仿生机器鱼
仿生机器鱼
仿生机器鱼
作者：林广硕
来源：《发明与创新·中学生》2018年第02期
很多人都喜欢养金鱼，金鱼浮游水中，翩翩起舞，尤其是那一摇一摆的大尾巴好似一把展开的扇子，非常优美。
通过观察金鱼的游动，我提出了一种仿生机器鱼的设计构想。
一、工作原理
金鱼的身体分为头部、躯干、尾部，鱼尾摆动时会形成向后的推力，利用作用力与反作用力原理，水也产生对鱼向前游动的力。
如图1所示，向左摆动鱼尾，鱼向左转，向右摆动鱼尾，鱼向右转，向左、向右快速摆动鱼尾，鱼就会向前游动，因此鱼尾的摆动是鱼游动的关键。
鱼的身体是流线型，在水中所受的阻力小，所以鱼游动的速度很快。
二、机器鱼的设计构想
机器鱼依靠尾部的摆动获得前进的动力，通过连杆机构将马达旋转运动转换为尾部的摆动，如图2所示。
马达带动曲柄旋转，通过连杆带动摇杆摆动，摇杆的摆动转化为尾部的摆动，尾部的摆动可以使鱼获得前进的动力。
机器鱼结构如图3所示，为把四连杆机构固定在鱼体内，我在鱼体内安装了支架，将马达固定在支架上，曲柄设计成圆盘状用于支撑连杆与摇杆，通过马达的旋转使鱼尾左右摆动，这样机器鱼就可以在水里游动了。
仿生机器鱼玩具的机构设计_仿真与实现
４ ） 设计结果：结构、运动、控制数据等。
３． 仿生机器鱼的运动仿真
图 ５（ａ）给出了一个基于鲹科鱼类设计的摆动 轮廓图。此设计方案中，关节数 ｎ＝４，摆动部占身 长比例 ｒ＝０．６，波长倍数 ０．６ ，各关节长度比例 为 １：０．９３：０．７６：０．６１，摆动的曲线方程为：ｙｂｏｄｙ＝ ［０．０５ｘ＋０．０９ｘ２］［ｓｉｎ（０．５ｘ）］，周期采样数 ｍ＝１８。 其仿真游动效果见图 ５（ｂ）。
成的包络区域的面积，ｍ 情况，存在等式约束与
不等式约束，我们选择混合罚函数法来进行参 数优化。
惩罚函数法通过构造惩罚函数把有约束优化 问题转换为无约束优化问题，采用坐标轮换等方 法实现对无约束优化问题的求解，实现对有约束 问题的参数优化。通过对关节结构尺寸的优化， 得到按照波动方程ｙｂｏｄｙ（ｘ，ｔ）进行游动的仿生机器 鱼的最优一组结构尺寸参数。
参数。 ３．５ 设计实现 鱼类身体的摆动大体按照式（１）所表示的波
动 方 程 进 行 摆 动 ，由 于 机 器 鱼 是 由 多 个 僵 硬 的 连 杆 铰 接 组 成 ，为 实 现 波 动 运 动 ，每 个 关 节 点 必 须 在 理 论 曲 线 上 。关 节 点 对 理 论 曲 线 的 匹 配 过程如图 ３。当前关节与前一关节的延长线在 连接处产生一个夹角，骨架的运动就是在驱 动电机带动下，通过改变夹角的值来产生运 动。
２． 仿生机器鱼的设计思想
养鱼神器！前景广阔的渔业机器人——中国农业大学国家数字渔业创新中心巡礼之三
17专题报道Special Coverage养鱼神器！前景广阔的渔业机器人——中国农业大学国家数字渔业创新中心巡礼之三本刊记者 温 靖，朱逸铭，郭 黎在中国农业大学国家数字渔业创新中心的院子里，支着一座五十多平方米的地上池塘，研究人员正围着水池观察一条自如游走的“鱼”。
走近观察，你会发现这是一条有着鱼类标准外形的机器仿真鱼。
池边的研究人员正在电脑上输入着指令，机器仿真鱼便迅速地作出了反应，在水中敏捷潜行，或停留悬浮。
鱼头部的摄像机以及鱼身上的传感器会将水中的各项相关数据传送到电脑终端。
在机器鱼的帮助下，研究人员对水池里的温度、浊度、溶氧量等环境因子了如指掌。
这就是数字渔业创新中心研发的新型渔业机器人。
“我们渔业机器人与智能装备实验室，主要从事渔业机器人研究设计与开发。
” 中国农业大学国家数字渔业创新中心位耀光教授告诉记者，实验室自成立以来已经研发出三类渔业机器人，基本涵盖了目前水产养殖不同的应用场景：水质巡检、生物量估算、网箱巡检及清洗、水下抓取等。
传统的渔业水下观测需要潜水员潜入水中作业。
在水深大于20米时，潜水员容易出现胸闷、头晕等不适症状，长此以往有罹患减压病的风险。
目前常用的环境监测方法为浮标在线监测法，它仅能测定有限固定点的水质参数，不便对水体进行三维空间上的动态监测，对鱼类的数量行为观测能力非常有限。
使用渔业机器人则可有效解决此问题，通过运动控制系统和拍摄等感知系统，可以实现探测、预警、打捞、娱乐等功能。
目前，渔业机器人代替或辅助人类进行海底作业，已成为帮助人类开发海洋的重要工具。
水下巡检机器人中国农业大学国家数字渔业创新中心最早设计的是一种框架式的机器人，也是目前国际上比较流行的遥控式水下机器人，英文简称“ROV”（图1）。
这种机器人由多种系统集成构建：航姿参考系统可以为ROV 提供准确可靠的姿态与航行信息；水下相机用于实时获取图像信息；多普勒计程仪测量并记录 ROV 水下速度，用于水下辅助导航系统；脐带缆可以将动力、控制信号传递给ROV，同时接收返回的图像信息；推进系统提供前进动力；深度传感器获取当前的深度信息。
机器鱼论文
仿生机器鱼国内外研究现状及分析摘要：介绍了鱼类推进模式的分类及特点，分析了仿生机器鱼的特点。
介绍了国内外仿生机器鱼研制的成果和现状，在此基础上分析了仿生机器鱼研究面临的几个主要问题。
关键词：机器鱼；推进模式；升潜模式；现状引言长期生活在水下的鱼类，经过多年的进化，形成了十分完备的游动性能和器官。
水下推进器的设计目标希望具有效率高、速度快、灵活性好等优点，而鱼类游动恰好具有这些优点，从而在世界范围内兴起了仿生机器鱼研究的热潮。
由于其具有的特点，从而在军事等各个方面都有广泛的发展前景。
1)要求作业时间长、范围大，但本身承载能力或承载空间有限、不能加载太多能源的场合；2)要求机动性能高的场合，如管道检测，管道内部结构复杂，采用微小型机器鱼可较好地完成作业任务；3)海洋生物观察．常规螺旋桨推进器噪声大，对环境的扰动大，使水下运动装置很难接近所要观察的海洋生物，采用微小型机器鱼有望解决这一问题；4)海底勘探及海洋救捞等。
采用仿生推进方式可以容易地进入环境复杂的海洋空间，如沉船内部，珊瑚礁群，完成常规潜器所不能完成的作业任务；5)军用方面。
由于机器鱼噪声低、对环境扰动小、不易被声纳发现、易于隐蔽，它不仅为人们研制新型高效、低噪声、机动灵活的柔性潜艇提供了新的思路，而且可直接进行水下侦察，发现敌方雷区，跟踪及摧毁敌方潜艇。
鉴于仿生机器鱼的诸多优点，国内外学者越来越重视新型仿生机器鱼的研究与开发，取得了很多阶段性的成果，设计了各种各样的机器鱼样机，机器鱼的理论和实验研究已渐显规模。
1、仿生机器鱼的分类及特点1.1、鱼类推进模式分类1）喷射式。
乌贼、鱿鱼、水母等依靠身体躯干的特殊构造，它们由身体内部的特殊部位向后挤压水流产生后向推力，利用动量守恒定理向前推进。
2）鳗鲡模式。
即鳗行式，如鳗鱼、水蛇等，如图1所示，它们的游动犹如正弦波形的前进一样，把身体当作推进器，用从头到尾波动身体来游动。
3）醪科模式。
波动主要集中在身体后2/3部分，推进力主要由具有一定刚度的尾鳍产生，推进速度和推进效率较鳗鲡模式高，在速度、加速度和可控性三者之间有最好的平衡。
仿生机器鱼步态控制及闭环运动控制方法综述
仿生机器鱼步态控制及闭环运动控制方法综述
王文谦;马鹏磊;李广浩;许传新;姚兵;刘贵杰
【期刊名称】《中国舰船研究》
【年(卷),期】2024(19)1
【摘要】鱼类所具有的推进效率高、机动性强、环境扰动小等优点引发了国内外学者对仿生机器鱼的研究。
底层步态控制方法和闭环运动控制方法是当前机器鱼控制研究的两大热点。
按照推进模式的分类方法概述各类机器鱼的样机研制情况以及其性能优劣,介绍机器鱼的推进机理及其水动力学研究进展,进而重点探讨轨迹逼近方法和中枢模式发生器这2种底层步态控制思路,综述机器鱼的典型闭环运动控制方法。
中枢模式发生器具有更强的灵活性、稳定性和可操作性,易于引入反馈项而实现闭环控制,在机器鱼底层步态控制中占主导地位。
针对机器鱼的显著特点改进后的基于学习的控制方法与多种方法相结合后的混合控制方法具有更为广阔的发展前景,符合仿生机器鱼智能化的发展方向。
根据工作条件和运动要求建立合理的步态控制系统以及准确高效的闭环运动控制系统可提高机器鱼的整体性能。
【总页数】17页(P29-45)
【作者】王文谦;马鹏磊;李广浩;许传新;姚兵;刘贵杰
【作者单位】中国海洋大学工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U664.82;U674.941
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1.六足仿生机器人步态研究和运动控制器设计
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基于IPMC仿生鱼的结构设计
基于IPMC仿生鱼的结构设计长江师范学院机器人工程学院长江师范学院机器人工程学院长江师范学院电子信息工程学院长江师范学院科创学院摘要离子聚合物金属复合材料(IPMC)是一种电活性聚合物材料(EAP)类的一种，它由离子聚合物和金属附着的复合物构成。
在水下有稳定工作状态、产生的弯曲形变大、柔性好、质量轻、耗能低等优点。
研究IPMC性能优化及其仿生机器人的设计有利于使制得的IPMC材料更加优质以及运用场景更加丰富。
关键词：IPMC；材料制备；仿生鱼1引言IPMC全称为离子聚合金属复合材料(IonicPolymer-MetalComposite)，是一种具有特殊功能的新型材料。
它的主要特点是具有良好的电化学活性和机械可变性能，可以实现电-机-化耦合作用。
IPMC有着广泛的应用领域，如智能材料、传感器、微机电系统、机器人等[1]。
2IPMC材料制备基体材料预处理包括基体膜的糙化、切边和清洗。
糙化采用喷砂的方法。
切边是将糙化后的基体膜切割成规定尺寸。
清洗包括超声波清洗、煮洗和去离子水煮洗，以去除杂质离子和增加IPMC材料的储水能力。
浸泡还原液包括配制Pd盐溶液和还原液，将预处理过的基体膜浸泡在Pd盐溶液中还原镀。
还原液使用NaBH4作为还原剂。
浸泡和还原镀的时间、次数根据实验需求而定。
表面电镀包括切边处理和电镀。
切边处理防止预镀膜在电镀时上下电极层导通导致电镀不均匀。
电镀液选择含有贵金属盐，电压控制在0.5-10V，电流控制在0.001-0.5A。
使用钛等活泼金属作为阳极，电镀阴极为阵列式金属探针。
电镀后得到IPMC材料。
后处理是将IPMC边缘切边处理，然后进行Na离子交换[2]。
3IPMC仿生鱼设计3.1 IPMC材料运用仿生鱼的优势IPMC材料因其柔韧性和流线型设计，可以模仿仿生鱼的鳍、鳍条、鳍膜等结构，具有以下优势：其良好的水动力学性能可提高推进力和速度；高灵敏度和快速响应能力可帮助仿生鱼适应水中环境变化和应对挑战；同时，IPMC材料具有良好的生物相容性和耐用性，可使仿生鱼更健康且更耐用，从而更好地完成任务[3]。
水下仿生机器鱼的研究进展Ⅱ—小型实验机器鱼的研制
平 台， 具有 剐 性 头 部 、 关 节 的柔 性 身 体 和 月 牙形 尾 鳍 ， 用无 线遥 控 ． 器 鱼 体 长 ８ ０ ｍ－ 中 最 大 速 度 为 ２ ｃ ５ 采 机 ９ｒ ａ 水 ０ｍ／
ｓ ，
最大转弯角速度 为 １０／ ． ２。ｓ 最小转弯半径 为 ４ ｃ 综舍性能测试实验和 Ｃ形运动控制实验表 明－ ０ｍ． 该机器鱼具有较
梁 建 宏 王 田苗 魏洪 兴 陶 伟
（ 北京 航空 航 无 大学 机 器 ＾研 究 所 北 京 １０ ８ ） ０ ０ ３
摘
要 本 文 介 绍 丁 自行 研 制 的 一 条 小 型实 验 机 器 鱼． 机 器 鱼 作 为研 究 仿 生 机 器 鱼 的 流体 力 学 性 能 的实 验 该
ｌ 弓 言 （ｎ ｒｄ ｃｉｎ ｌ Ｉ ｔ０ ｕ ｔ ） ０
金 枪鱼 和海 豚 等水 生动 物高 超 的游 泳能 力是 目 前 任 何 采 用螺 旋 桨推 进 的船 舶所 不 能 比拟 的． 仿 模 鱼 类 推 进 方式 ， 鱼类 仿 生 学 家 可 能会 为水 下 自动航 行 器 设 计 出 一种 更 好 的 动力装 置． 种小 型 的无 人 这 驾 驶航 行 器 可 用 于复 杂 海 洋 环 境下 的海 洋 观测 、 军 事监 视 水下作 业 和水 下救生等 ． 近年 来 仿 生 学 、 器 人 学 、 体 力 学 、 型 材 料 机 流 新 和 驱动 装 置 的 进 步促 进 了仿 生 机器 鱼 技术 的 发展 ． １ ９ 年 日本 名古屋 大学 的福 田敏 男分别 研制 了压 电 ９１ 陶 瓷 驱 动 的微 型 仿 胸鳍 模 式 的浮 游 机 器 人 和 Ｓ ＭＡ 驱动 的 身体渡 动式 水下 推进 器０ ． ４年美 国麻 省 ］１ ９ ９ 理 工学 院 （ Ｔ） 功研 制 了世 界上第 一 条仿 真正 意 ＭＩ 成 义 上 的仿生机 器 鱼 “ ｏ ｏ ｎ ” 该机 器 是一 条长 约 Ｒ ｂ Ｔｕ ａ ，
机器鱼装配介绍ppt课件
控制板图示
GND 地 VCC 正电源 舵机2地 舵机2电源 舵机2信号线 舵机3地 舵机3电源 舵机3信号线 舵机1地 舵机1地 舵机1地 LED负 LED正 LED正 LED负 电源灯 编程线 天线
晶振
ATmega128
24C02 74HC04
舵机
黑红白三根线
黑色-GND 红色-VCC 白色-信号线
遥控测试
直游 转弯 改参数 改频率
机器鱼常见故障及处理方 法
易出问题的地方
串口设置 电源电压 开关是否打开 接线不牢固 漏水 焊接不牢固 通讯模块坏 程序问题 控制器坏
线路板检测
电源电压 PWM信号产生
改进计划
鱼头色标改进 充气孔改进 鱼头形状改进 鱼头鱼皮套连接方式改进 尾鳍改进 胸鳍改进
封装
将线路板和 控制板塞入鱼头 对准安装孔 旋紧螺丝：旋螺丝要四边用力均匀，让整个鱼尾与鱼头壁两边的间隙相等 剪鱼皮套、套鱼皮套：要让鱼皮套自然不扭曲 粘鱼皮套：用橡胶粘合剂粘。要让鱼皮套自然不扭放入水中 在外面加装配重块：用橡皮筋套，或打胶枪粘。 拆鱼，配重 重新封装 配重
测试
电池电压：5V以上 控制板测试
• • • • • • 检查电源 检查单片机PWM端口输出波形 烧写Bootloader 9600测试通讯 烧写应用程序 读取24C02的数据是否正确
电机测试
• 摆动测试 • 1500测试：是否抖动
通讯测试
• 烧写程序 • 通讯距离
尾部组装
仿生机器鱼的研究不仅具有很高的理论研 究价值，而且在水下资源探测、海上搜救、 水下考古、打捞救助、海底地质地貌勘测、 军事侦察等方面具有广阔的应用前景。
机器鱼研究历史
基于压电双晶片驱动的微型仿生机器鱼的设计
其 中压 电 陶 瓷 驱 动 器 具 有 结 构 紧 凑 、 积 小 、 率 响 应 体 频 好 、 动力 大 、 移分 辨率 高 、 制 驱 动 简单 、 发 热 、 驱 位 控 不 无噪声 等优 点 ， 广 泛应用 于 微型仿 生 机器 鱼领 域 。 可
篑
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（ １ ）
器 。
文献 标 识 码 ： Ａ
随着 微 电子机 械 系 统技 术 （ ＭＥＭＳ 的 日 益 发 展 以 ） 及 各 种 智 能 材 料 驱 动 器 的 应 用 ， 内 外 已 经 研 制 出 多 国 种 微 型 仿 生 机 器 鱼 ＿。 １ 目 前 采 用 的 智 能 材 料 主 要 有 ： ｌ 。
１ 流 体 阻 尼 力 矩 ）
为 简 化计 算 ， 始 设计 时选 初
用 形 状 简 单 的 尾 鳍 。 求 得 由 于 流 体 摩 擦 作 用 产 生 的 为 阻尼力 矩 ， 立 尾鳍 数学 模 型 ， 图２ 示 。 建 如 所 当 鱼 在 流 体 层 流 状 态 下 运 动 时 ， 鳍 运 动 受 到 的 尾 流 体 阻 力 等 于 尾 鳍 静 止 流 体 以 同 样 速 度 流 向 尾 鳍 时 尾 鳍 受 到 的 力 。 据 平 板 翼 绕 流 理 论 ， 板 受 到 的 流 体 阻 根 平
（） ２
１ 尾 鳍 驱 动 装 置 设 计
鱼 类 通 过肌 肉收 缩 产 生运 动 ， 过 周 期 性 地 收缩 通
式 中 ：Ａ ＝ Ｓ／ｓ ＝ Ｅ ／Ｅ。 Ｅ ／Ｅｐ ｐ ＝ ；Ｂ ＝ ｈ ／ｈ ；Ｄ ＝８＋ ｐ
身体 一侧 用 于 游 动 的肌 肉 ， 时 放 松相 对 另 一 侧 的肌 同 肉 ， 得 尾 鳍 产 生 来 回 摆 动 。 尾 鳍 摆 动 的 时 候 ， 迫 使 当 它 使 一 部 分 水 运 动 ， 排 开 的 水 的惯 性 会 产 生 垂 直 鱼 体 、 被 与单 位 时 间排 水量 成 比例 的反 作 用 力 ， 动 鱼 体 向前 推
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研究报告成绩哈尔滨工业大学创新研修课研究报告报告题目仿生机器鱼的国内外研究进展课程名称仿生机器鱼水下推进技术学生姓名刘砚文学号6110810539专业机械设计制造及自动化学院英才学院任课教师刘军考刘英想二O一二年十一月制仿生机器鱼的国内外研究进展伴随着人类文明的发展,可开采和利用的陆地资源正日益减少和枯竭。
海洋面积占地球面积的71%,海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源。
21世纪是海洋的世纪,人类开发海洋和利用海洋的脚步,随着科技的发展逐渐加快。
具有海洋勘测、海底探查、海洋救捞、海底管道检测、以及水下侦查和跟踪功能的水下机器人,已成为探索海洋、开发海洋和海洋防卫的重要工具。
仿生机器鱼可以进行长时间、大范围、工况较复杂的水下作业，可以用于机动性能要求较高的场合，进行海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等等许多场合。
军事方面，由于仿生机器鱼在声纳上的表现形式和生物鱼类几乎相同，具有噪声低，对环境扰动小，敌方不容易发现等特点，这极有利于隐蔽鉴于仿生机器鱼的诸多优点，国内外学者越来越重视新型仿生机器鱼的研究与开发，取得了很多阶段性的成果，设计了各种各样的机器鱼样机，机器鱼的理论和实验研究已渐显规模。
采用传统螺旋桨推进器的水下机器人,在螺旋桨旋转推进过程中会产生侧向的涡流,增加能量消耗、降低推进效率,且有噪声。
海洋生物中的鱼类,种类繁多、形态各异,经过亿万年的进化,使其具有了非凡的游动能力。
鱼类通过身体运动推动周围的水,以此来获得推进力,对于涡流的精确控制使得鱼类游动推进效率高、机动性好。
模仿鱼类的游动推进模式,研制出高效低噪、灵活机动的仿生机器鱼,用以进行水下复杂环境作业,已经成为研究人员追求的目标。
但是,现有的仿生机器鱼还难以满足实用性的要求。
仿生机器鱼难以实现完全柔性的推进运动,推进效率难以与鱼类媲美,机动性和稳定性还存在不足,操纵性、智能控制、通讯等问题还有待解决。
仿生机器鱼研制现状将首先对国外和国内进行对比说明机器鱼的发展动向：1.国外研制现状：随着高新技术的发展, 1994年MIT研究组成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生金枪鱼, 开启了机器鱼研制的先河。
此后, 结合仿生学、材料学、机械学和自动控制的新发展, 机器鱼研制渐成热点, 表 2 给出了国外一些典型的机器鱼研究项目.其中美国和日本进行的机器鱼研究比较多, 取得的成果也比较多。
1.1美国1995年，MIT推出了Robotuna的改进版机器鱼“Pike”，旨在研究鱼的机动性和静止状态下的加速性。
1998年，MIT推出的Robotuna最高版本VCUUV是仿黄鳍金枪鱼研制的，长8英尺，重300磅，其目的在于开发一种利用涡流控制推进的自主水下机器人。
1.2英国Essex大学机器鱼课题组于2005年5月开始研制一系列的机器鱼，主要工作集中在实现仿鱼游动，特别是非稳定游动方面。
该课题组的机器鱼主要集中在两个系列目：G系列和MT系列。
其中G系列均是采用多电机一多关节的尾部结构。
而MT系列机器鱼则是采用单电机一多关节的尾部结构。
1.3日本20世纪90年代初，名古屋大学Toshio Fukuda教授开始了微型仿鱼水下推进器的研究，他先后研制出采用形状记忆合金驱动的微型身体波动式水下推进器和压电陶瓷驱动的双鳍微型机器鱼。
为了研究最优推进方法，开发高推进性能的智能型水下机器鱼，从1999年开始运输省船舶技术研究所开始了一系列的实验机器鱼项目研究。
2．国内仿生机器鱼本体研究现状2.1.北京航空航天大学。
2004年8月，北航机器人所和中科院自动化所合作研制出一条实用的仿生机器鱼，参加了对郑成功古战船遗址的水下考古探测。
这次水下活动，被有关专家认定为是“国际上首例水下仿生航行体的试验研究’。
2.2哈尔滨工业大学。
哈尔滨工业大学在国家自然科学基金支持下研制出了仿生机器鱼样机，该样机长0、95m，重约13kg，航速可达0．3m／s 。
2006年他们又研制了一条仿生机器鱼样机“HRF—I”，游动速度可达0、5m／s，并进行了升潜和转向实验。
2.3哈尔滨工程大学。
哈尔滨工程大学研制了一条仿生机器鱼原理样机“仿生一I”。
该机器鱼长2．4m，最大直径0．62m，排水量320Kg，潜水深度10m，最高航速1．3m／s。
其次，仿生机器鱼的研究现状还可从所采用的推进方式进行说明。
目前,国内外研究比较广泛的是采用BCF模式推进的仿生机器鱼。
但近年来,由于机动性好、稳定性高等优点,使得MPF模式的机器鱼受到越来越多研究人员的关注。
1．BCF模式仿生机器鱼1.1模仿鳗鲡式游动的仿生机器鱼鳗鲡式的推进效率与波的传播速度有关,波的传播速度越快,推进效率就越高。
美国东北大学海洋科学中心研制的鳗鲡模式游动的机器七鳃鳗,利用TiNi丝作为致动器,结构简单,游动时无噪音,具有极佳的隐蔽性能。
北京航空航天大学是国内开展机器鱼研究最早的单位之一,于1999年研制了模仿银龙鱼波动游动的机器鳗鱼。
1.2模仿鲹科、亚鲹科游动模式的仿生机器鱼英国埃塞克斯大学研制成功具有自主控制能力的、电动机驱动的机器鱼,并在伦敦水族馆进行了展览。
美国弗罗里达工业大学的Shinjo等根据动物的弹性机制,提出了SMA驱动的尾鳍摆动推进仿生鲣鱼设想。
1.3模仿鲔科游动模式的仿生机器美国麻省理工学院(MIT)通过对金枪鱼的长期研究,成功研制出世界第一条仿生机器金枪鱼RoboTuna,长约1.2m,游速达7.2km/h。
证明了仿生机器鱼比现有的无人水下潜器(UnmannedUnder waterVehicle,简称UUV)的推进效率更高。
2004年,北京航空航天大学机器人研究所和中国科学院自动化所合作研究的仿生机器鱼由动力推进系统、图像采集和图像信号无线传输系统、计算机指挥控制平台3部分组成,主要制造材料为玻璃钢和纤维板。
它的最高时速可达1.5m/s,能够在水下连续工作2至3小时。
哈尔滨工程大学的仿生水下机器鱼,以蓝鳍金枪鱼为蓝本,长2.4m,最大直径0.62m,排水量320kg,负载能力70kg,潜深10m,配有月牙形尾鳍和一对联动胸鳍。
尾鳍摆动1.33Hz时,航速达1.2m/s。
中国科学技术大学精密机械与仪器系章永华等人,基于活鱼的解剖结构,采用形状记忆合金弹簧作为仿生驱动器,设计了模拟新月型尾鳍鱼类游动的机构。
1.4模仿箱鲀科游动模式的仿生机器鱼瑞士技术学院研制了BoxyBot机器鱼,该机器鱼采用直流电机驱动,有仿箱鲀科游动模式的尾鳍和仿隆头鱼的胸鳍,可以实现多种运动。
2. MPF模式仿生机器鱼2.1模仿鳐科游动模式的机器鱼鳐科模式推进效率较高、稳定性好、机动性高。
近年来,各国推出了多种模拟鳐鱼、乌贼等鳍推进的仿生水下机器人,它们游动时没有侧向摇动。
爱沙尼亚塔尔图大学于2004年研制了具有一对水平胸鳍的仿鳐鱼机器人,游速约5mm/s。
每个胸鳍由8个40mm长的瓶状IPMC致动器和弹性鳍膜构成。
新加坡南洋理工大学于2005年开发了电动机驱动的胸鳍波动推进机器墨鱼,质量约9kg,由分布在身体左右两侧的两个由硬片镶嵌而成的鳍推进,10个鳍条为上下平动,最大游速20cm/s。
2006年日本大阪大学研发成功一种模拟长鳍乌贼鳍波动游动的机器乌贼,它采用电动机驱动刚性鳍条绕着根部做扇形摆动,水平鳍做正弦状波动的游动方式。
国内近年来也开始了对水平鳍推进仿生水下机器人的研究。
北京航空航天大学开发了电动机驱动的、两个胸鳍同步动作的机器蝠鲼。
浙江大学于2007年研制了电机驱动仿墨鱼鳍波动推进的仿生鱼探测器。
国防科学技术大学研制了电机驱动机器鱼,实现了前进、后退和转弯功能。
2.2模仿刺鲀科游动模式的Bass机器鱼日本东海大学于2000年研制成功的电动机驱动胸鳍划动推进机器鱼Bass,能前后游动、原地转弯以及在水平面内无偏航地侧游。
该大学还研制了机器鱼Bass。
国内中国科学技术大学建立了仿生水下机器人RoboMackerel胸鳍划动模式下游动的物理模型,并进行了机械胸鳍划动的运动学分析。
2.3模仿背鳍和臀鳍游动模式的机器背鳍/臀鳍游动模式的机器鱼是利用在水下机器人基体背部或臀部、腹部的波动鳍进行推进。
美国东北大学开发了模拟裸背电鳗目辐鳍鱼纲魔鬼刀鱼的臀鳍带状鳍推进装置,鳍由16根鳍条和安装在鳍条上的弹性鳍膜构成。
国内国防科技大学对长背鳍推进的尼罗河魔鬼鱼进行了深入研究,估算了其推力、功率和效率,进行了波动鳍理论分析和流体动力学分析,并研制了长400mm的背鳍波动推进器及其测控系统。
综上所述，仿生机器鱼是一种利用鱼类的游动推进机理实现推进运动的新型水下推进器，是一门多学科交叉的研究领域。
但仿生机器鱼国内外研究均面临着一些关键问题。
目前，机器鱼研究所要解决的问题应包含以下内容：1．鱼类推进机理的进一步研究。
成型的机器鱼推进效率、推进速度、加速特性、升潜速度以及转弯半径仍和真鱼有很大差距。
提高机器鱼推进性能和机动性能指标的基础就是开展更为深入的鱼类推进机理的研究，对鱼类游动过程中鱼体及尾鳍运动参数进行研究，分析鱼类的减阻机制和快速启动机理，分析机器鱼快速转向机理，分析各类鱼鳍在鱼类游动过程中的作用。
2.新型仿生机器鱼的研制。
新型仿生机器鱼的研究是目前仿鱼水下推进器研究领域的热点，对不同推进模式的鱼类的仿生研究的发展仍将不断持续下去。
此外，前人研制的机器鱼大多为刚性，因此普遍存在效率不高、机动性能低的特点，高弹性机器鱼的研究有利于提高机器鱼的推进效率，使得机器鱼尾鳍运动更加逼近真鱼尾鳍运动规律。
3.完善的、适用于控制系统设计的机器鱼动力学模型的研究。
机器鱼动力学模型是仿鱼水下推进器结构设计和控制系统设计的基础。
前人提出的鱼类波状游动的动力学模型计算量大、过于繁琐，很难应用到实际当中。
因此，考虑鱼体刚性和鱼体摆动以及尾部涡流的影响，建立适用于控制系统设计的两关节机器鱼三维游动的动力学模型是机器鱼实用化的关键问题。
4.机器鱼控制系统和传感系统的研究。
研究机器鱼闭环控制系统，主要包括速度控制、升潜控制以及转向控制，在此基础上研究传感系统，实现机器鱼的水下自主导航和水下避障，5.新型机器鱼材料的研究。
主要是研究适用于鱼体和尾鳍的材料，降低机器鱼推进阻力，提高尾鳍推进效率，改善尾部涡流。
6.仿生机器鱼的能源供给。
仿生机器鱼的续航能力是制约其水下活动的关键。
大多数的机器鱼都采用电池作为能源,但受体积和重量的制约使得机器鱼往往只能在水下工作几小时。
伴随着相关技术的发展,太阳能、波浪能和潮汐能等新型能源,成为机器鱼获得能源补给的新途径。
通过结构优化和增加辅助装置使机器鱼能够在水下获得持续的能源供给是仿生机器鱼研究的重要方向。
7.水下通讯技术。
在水下作业时,仿生机器鱼的控制指令、游动状态反馈和图像信息的传输,主要依赖水声通讯来实现,由于声音在水中的传播速度远远低于光速,因此产生很大传输时延,难以对机器鱼实现实时控制,而且传输距离还受载波频率和发射孔率的限制。