仿生海豚资料重点
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（3）鲹科式推进是鱼体前2 / 3 部分不变形，仅靠鱼体的后1/ 3摆动，鲹 科鱼类具有瘦长的尾柄、深分叉的尾 鳍 ，可形成强劲的尾部推力从而快 速游动，推进速度和推进效率比鳗鲡式推进高，常见的海洋生物中，蓝 圆鲹即是典型的代表；
（4）鲹科加月牙尾式推进是在鲹科式推进的基础上发展的一种大展弦比 月牙尾鳍的推进方式，通过鱼体的后 1/ 3部分的尾鳍的大范围的摆动。同 时，鱼体的运动由波动和尾鳍摆动复合而成 。这样可产生超 过 90%的推 力。海洋中的金枪鱼 、鲨鱼和哺乳动物等，他们的推 进方式就是鲹科加 月牙尾 式，因此具有快速游动和高效推进的特点 。在BCF 推 进模式中， 鲹 科加月牙尾式的效率是最高的 。
基础理论
一、鱼类推进模式 MPF（中央鳍/对鳍模式） BCF （身体/尾鳍模式）
基础理论
BCF可以细分为五种推进模式
(1 )鳗鲤式推进是整个鱼体都做大幅值波动，波动幅 值基本不变 ，行进单位距离所消耗的能量最少，但 推进效率不高；
基础理论
（2）亚鲹科式推进与鳗鲤式推进相似，只是鱼体前半部分波幅较小，后 半部分波幅不断增加，鳟鱼是典型的代表；
基础理论
攻角（英文：Attack Angle ），也称迎角，为一流 体力学名词。对于翼形来说， 攻角定义为翼弦与来流速度之 间的夹角，抬头为正，低头为 负，常用符号α表示。
基础理论
二、鱼类浮沉运动的方式
（1）利用鱼鳔实现 绝大多数的鱼类都具有鱼漂，鱼漂在鱼类的沉 浮运动过程中起到很重要的作用。当鱼需要下沉时 ，由于深 度的 增加，鱼体排开水的体积变大，浮力会阻碍鱼体下沉 ，因 此，需 要将鱼漂内的气体排出一部分，从而使浮力减小 ，加速下 沉 。当 鱼需要上浮时 ，通过向鱼鳔内充气而使浮力变大 ， 实现上浮运 动。
(2 ) 肩宽位置(shoulder position : SP)定义为从前缘到最大 厚度占总体长的 百分比。海豚肩宽位置越向后 ，流体可以流过身体的绝大部分 ，因为胸鳍 所在的最大厚度处可能产生层流和紊 流的分离 ，导致游动速度变得更快。 而一般海豚的肩宽位置为 34％ ~ 45％ B L，而肩宽位置 为 45%时的推进 速 度是最大的 。
基础理论
海豚在水中的游动是按照背腹式方式进行的。海豚尾部经 过的轨迹可视为按正弦规律变化的曲线。尾鳍的运动是有沉浮 运动和俯仰运动合成的。沉浮运动主要使尾部和尾鳍产生击水 动作，俯仰运动为击水运动提供合适的攻角。海豚的新月形尾 鳍相当于一个非定常机翼，利用非定常机翼的高升原理在游动 方向上获得高升力。
基础理论
当机器海豚下沉时，通过调节舵机使配重块移动到最 左端的水平位置如图 (a) 所示，当水平游动时，配重块处 在竖直位置如 (b ) 所示，当上浮时，通过调节舵机使配重 块移动到最右端的水平位置如 (c) 所示。同 时，再配合胸 鳍机构的摆动，最终能实现沉浮运动 。
实现过程
一、外形设计
机器海豚外壳设计采用仿生学原理，但是为了减小沉浮和游动时外 壳受到的水阻和压强，没有采用骨架和柔性身体的方案，而采用刚性头 部和身体外壳、胸鳍和尾鳍。
第一条仿生鱼Robo Tuna。
课题背景
二、国外现状 MIT后续研发了多个版本，此为1998年的Robo Tuna
的最高版本。
课题背景
二、国外现状 1999年日本东京工业大学研制的机器海豚
课题背景
三、国内现状 北航的SPC-II型仿生鱼
课题背景
Baidu Nhomakorabea三、国内现状 北京大学研制的机器海豚、中科院自动化所研制的
机器海豚
海豚可以跃出水面, 在空中能完成跃水、乘浪、滑水、 空中转体等复杂动作, 这些高难度动作是鱼类所不能实现 的。
由于人类尚不完全清楚鱼类和海豚的运动机理, 所以 仿真效果至今不理想。由于机器海豚开发研制的诸多困难 , 针对机器海豚的理论和技术研究尚处于起步阶段。
研究目标
以白鳍豚为仿生对象，对仿生海豚进行机械结构设 计，并进行了运动学分析和运动仿真的研究。
实现过程
鲸 豚类可以通过使身体的外形及胸鳍尾鳍变成流线型来使水的阻力降到 最小。目前发现的最有效的流线型轮廓形状的是梭状纺锤型 ，其特点是鱼 体类似泪珠状的形状 ，在身体的前端是圆形的前沿，然后延伸到最大厚度 处 ，最后缓慢地过渡到尖细 的尾 鳍。而评价纺锤形流线外形有几个重要 的指标：
(1 ) 细长比 ( fineness ratio : FR) 是一个表征流线型程度的指标 ，其定义 为 FR= BL/T ，其中BL为体长, T为最大厚度处 。研究表明细长比FR为4.5 时 的流线型形体具有最小的阻力和表面积 ，同时具有最大的体积 ，并且能够 减少75 %的阻力系数。
基础理论
工程上实现机器鱼实现浮沉运动的方案有储水仓法、胸鳍
法、尾鳍摆动法和改变重心法。
基础理论
如图，重心调节机构主要调整重心在竖直方向的位置， 同时可调整重心在水平方向的位置，安装板固定在刚性海 豚头部上，FUTABA舵机安装在电机安装板上，摆动支架 固连在竖直电机输出轴上 ，配重块安装在摆动架上，随 摆动架的摆动一起运动，且配重块材 质为密度较大的铅 块。
（5）箱鲀科模式是完全振动的BCF推进，但效率很低。
基础理论
通过以上对BCF模式的分析可知：鲹科加月牙尾 式在游动速速、推进效率和快速启动方面有着卓越的 性能，因此是仿生机器人研究的热点。
海豚的游动方式并不能简单的归为某一类，但是 与鲹科加月牙尾式推进极其相似。海豚肌肉发达，依 靠尾鳍的上下摆动，在胸鳍的配合下，最高速度可达 8~11m/s。
仿生机器海豚
讲解人：江文亮 第一组：江文亮、吴学英 2014.12.23
目录
课题背景 研究目标 基础理论 实现过程
课题背景
一、应用前景
港口水质监测； 水下勘探； 军事应用，如鱼雷的发射，反潜作战等； 载人装备；
课题背景
二、国外现状 MIT于1994年以蓝鳍金枪鱼为仿生对象研制了世界上
（2）快速改变身体重心实现 有些鲭类海洋鱼类的鱼鳔已经退化 ， 他们主要用快速游泳控制游动的深度 。通过调节重心 ，使得鱼体 前倾或上仰，然后尾鳍快速摆动产生推力使鱼体下潜或上浮。
（3）利用胸鳍实现 鲹科中的多数鱼类 ，由于需要快速 游 动，鱼 鳔的作用便不明显 ， 因此通过改变胸 鳍的摆动频率和俯仰角度 来 实现沉浮运动 。
（4）鲹科加月牙尾式推进是在鲹科式推进的基础上发展的一种大展弦比 月牙尾鳍的推进方式，通过鱼体的后 1/ 3部分的尾鳍的大范围的摆动。同 时，鱼体的运动由波动和尾鳍摆动复合而成 。这样可产生超 过 90%的推 力。海洋中的金枪鱼 、鲨鱼和哺乳动物等，他们的推 进方式就是鲹科加 月牙尾 式，因此具有快速游动和高效推进的特点 。在BCF 推 进模式中， 鲹 科加月牙尾式的效率是最高的 。
基础理论
一、鱼类推进模式 MPF（中央鳍/对鳍模式） BCF （身体/尾鳍模式）
基础理论
BCF可以细分为五种推进模式
(1 )鳗鲤式推进是整个鱼体都做大幅值波动，波动幅 值基本不变 ，行进单位距离所消耗的能量最少，但 推进效率不高；
基础理论
（2）亚鲹科式推进与鳗鲤式推进相似，只是鱼体前半部分波幅较小，后 半部分波幅不断增加，鳟鱼是典型的代表；
基础理论
攻角（英文：Attack Angle ），也称迎角，为一流 体力学名词。对于翼形来说， 攻角定义为翼弦与来流速度之 间的夹角，抬头为正，低头为 负，常用符号α表示。
基础理论
二、鱼类浮沉运动的方式
（1）利用鱼鳔实现 绝大多数的鱼类都具有鱼漂，鱼漂在鱼类的沉 浮运动过程中起到很重要的作用。当鱼需要下沉时 ，由于深 度的 增加，鱼体排开水的体积变大，浮力会阻碍鱼体下沉 ，因 此，需 要将鱼漂内的气体排出一部分，从而使浮力减小 ，加速下 沉 。当 鱼需要上浮时 ，通过向鱼鳔内充气而使浮力变大 ， 实现上浮运 动。
(2 ) 肩宽位置(shoulder position : SP)定义为从前缘到最大 厚度占总体长的 百分比。海豚肩宽位置越向后 ，流体可以流过身体的绝大部分 ，因为胸鳍 所在的最大厚度处可能产生层流和紊 流的分离 ，导致游动速度变得更快。 而一般海豚的肩宽位置为 34％ ~ 45％ B L，而肩宽位置 为 45%时的推进 速 度是最大的 。
基础理论
海豚在水中的游动是按照背腹式方式进行的。海豚尾部经 过的轨迹可视为按正弦规律变化的曲线。尾鳍的运动是有沉浮 运动和俯仰运动合成的。沉浮运动主要使尾部和尾鳍产生击水 动作，俯仰运动为击水运动提供合适的攻角。海豚的新月形尾 鳍相当于一个非定常机翼，利用非定常机翼的高升原理在游动 方向上获得高升力。
基础理论
当机器海豚下沉时，通过调节舵机使配重块移动到最 左端的水平位置如图 (a) 所示，当水平游动时，配重块处 在竖直位置如 (b ) 所示，当上浮时，通过调节舵机使配重 块移动到最右端的水平位置如 (c) 所示。同 时，再配合胸 鳍机构的摆动，最终能实现沉浮运动 。
实现过程
一、外形设计
机器海豚外壳设计采用仿生学原理，但是为了减小沉浮和游动时外 壳受到的水阻和压强，没有采用骨架和柔性身体的方案，而采用刚性头 部和身体外壳、胸鳍和尾鳍。
第一条仿生鱼Robo Tuna。
课题背景
二、国外现状 MIT后续研发了多个版本，此为1998年的Robo Tuna
的最高版本。
课题背景
二、国外现状 1999年日本东京工业大学研制的机器海豚
课题背景
三、国内现状 北航的SPC-II型仿生鱼
课题背景
Baidu Nhomakorabea三、国内现状 北京大学研制的机器海豚、中科院自动化所研制的
机器海豚
海豚可以跃出水面, 在空中能完成跃水、乘浪、滑水、 空中转体等复杂动作, 这些高难度动作是鱼类所不能实现 的。
由于人类尚不完全清楚鱼类和海豚的运动机理, 所以 仿真效果至今不理想。由于机器海豚开发研制的诸多困难 , 针对机器海豚的理论和技术研究尚处于起步阶段。
研究目标
以白鳍豚为仿生对象，对仿生海豚进行机械结构设 计，并进行了运动学分析和运动仿真的研究。
实现过程
鲸 豚类可以通过使身体的外形及胸鳍尾鳍变成流线型来使水的阻力降到 最小。目前发现的最有效的流线型轮廓形状的是梭状纺锤型 ，其特点是鱼 体类似泪珠状的形状 ，在身体的前端是圆形的前沿，然后延伸到最大厚度 处 ，最后缓慢地过渡到尖细 的尾 鳍。而评价纺锤形流线外形有几个重要 的指标：
(1 ) 细长比 ( fineness ratio : FR) 是一个表征流线型程度的指标 ，其定义 为 FR= BL/T ，其中BL为体长, T为最大厚度处 。研究表明细长比FR为4.5 时 的流线型形体具有最小的阻力和表面积 ，同时具有最大的体积 ，并且能够 减少75 %的阻力系数。
基础理论
工程上实现机器鱼实现浮沉运动的方案有储水仓法、胸鳍
法、尾鳍摆动法和改变重心法。
基础理论
如图，重心调节机构主要调整重心在竖直方向的位置， 同时可调整重心在水平方向的位置，安装板固定在刚性海 豚头部上，FUTABA舵机安装在电机安装板上，摆动支架 固连在竖直电机输出轴上 ，配重块安装在摆动架上，随 摆动架的摆动一起运动，且配重块材 质为密度较大的铅 块。
（5）箱鲀科模式是完全振动的BCF推进，但效率很低。
基础理论
通过以上对BCF模式的分析可知：鲹科加月牙尾 式在游动速速、推进效率和快速启动方面有着卓越的 性能，因此是仿生机器人研究的热点。
海豚的游动方式并不能简单的归为某一类，但是 与鲹科加月牙尾式推进极其相似。海豚肌肉发达，依 靠尾鳍的上下摆动，在胸鳍的配合下，最高速度可达 8~11m/s。
仿生机器海豚
讲解人：江文亮 第一组：江文亮、吴学英 2014.12.23
目录
课题背景 研究目标 基础理论 实现过程
课题背景
一、应用前景
港口水质监测； 水下勘探； 军事应用，如鱼雷的发射，反潜作战等； 载人装备；
课题背景
二、国外现状 MIT于1994年以蓝鳍金枪鱼为仿生对象研制了世界上
（2）快速改变身体重心实现 有些鲭类海洋鱼类的鱼鳔已经退化 ， 他们主要用快速游泳控制游动的深度 。通过调节重心 ，使得鱼体 前倾或上仰，然后尾鳍快速摆动产生推力使鱼体下潜或上浮。
（3）利用胸鳍实现 鲹科中的多数鱼类 ，由于需要快速 游 动，鱼 鳔的作用便不明显 ， 因此通过改变胸 鳍的摆动频率和俯仰角度 来 实现沉浮运动 。