机器人 技术，助力新一代节能、绿色机器人技术的实现。 [0019] 2、本发明基于外磁场控制磁感应致动器的仿生水下机器人解除了机器人内部的 电子元器件，因结构简单，机器人鲁棒性良好，同时在机器人微型化领域有着进一步发展的 潜力。 附图说明 [0020] 构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实 施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： [0021] 图1为本发明所述的基于超灵敏致动器的仿生水下机器人的示意图； [0022] 图2为本发明所述的表示磁感应水下致动器制作流程，其中圆盘最上侧为水下生 物示意图，圆盘左侧为高灵敏磁感应致动器示意图，圆盘右侧为水下生物游动理论示意图， 圆盘下侧为磁感应水下仿生鱼示意图以及其能够完成的工作任务和工作环境； [0023] 图3为本发明所述的水下生物波动游动模式示意图，左侧表示该游动模式适合在 不同雷诺数范围下有效，从0.01雷诺数到1000以上的雷诺数范围都可以找到采用波动游动 模式的水下生物，右侧表示针对波动游动模式的Lighthill的大振幅细长体理论计算过程 中各物理量的涵义； [0024] 图4为对基于Lighthill的理论计算得到的弗劳德效率两个工况(相同激励条件 (幅值为10Gs频率为1Hz的磁场激励模式)下的两种游动尾部设计方案分别出现了高效率游 动模式(Model C)和低效率游动模式(Model B))；通过比较两个游动模式对应的速度时程 可以发现高效率游动模式对应的游动速度高于低效率游动模式； [0025] 图5为不同尾部设计方案(Model A,Model B,Model C)和不同磁场激励频率下的 弗劳德效率示意图； [0026] 图6为最佳弗劳德效率下雷诺数和Sw数与各类水下生物的比较结果示意图； 4 4 CN 117002707 A 说明书 3/6页 [0027] 图7为最佳弗劳德效率下鱼体长度和St数与各类水下生物的比较结果示意图； [0028] 图8为磁场激励条件(磁场幅值为10Gs，磁场频率为1Hz)的水下致动器游动过程 PIV结果(俯视图，1个周期)； [0029] 图9的上侧三个图介绍了Lighthill的理论计算在实验过程中的实现方法，下侧图 是游动效率最高的状态下，水下机器鱼游动轨迹示意图； [0030] 图10为致动器在水中和空气中不同磁场频率激励下(磁场幅值10Gs)致动器端部 最大变形转角比较结果示意图； [0031] 图11为对水下游动过程中致动器摆动坐标(与游动方向垂直的方向)进行傅里叶 变换得到频谱，分别比较了1Hz，7Hz和8Hz下的频谱结果的示意图； [0032] 图12为水下致动器在油性，强碱性环境中游动结果(分别对应上和中)示意图；下 侧为水下致动器完成药物运输任务状态示意图。 [0033] 图中：1‑空心结构，2‑3D打印鱼类仿生外壳，3‑尾部模型，4‑尾部无磁性材料，5‑磁 致动器。 具体实施方式 [0034] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 [0035] 参见图1‑12说明本实施方式，一种基于超灵敏致动器的仿生水下机器人，包括空 心结构1、3D打印鱼类仿生外壳2和尾部模型3，所述3D打印鱼类仿生外壳2形状如鱼，所述3D 打印鱼类仿生外壳2内为空心结构1，所述3D打印鱼类仿生外壳2尾部设置有尾部模型3，所 述尾部模型3包括尾部无磁性材料4和磁致动器5，所述3D打印鱼类仿生外壳2尾部依次连接 磁致动器5和尾部无磁性材料4，所述磁致动器5驱动尾部无磁性材料4摆动。 [0036] 所述3D打印鱼类仿生外壳2壁厚1mm。所述3D打印鱼类仿生外壳2采用树脂材料。所 述尾部模型3采用磁感应材料。 [0037] 所述磁致动器5由外磁场进行控制其摆动。本发明设定水下磁致动器5在X‑Y平面 游动前进，X为游动前进的方向，Y为与X垂直的法向。磁感应水下磁致动器5在游动过程中受 到Y方向的正弦变化磁场，导致致动器在Y方向发生摆动，致动器摆动与周围液体环境发生 动量交换，产生X方向推动致动器游动的推力，从而实现致动器在X方向的游动。 [0038] 本发明考虑到本研究涉及的软体水下机器人受低强度激励影响，其雷诺数与自然 界中的鱼类相比将小的多，借助波浪式运动方式在低雷诺数下的工作有效性，本发明决定 参照鱼类波动推进过程对水下机器人进行设计。 [0039] 首先，考虑到基本的物理环境，在压强为101.325KPa，温度为20℃条件下，空气和 ‑6 ‑3 水动力黏度分别为17.9*10 Pa ·s和1.01*10 Pa ·s，即水的动力粘度为空气动力粘度的 56.42倍，因此在水和空气两种不同介质中致动器机械性能表现不同。同时，增强的动力粘 度会影响致动器在磁场激励下的有效工作带宽，即致动器工作频率与外界磁场激励频率保 持同频同步时的激励场频率范围将发生变化(图10)。因此，本发明对致动器在空气和水中 的工作性能进行了研究，通过对致动器摆动位置信息进行傅里叶变换，得到摆动过程主频， 可以由图11(频率fft)可知，当外界磁场幅值为10Gs，频率达到8Hz时，激励场对致动器失去 5 5 CN 117002707 A 说明书 4/6页 控制，因此判定有效工作带宽为0‑7Hz。有效工作带宽的确定为基于磁场激励致动器的水下 机器鱼研究过程中工况的选择提供了参考。 [0040] 为了能够从鱼体游动过程中获取水下机器鱼设计灵感，研究出弱激励场下能够执 行任务的高效水下机器鱼，本发明从致动器尾流观测、鱼体波动推进过程的效率计算和无 量纲参数分析三个方面对不同鱼尾形状进行了评估和分析。 [0041] 水下生物在波动推进过程中，生物体尾巴在扇动过程中与尾流域液体相互作用， 对生物体产生推力，并产生漩涡脱落，因此在设计基于磁场激励致动器的水下机器人过程 中，漩涡脱落可以作为其能够产生推力的标志，也是该致动器进行仿生机器人设计的前提 条件，为此本发明采用粒子图像测速技术(Particle  Image Velocimetry PIV)对致动器尾 流域进行了观测，从图8(PIV结果)可知，尾流域可以观测到与水下生物漩涡脱落情况，说明 本发明中所发展的致动器控制方案可以用于仿生机器人的研究。 [0042] 设计弱激励场下，高效工作的磁控水下致动器是本发明研究的主要目的之一，这 个问题的关键在于如何设计在机器鱼中充当尾部模型3的磁致动器5。为此，本发明设计了 三种不同形状的致动器进行了实验，三种致动器具体参数如表1(参数表)所示。 [0043] [0044] 为了能够评估磁控水下致动器在波动推进过程中的能量损耗情况，设计出游动高 效的鱼尾致动器器件，本发明引用了Lighthill的大振幅细长体理论(Elongated‑body  theory Et)。大振幅细长体理论中各物理量的物理意义如图3右(尾巴受力分析)。该理论采 用的基本假定有(1)远离游动的鱼的水是静止的；(2)鱼自固定的水平面上游动；(3)鱼尾进 行周期性对称摆动；(4)鱼体游动是个平稳运动过程(steady  swimming)等等。为了能够尽 可能满足以上假设条件，本发明将实验环境设置在了1000mm长，100mm宽，200mm深的静水狭 长水槽中，实验段设置在水槽中部。考虑到磁控水下磁致动器游动过程可能出现的随机结 果，本发明通过多轮重复实验，确保了结果的线] 弗劳德效率(the Froude efficiency)η是鱼体游泳有效功率与所消耗的总功率 之间的比率，具体表达式如公式1所示 [0046] [0047] 当假设运动过程是平稳时，时均推力功率等于阻力功率。根据大振幅细长体理论 可知，尾流中损失的功率E和推力T都是鱼体尾端处身体中心线上切向和展向速度的函 数，从图9(分析计算方法图)可知，在实验中鱼体尾端处身体中心线上切向和展向速度可以 从拍摄视频中提取的致动器端部在游动过程中的坐标信息获取，并对弗劳德效率进行计 算，评估不同方案游动效率。从图5(效率图)可知，相较于mode  lA和model B，model C(表1 中)在不同激励条件下工作性能良好且在磁场幅值为10Gs，频率为1Hz时，弗劳德效率η可以 达到63.26％左右，游动模式属于高效游动模式。通过比较model B和model C速度时程，由 6 6 CN 117002707 A 说明书 5/6页 图4(速度比较)可知相较于model B，model  C在相同激励条件下，时均速度最高提高了 235％，说明基于大振幅细长体理论设计的磁控水下致动器在水中具有更加良好的运动学 表现。 [0048] 通常情况下，物理学家们专注于对自然界生物运动过程的物理建模和理论分析， 而材料学和机器人学研究人员将工作重点放在了仿生机器人的制作工艺上。考虑到基本的 物理现实，即抽象的数学模型建立在一定的假设条件下，而实验室和自然界中机器人和生 物行动具有随机性，运动‑受力模型具有复杂性，因此动物运动过程的数学模型主要用于评 估数值分析结果而非实验指导。通过本次研究可见，采用恰当的数学模型作为仿生机器人 的设计指导，可以帮助实现行动高效的仿生机器人。 [0049] 设计仿生机器人一个重要的步骤应是对其进行无量纲参数分析。对于鱼类运动学 研究而言，雷诺数Re( U是时均速度，L是鱼体长度，ν是运动粘度)，无量纲游泳数 Sw(Sw＝ωAL/ν,ω是频率，A是尾巴摆动幅度，Sw数可以理解为表征驱动游泳的波动运动的 横向雷诺数)和斯托拉哈数St( f＝ω/2π)是描述鱼体游动的主要参数。 [0050] 从Re与Sw关系可以发现(图6)，本发明实现的磁控水下致动器Re为1.60*10^6，Sw 为5.30*10^3，近似符合Re～Sw^(4/3)的关系。当然，受弱激励影响，二者关系处于层流状 态，位于鱼类、两栖动物和幼虫三者在Re‑Sw图谱中的交汇位置，说明该磁控水下致动器在 鱼类仿生研究过程中，针对湍流域Re‑Sw关系的仿生研究有进一步发展的空间。 [0051] St数是影响推进效率的主要参数，已有研究发现，St数在0.25‑0.35范围时，鱼类 可以实现最大的推进效率。为了能够直观的比较本发明实现的磁控水下致动器St数与自然 界中的鱼类St数，本发明给出了Christophe Eloy研究中汇总出的十五种鱼体St数，已有研 究表明鱼类从幼年到成年，St数有明显差异，因此本发明给出了鱼体长度与St数间关系，用 附带0.5容错范围的拟合曲线对进行拟合可知，小体型鱼类St数显著地小于大型鱼类。本发 明发展的磁控水下致动器St数最低可达0.39，已在拟合曲线] 最后，将基于Lighthill’s elongated theory设计的磁控水下致动器与3D打印鱼 类仿生学外壳装配，实现了基于磁场激励致动器的水下机器人(图1)。为了能够证实该机器 人在各种恶劣复杂环境下的行动能力，本发明将该机器人部署在了强碱、高温和油性环境 观察其行动能力，并使该机器人承担药物运输、携电子元件进行环境检测等任务。从实验结 果可知，该机器人在这些环境中也能保证工作，并完成目标任务(图11)。 [0053] 总之，本发明开发了一种新技术，即基于弱磁场共振激励机制下的超灵敏磁致动 器。同时，本发明成功开发了一种基于该致动器的低耗能仿生水下机器人，并证实了其在各 种恶劣环境中保证完成任务的能力。这也从侧面揭示了水下生物运动学行为在柔性机器人 研究中的参考价值。 [0054] 本发明通过共振激励机理，实现了磁控致动器对磁场的超高灵敏度，并基于该磁 场产生装置和制作的材料，设计了仿生水下机器人，采用仿生学相关的细长体振动理论对 鱼体游动效率进行了计算得到了优化的结果，该机器人可以在油性，强碱性和高温环境保 持工作。 [0055] 水下致动器因外界磁场激励强度低，势必导致其游动过程的雷诺数处于很低的水 7 7 CN 117002707 A 说明书 6/6页 平，针对这一问题，本发明从水下生物波动游动模式中获取灵感，该游动模式具有在不同雷 诺数范围都生效的特性，能够适应本致动器游动雷诺数低的特点。为了能够进一步实现水 下致动器的高效游动，本发明采用Lighthill的鱼体游动大振幅细长体理论，对不同外形设 计的水下致动器游动过程计算了对应的弗劳德游动效率，实现了最高63％的游动效率，在 弗劳德效率计算中有学者指出，大于50％的游动效率模式被称为高效游动模式，因此本发 明实现的水下致动器为高效游动。 [0056] 以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有 的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改 和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应 用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。 8 8 CN 117002707 A 说明书附图 1/6页 图1 图2 9 9 CN 117002707 A 说明书附图 2/6页 图3 图4 10 10 CN 117002707 A 说明书附图 3/6页 图5 图6 11 11 CN 117002707 A 说明书附图 4/6页 图7 图8 12 12 CN 117002707 A 说明书附图 5/6页 图9 图10 13 13 CN 117002707 A 说明书附图 6/6页 图11 图12 14 14

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