仿生机器鱼研究进展及发展趋势_王扬威
仿生机器鱼技术研究
仿生机器鱼技术研究自然界中的鱼类一直以来都是人们研究的对象，鱼类的运动方式、行为方式、环境适应性等都是人们经常关注的内容。
受这些启发，仿生机器鱼的研究在近年来逐渐发展起来，成为一项备受关注的技术领域。
一、仿生机器鱼的定义究竟什么是仿生机器鱼呢？它是一种能够模拟自然界鱼类外形及运动方式的机器人。
正如其名称所暗示的那样，仿生机器鱼证明了人类已经可以从自然界中学习并将其应用于技术领域的重要性。
它不仅可以作为一种装置或设备来运用于人工环境中，还可以是一种科学研究工具，在探索深海环境及鱼类行为等领域有着广阔的应用前景。
二、仿生机器鱼的研究内容仿生机器鱼涉及到多个学科领域，比如机械、电子、流体力学、生物学等，其研究内容主要包括以下几个方面：1、外形设计：仿生机器鱼的外形设计是整个研究的第一步。
与自然界中的鱼类相比，仿生机器鱼的形态需要更符合机器人的适用需要。
设计者们需要做出折中考虑，既能减小机器人的重量，又能提高机器人在水中的运动稳定性和水动力性能。
2、材料选择：仿生机器鱼的各部件需要支持与水密支持，还需要经得起海洋环境的各种考验，因此，各种材质的选择显得尤为重要。
选择的材质需要同时具备轻便、强硬、防腐等特点。
3、运动方式：仿生机器鱼运动的方式和自然界中的鱼类有很大不同。
最近的仿生机器鱼运用了一种名为“阿克曼接头”的机构，用于保证仿生鱼在不同深度和遇到不同的阻力时都能灵活移动。
4、智能控制：仿生机器鱼的运动不是像简单机器人那样由人来遥控，而是需要一定的智能控制系统。
基于电子、智能控制等科学技术，在仿生机器鱼上实现智能控制是一项非常重要的任务。
三、仿生机器鱼的应用前景仿生机器鱼的应用前景非常广阔。
考虑到它可以在深海环境中工作，以及在仿生鱼的形态和运动特性中，仿生机器鱼技术在探测和监测水下能源资源、海洋环境监测、海岸线防卫、水下救援等方面都有广泛应用的可能。
此外，仿生机器鱼还有其它种种惊人的应用前景。
比如，仿生机器鱼可以被用于产生能量，尤其是在小型机器人中，可由仿生机器鱼中提取能量供给机器人的运动。
仿生机器鱼研究进展及发展趋势==
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机器鱼系列产品. (4)性能参数： (4)机器海豚系列产品 (7)性能参数： (8)仿生海洋生物进化系列演示平台 (8)水下多机器人协作实验平台 (10)人形机器人双足机器人是一款人形机器人产品，外形可爱身材小巧的机器人能够象人一样的自主行走、舞蹈、打太极拳、体操、上下楼梯等表演。
操作者可通过电脑或遥控器、语音来遥控其动作，也可以通过编程让其实现自己所需要的高难度动作。
17个伺服电机可远程编程，随时更新动作程序图形化操控界面自由度：17个自由度尺寸：25*7*20电池：5V 2500mAH 镍氢电池未名Q鱼采用模块化的设计思想，把所述仿生机器鱼分为传感交互部分、仿生推进部分、上升下潜部分、动力电源部分、控制通讯部分和骨架外形部分等6部分。
前5部分各自独立，通过防水软管相互连接，依次固定在骨架上与外形相互连接，构成所述仿生机器鱼。
这种结构使各部分相互独立，使维修、更换方便，并且减少了由于整体封装而带来的密封问题。
传感交互部分装有超声传感器以感知前方障碍物的距离，并在所述仿生机器鱼的头部装有LED灯，通过灯光的变化与外界产生交互作用。
仿生推进部分使用直流电机通过机械机构的变换之后，把电机的连续转动变换为正弦规律的来回摆动运动。
上升下潜部分采用鱼漂的原理实现仿生机器鱼的上升下潜，动力电源部分采用可充电Li电池为整个系统提供能源。
控制通讯部分通过无线或超声通讯接收遥控器的遥控指令，并为仿生推进部分和上升下潜部分提供控制信号。
骨架外形部分使各部分在机械上相互连接，并能够选用金鱼、鲤鱼、鲨鱼等造型。
机器鱼系列产品Rofish 为仿生机器鱼系列产品，该产品以先进的电子、机械技术，模拟鱼类的游动方式，通过新材料对其外形进行精确仿真，使之达到以假乱真的效果。
性能参数：➢体长：20cm--80cm，需要特殊尺寸可定做。
➢外形：锦鲤、金鱼、海豚、鲨鱼等，可定制。
微小型水下仿生机器人研究现状及发展趋势_王扬威
部 , 通信系统和电源都放在头部 , 有四个摆动关节 , 通过直流电动机驱动 。
浙江大学的陈柏
等人研制出电机驱动
的仿生蝌蚪机 器 人[ 20] , 如图 12所示 。
图 12 仿生蝌蚪机器人
机器人在水中依靠尾部波状摆动前进 。 其柔性尾部
摆动过程中 , 形状类似于一列正弦波 ;机器人波状尾 部摆动时带动它所包络的液体向后流动 , 形成尾涡 。
PZT、 SMA和 高 分子 材 料 等 智 能 材 料具 有 集 传 感与执行于一体 、易于控制等优点 , 因而在微小型水 下仿生机器人驱动机构的设计中得到广泛应用 。研 究功耗低 、输出功率大 、控制性能好的新型智能材料 驱动器将成为未来微小型水下仿生机器人研究的关 键问题 。 2.3 控制技术研究
日本的郭书祥等人研制出导电离子聚合物材料 驱动的微型机器鱼[ 5] 和仿 生水母 [ 6] 。 微 型机器鱼 模仿鱼类的游动原理 , 外形类似小船 , 长 40 mm, 宽 10 mm, 厚 2 mm, 具有一对驱动翼 , 由脉冲电压驱动 而产生推进力 。实验结果表明 , 通过改变脉冲电压 的频率 , 可以改变机器鱼在水中的游动速度 。 仿生 水母宽 42 mm, 高 68 mm。 能在低电压 (约 1 V)的 驱动下低 速 、缓慢的在 水中游动 。 日本的 Kentaro 等人研制出离子聚合物复合材料 (IPMC)驱动的仿
仿生机器鱼的设计与控制方法研究
仿生机器鱼的设计与控制方法研究摘要：仿生机器鱼是一种模仿鱼类运动方式和外形结构的智能机器人。
它具有良好的机动性和适应性，可应用于水下探索、水环境监测和救援等领域。
本文对仿生机器鱼的设计与控制方法进行了研究，包括机器鱼的结构参数选择、运动模型建立和控制策略设计。
1. 引言随着工业技术的不断进步和人类对水下领域的不断探索，仿生机器鱼作为一种新型的智能机器人逐渐受到关注。
仿生机器鱼以其类似鱼类的流线型外形和灵活的运动方式，能够在水下环境中进行高效的工作，具有广阔的应用前景。
2. 仿生机器鱼的结构设计2.1 外形结构仿生机器鱼的外形结构应该模仿真实鱼类的形态，以获得更好的机动性和适应性。
在设计时需要考虑鱼类生物学特征，并结合目标任务进行适当的优化。
常见的仿生机器鱼结构包括鱼头、鱼身和鱼尾三个部分，并且通常采用模块化设计，以方便维修和升级。
2.2 材料选择仿生机器鱼的材料选择需要具备一定的强度和柔韧性，能够承受水下环境的压力和扭曲。
一般采用水下耐腐蚀的材料，并根据需要进行防水处理和密封设计。
3. 仿生机器鱼的运动模型仿生机器鱼的运动模型是对其运动原理进行数学建模，以实现运动控制和路径规划等功能。
模型建立的关键在于准确描述仿生机器鱼的运动机制，并考虑水流、水压和机器鱼的物理特性等因素。
4. 仿生机器鱼的控制方法4.1 基于自主学习的控制方法基于自主学习的控制方法利用机器学习算法，通过对仿生机器鱼进行训练和学习，提高其感知和决策能力。
这种方法可以实现适应性控制，使机器鱼能够在不同环境下自主调整运动策略。
4.2 基于反馈控制的控制方法基于反馈控制的方法通过传感器获取机器鱼的状态信息，并根据设定的控制策略进行调整。
这种方法需要建立准确的控制模型，并进行实时的状态反馈和控制计算。
5. 仿生机器鱼的应用领域仿生机器鱼可以应用于水下探索、水环境监测和救援等领域。
在水下探索中，仿生机器鱼可以携带传感器进行海底地质勘测和海洋生物观察；在水环境监测中，仿生机器鱼可以监测水质、测量水流速度等参数；在救援领域，仿生机器鱼可以进行水下搜救和救援行动，提高救援效率。
基于CPG的仿生环形长鳍波动推进器运动控制_王扬威
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引言（Introduction）
目前水下仿生机器人常用的运动控制主要有基
用于控制系统，使得控制系统的鲁棒性不佳，机器 人不能很好地适应水下非结构化的工作环境．正弦 控制器 [3-4] 是仿生水下机器人运动控制中常用的一 种方法．因为大多数鱼类的身体或鳍的推进波形接 近正弦运动，所以该方法将仿生水下机器人推进器 中每个关节的运动规律设定为正弦周期运动，再通 过改变不同关节之间运动的相位差来改变运动策 略．这种控制方法能明确描述推进波的频率、幅值 和相位等参数的关系，且便于计算机编程．但是当 控制参数（如频率、幅值）突变时易导致关节角产
环形长鳍推进器中每个关节的运动为周期性
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机 器
人
2016 年 11 月
的往复摆动运动，相邻关节的运动存在相位差，通 过改变相位差可以改变环形长鳍的运动规律．图 2 为环形长鳍波动推进器的环形 CPG 网络拓扑结构． 每个振荡子的编号与环形长鳍中的舵机驱动鳍条的 编号对应，每个振荡子都与相邻振荡子耦合．将每 个振荡子的输出信号作为推进器关节角位置控制信 号，通过控制计算机给定期望幅值、频率、相位差， 所构建的环形 CPG 网络拓扑结构就能产生稳定的 节律关节角信号． 基于 Ijspeert 七腮鳗型相位振荡器模型 [8] ，建 立环形长鳍波动推进器中每个振荡子的数学描述方 程为 ∑ ˙i = 2π fi + ϕ wi, j sin(ϕ j − ϕi − φi, j ) j ai r ˙i = ai [ (Ri − ri ) − r ¨i ] 4 (1) b i x ˙i = bi [ (Xi − xi ) − x ¨i ] 4 θi = xi + ri sin ϕi 式中，ϕi、 ri、 xi 为第 i 个振荡子相位、幅值、幅值 偏置的状态变量， fi、 Ri、 Xi 为振荡子的期望频率、 幅值及幅值偏置．当相邻耦合振荡子 i、 j 的频率 相同时，相邻振荡子的相位差会逐渐收敛于一个稳 定值 [8]．为此本文中所有振荡子频率 fi 相同，均设 为 f ；相邻振荡子的耦合关系通过耦合权重 wi, j 及 相位偏置 φi, j 确定，反映了第 j 个振荡子对第 i 个 振荡子的影响程度，耦合权重 wi, j 越大，相位差收 敛速度越大，但是过大的 wi, j 值会导致输入参数改 变时系统过渡不平滑；相位偏置 φi, j 决定了相邻振 荡子 i、 j 稳定输出时它们之间的相位差收敛值，即 ∆ϕ = lim(ϕi − ϕ j ) = φi, j ；ai 及 bi 为正常数，确定 ri、 xi 收敛于 Ri、 Xi 的速度， ai、 bi 的值越大，收敛速 度越快，但是过大的值会导致幅值及幅值偏置改变 时过渡不平滑，本文 CPG 控制模型中采用的 ai、 bi 均为 80． 环形 CPG 网络拓扑结构最终输出会趋于稳定 的极限环：
仿生机器鱼的设计与智能控制的开题报告
仿生机器鱼的设计与智能控制的开题报告一、研究背景和意义随着机器人技术和电子控制技术的不断发展，仿生机器人逐渐成为一种研究热点和发展趋势。
仿生机器人是指模仿生物的外形、结构、动态特性和智能行为，使机器人与生物更加相似，具有更强的适应性和智能化。
其中，仿生机器鱼作为一种仿生机器人，具有良好的水下机动性和仿真性，广泛应用于水下探测、海洋生物学研究、水下资源勘探等领域。
因此，研究仿生机器鱼的设计与智能控制技术，对于推动机器人技术的发展和促进人类社会的进步具有重要意义。
二、研究现状目前，国内外对于仿生机器鱼的研究主要集中于其肢体结构设计和控制系统的优化。
传统的仿生机器鱼通常采用杆式驱动或者薄膜式驱动的机构，但其运动速度较慢，机动性差，难以满足实际应用的需要。
为了提高仿生机器鱼的速度和灵活性，近年来出现了一些新型的驱动机构设计。
例如，采用阿基里斯腱式弹性储能结构作为鱼尾驱动单元的仿生机器鱼，其速度可以达到1.4倍机身长度每秒，具有较高的机动性和运动稳定性。
在控制系统方面，目前最为常见的方法是采用PID控制算法实现姿态稳定和运动控制。
但是，由于水下环境复杂多变，加之水动力学效应的影响，PID控制算法在实际应用中存在一些局限性，如运动控制精度低、鲁棒性弱等问题。
因此，目前研究人员开始尝试应用自适应控制算法和模糊控制算法来解决这些问题，使仿生机器鱼的运动控制更加精准和稳定。
三、研究内容和方法本文拟从仿生机器鱼的机构设计和智能控制两个方面展开研究，具体内容包括：1. 设计阿基里斯腱式弹性储能结构的仿生机器鱼，并分析其水动力学特性和运动性能；2. 尝试应用基于自适应控制和模糊控制的控制算法，分析其在仿生机器鱼运动控制中的适用性和优劣；3. 基于实验数据和仿真模拟结果，对仿生机器鱼的设计和智能控制进行优化和改进，提高其运动速度和机动性。
本文主要采用理论分析、仿真模拟和实验验证相结合的方法，将阿基里斯腱式结构应用于仿生机器鱼的设计中，并对控制算法进行比较和分析，以验证仿生机器鱼的运动性能和控制效果。
仿生机器鲫鱼的设计及运动学实验研究
第18卷第3期2011年6月工程设计学报Journal of Engineering DesignVol.18No.3Jun.2011收稿日期:2011 01 03.基金项目:浙江省高校青年教师资助计划项目(浙教办高科[2010]175号);台州职业技术学院校级重点课题(2011ZD04).作者简介:章永华(1980 ),男,浙江台州人,工程师,博士,从事仿生机器人研究,E mail:yhzhang@tzvtc.co m.DOI:10.3785/j.issn.1006 754X.2011.03.003仿生机器鲫鱼的设计及运动学实验研究章永华1,何建慧1,颜 钦2(1.台州职业技术学院机电工程学院,浙江台州318000;2.中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,安徽合肥230027)摘 要:为实现利用机器鱼进行自主水下生态环境监测、资源勘查和军事侦察等目标,选择了集高效性、高机动性和高稳定性于一体的鲫鱼作为仿生对象.基于鲫鱼形态、骨骼结构和运动学的研究基础,运用仿生学工程原理,开发了高性能的仿生机器鲫鱼模型.详细分析了仿生鲫鱼的设计原理,给出仿生鲫鱼的运动学方程,实验揭示了仿生鲫鱼频率、波幅、波长和相邻关节间的相位差等运动学参数对游动速度的影响规律.通过研究发现:仿生鲫鱼能够有效地在水中游动,游动速度随频率的增加而增加,到频率为1 58H z 左右的时候,游速达到最大值0 48BL /s,随后随频率的增加游速反而降低.随着波幅的增大,机器鲫鱼的游动速度明显增加,当波幅达到6 3cm 时,游速达到最大值0 43BL /s,但之后游速反而略有下降.实验范围内,波长对推进速度的影响基本上是随波长增加而增加.游动速度一开始随相邻关节相位差的增大而增加,到相邻关节相位差为78 左右的时候,游速达到最大值0 35BL /s,随后游速反而下降.研究结果可为今后研制高性能的仿生水下推进器提供理论和实验方法上的参考.关键词:鲫鱼;实验研究;仿生设计;运动学参数;机器鱼中图分类号:T P 24 文献标志码:A 文章编号:1006 754X(2011)03 0167 07Design a nd kinematics parametric investigation of b iomimetic robo tic crucianZH ANG Yong hua 1,H E Jian hui 1,YAN Qin 2(1.Department of Mechatronics Engineering ,Taizhou Vocational Technical College,Taizhou 318000,China;2.Department of Precision M achinery and Precision Instrumentation,U niversity of Science and Technology of China,Hefei 230027,China)Abstract:For the pur pose of autom atic env ironment monitoring,reso urce detecting and military reconno itering by using ro botic fish,w e selected crucian w hich concentrated hig h efficiency ,high maneuverability and high stability as bionic object.Thro ug h principle of bio mimetic eng ineering,w e developed a bioro bo tic crucian model based on mo rpholo gy,skeleto n structure and kinem atics of the crucian species.M eanw hile,a detailed analysis w as pro vided on the design pr inciple,the kinem atic equation w as built,and ex periments w er e conducted to investigate the influences of ki nematic parameters including the frequency,the amplitude,the w av e length and the phase differ ence on velocity.Fro m the ex periments,the fish w as able to g enerate enoug h thrust in static w a ter conditions to propel itself.T he propulsion speed increases with frequency ,and reaches its maxim um value 0 48BL/s at 1 58H z,then decreases w ith frequency;the propulsion speed also increases w ith am plitude,and reaches its maxim um value 0 43BL/s at 6 3cm ,then slightly de creases;the pro pulsion speed alw ay s incr eases w ith w aveleng th in our ex periment;finally,the pro pulsion speed increases w ith the phase difference,and reaches its max im um value 0 35BL/s at 78 ,then decreases.The research results provide valuable theoretical and exper im ental r efer ences fo r dev elo ping high performance bionic underw ater pro pulso rs in future.Key words:crucian;ex perim ental research;biom imetic design;kinem atics param eter;robot fish鱼类经过长期的自然选择和进化过程,形成了适应水下环境的独特能力,进化出身体/尾鳍推进模式(BCF 模式)和中央鳍/对鳍推进模式(M PF 模式)两种典型的游动模式[1 2].其中BCF 模式根据体波波长占体长的百分比又被划分为Ostraciifor m,Carangiform 和Anguilliform 三种形式[3].对于采用Ostraciifo rm 运动方式的鱼类而言,身体在游动过程中几乎保持刚性,仅靠尾部以及尾鳍的小摆幅波动推进.相反,对于采用A ng uilliform 运动方式的鱼类而言,整个身体在游动过程中作大幅度的波状运动,从而推动自身前进或后退.采用Carangifo rm 运动的鱼类则介于两者之间,其身体前2/3保持刚性,后1/3作波状运动.3种运动方式当属采用Car angiform 方式的鱼类游动效率最高[4].自从第1条真正意义上的机器鱼于1994年在MIT 诞生以来[5],机器鱼所展现出的高机动性、高效性、极小的噪声和对水下生物的相容性,在世界范围掀起巨大的研究热潮.学者们采用诸如直流电机、伺服电机、舵机等传统机电驱动,或采用形状记忆合计、压电陶瓷、高分子聚合物等新型智能材料驱动器,研制出一系列BCF 和M PF 模式的机器鱼.典型的代表有美国M IT 研制的Ro boT una,RoboPike [6 7],美国麻省理工学院、哈佛大学、华盛顿大学联合研制的一种三维柔性仿生太阳鱼鱼鳍[8 9],日本运输省的PF 系列和日本三菱公司的仿腔棘鱼类机器鱼[10],英国Essex 大学的机器鲤鱼系列[11 12],新加坡南洋理工大学的机器鳐鱼[13 14],印度尼西亚Bandung 技术学院研制的Labr iform 机器鱼[15].国内的机器鱼主要有北京航空航天大学研制的机器鳗鱼和仿生蝠鲼机器鱼[16 17]、北京自动化研究所的机器鱼[18]、哈尔滨工业大学的仿生乌贼[19 20]、浙江大学的仿乌贼复合推进模式的推进器[21]、国防科技大学的仿生魔鬼鱼[22 23]和中国科学技术大学的机器鱼[24 25]等,另外哈尔滨工程大学和东南大学等都进行过机器鱼的研制工作[26 27].在湍流的环境中保持稳定性和游动的高效性,是仿生机器鱼实现广泛应用的重要前提条件之一.通过综合分析BCF 和M PF 鱼类的特点,Car angi form 具有最佳的综合游动效果.鲫鱼是最常见的隶属于该游动模式的鱼类,因此本文选择该鱼作为仿生对象进行研究.本文在详细分析鲫鱼形态、骨骼结构和运动学的基础上,设计了一条仿生机器鲫鱼,给出该鱼的运动学方程,实验研究了运动学参数对无量纲游动速度的影响,为今后研制高性能的仿生水下推进器提供理论和实验方法上的参考.1 生物学启示鲫鱼,如图1所示,是一种典型的Carang iform 鱼类.早期在对鲫鱼形态学的研究中,我们发现:不同大小鲫鱼的轮廓曲线存在很大差别,但是相对鱼体长度的无量纲量之间却没有太大的差别,也就是说鲫鱼个体差异对于鱼体无量纲化的轮廓曲线没有太大的影响.同时还发现:鲫鱼体长、叉长和总长之间始终保持良好的线性关系,而不受个体差异的影响[28 29].另外,鲫鱼个体差异对于脊椎无量纲化长度影响不大;脊椎关节的相对最大角速度和角加速度随着游速的增加而变大;而在同一游速下,1个运动周期内脊椎关节的角度差、角速度和角加速度出现2次极大值.图1 鲫鱼Fig.1 Crucian2 仿生机构设计2.1 机构原理在仿生机器鲫鱼设计时,坚持形态仿生和结构仿生相结合的理念.基于前期对仿生对象活体鲫鱼形态参数和骨骼参数的测量数据,利用三维机械设计软件Solidw o rks,经拉伸、旋转、放样、切除、组装等操作得到如图2所示的机器鲫鱼三维结构装配示意图及加工需要的零件图.机器鲫鱼总体尺寸为605mm 80m m 200m m,重3 8kg.该机器鱼由鱼头、鱼体和鱼尾三部分组成.鱼头的主要材料为玻璃纤维,利用快速成型技术加工而成.作为机器鱼的指挥中心,鱼头内装有控制电路、传感器、沉浮调节机构、电源、充电和无168 工 程 设 计 学 报 第18卷图2 机器鲫鱼三维结构F ig.2 3D mechanical structure of r obotic cr ucian线通信模块.控制电路的核心是型号为TM S320LF2407的DSP 芯片,具有接收传感器信号,经决策后产生相应的PWM 信号控制电机运动以及与主机通讯的能力.头部有3个红外距离传感器、1个倾角传感器和1个加速度传感器三种类型的传感器.其中红外距离传感器型号为GP2D12,经过特殊防水处理后呈三角形分布安装在头部,用于感知环境实现自主避障.而倾角传感器和加速度传感器则用于感知自身的游动状态.沉浮运动是仿生水下机器鱼必须具有的最基本的功能之一,由于悬浮是非稳态的,通常机器鱼是按照正浮力设计,其大小一般为总重量的1%~3%.仿生机器鲫鱼采用重心调节法实现沉浮运动,通过直流电机带动材料为40Cr 的丝杠旋转,带动铅质配重块沿导向轴前后移动.无线通讯模块采用上海桑博公司的无线通讯传输模块STR 30.鱼体外廓包络形状与仿生对象一致,骨架为硬铝椭圆环,FU TABA 公司型号为S9402的4只舵机可实现鱼体的四自由度运动,与许多仿生机器鱼不同的是,舵机位置并不在同一水平线上,其分布形式接近仿生对象脊椎的弯曲情况.为防止包裹在椭圆环外的弹性蒙皮在水中发生鼓包现象,在鱼体的空隙位置填充海绵.鱼尾则采用柔软的塑料薄片按照鲫鱼尾鳍的形状设计.研究表明:尾鳍的形状和刚度对机器鱼的游动性能起非常重要的作用[30].2.2 运动学分析一个有n 个转动关节的机器鱼可以简化成如图3所示的模型.这里将推进器的运动简化成平面定轴转动,得到某一时刻t 机器鱼第n 关节的速度矢量如式(1)所示[31]:+ni=1[ni=)图3 机器鲫鱼的运动学简化模型F ig.3 Simplified model for kinematics analysis o fr obotic crucian式中: i = i max sin [2 k(L b i )+ t + ]为第i 关节与x 轴的夹角;V b x ,V b y 分别是坐标原点x ,y 方向的瞬时速度矢量;为原点的瞬时角速度矢量;k 为身体波波数,为波长倒数;L b i 为仿鱼推进器第i 关节到坐标原点的距离;L i 为第i 关节的长度; 为相邻关节的相位差; =2 f 为角频率.按照lighthill 的波动推进理论,身体波动的形式决定了鱼的游动性能和游动效率,而鱼类身体中心线的波动方程是决定鱼类游动波动方式的最主要参数[32].机器鲫鱼的游动方程可以用式(2)进行描述[33]:y x ,t =c 1x +c 2x2sin kx + t ,(2)式中,c 1x +c 2x 2为波幅包络线方程,c 1,c 2为系数.对四关节机器鱼而言,可以进一步在时间上对方程(2)离散处理,得到适合于控制的方程式(3):y x i =c 1x i +c 2x 2i sin kx i -2nm,(3)式中,i 取值为0,1,2,3,x i 表示第i 个关节在x轴的位置,m 为把机器鱼关节一个连续的周期摆动变成用于控制的离散点的间隔数量,因此,n 取值为0,1,2, ,m -1.3 实验测试通过实验分别测量了波动频率、波幅、波长及相位差等运动学参数对仿生机器鲫鱼推进速度的影响,并讨论了影响规律.3.1 实验原理图4为研究机器鲫鱼运动学参数对推进速度影响的实验原理图.实验装置主要由机器鱼实验模型、大水池、高速摄像系统和参考坐标网格组成.水池空间长 宽 高为4m 2m 1m .高速摄影系统悬挂在水池中心正上方,其型号为SpeedCAM ,该系统由高速CCD 摄像机、光学系统、图像采集卡、光缆、光源(1kW 的钨灯)和计算机等组成,其中:高169 第3期 章永华,等:仿生机器鲫鱼的设计及运动学实验研究速CCD 摄像机的最大分辨率为512 512个像素,最高拍摄速度为1000帧/s;图像由多通道单色采集卡采集;计算机操作系统具有人机交互接口,完成图像采集与处理分析.软件以图像采集为中心,图片以bm p 格式保存,可根据需要存储在硬盘上.实验中采用的采样频率为250帧/s,像素为512 512.用于分析的图像应该具有清晰的影像效果、良好的运动特征和最小壁面效应(w all effect)的影响,为减少图像处理误差,选取机器鱼进入摄像头视场正下方的图片进行分析.坐标网格为随后的数据处理提供参考值,其最小刻度为1cm.图4 实验装置F ig.4 Ex periment equipment s3.2 速度的测量方法推进速度是考察仿生机器鱼游动性能的主要指标之一,其测量的基本原理为:对机器鱼上的标记点在很短的时间间隔内进行采样,并对2次采样结果进行相关运算,提取时间间隔和移动距离信息,进而计算出运动物体的速度.所以速度v 可以定义为时间间隔 t 内的位移变化量 s,即v =k st,(4) t 由CC D 的拍摄速度确定, s 为距离信息,通过截取的图像分析获取,系数k 表示由参考坐标网格确定的图像记录的坐标数据和真实坐标数据之间的比例信息.4 实验结果及讨论4.1 机器鲫鱼周期运动的时序图图5为机器鲫鱼在稳定巡游时1个周期内的视频截图,T 表示巡游周期,图像截取时间间隔为0 2T.从实验效果来看,机器鲫鱼能够实现稳定推进,游动姿态和仿生对象十分相似.图6为机器鲫鱼转弯情况,较小的转弯半径说明该机器鱼具有很高的机动性.图5 机器鲫鱼1个游动周期时序图(T 为波动周期)F ig.5 Photo s o f r obotic crucian during one sw immingper iod图6 机器鲫鱼转弯时序图Fig.6 P ho tos of r obotic cr ucian dur ing t ur ning4.2 运动学参数对游动速度的影响将游动速度和波长相对体长作无量纲处理,进一步研究运动学参数的变化对机器鱼无量纲推进速度的影响.图7所示为在最大波幅为0 06m,相位差为90 ,相对波长为0 75(即波长为鱼体体长的3/4)下,机器鲫鱼的游动速度和频率之间的关系,其中BL(bo dy leng th)为体长.游动速度随频率的增加而增加,到频率为1 58H z 左右的时候,游速达到最大值0 48BL/s,随后随频率的增加游速反而降低.此结论与数值计算结果并不一致,数值计算结论认为,游速随着频率的增加近似线性增大,并始终保持该170 工 程 设 计 学 报 第18卷关系[34].而与大多数类似的关于机器鱼游动频率和游速关系的实验研究结果相符[14,35].这可能是当波动频率继续增大时,机电系统进入饱和区,实际并未达到设定的频率造成的,制约了推进器推进速度的进一步增大[36].图7 游动速度与频率关系Fig.7 Relat ionship betw een fr equency and pr opulsio nspeed图8所示为在频率为1 00H z,相位差为90 ,相对波长为0 75时,机器鲫鱼的游动速度和最大波幅之间的关系.随着波幅的增大,机器鲫鱼的游动速度明显增加.当波幅达到6 3cm 时,游速达到最大值0 43BL/s,但随后游速反而会略有下降.T rian tafyllou 指出:Car angiform 鱼类产生最大推进力的条件之一是最大波幅不能超过鱼类体长的10%[37].本文机器鱼体长为0 605m,拐点的波幅约占体长的10 4%,因此,符合T riantafy llou 的结论.图8 游动速度与最大波幅关系Fig.8 Relat ionship betw een max imum amplitudeand speed图9所示为在频率为1 00H z,最大波幅为0 06m,相位差为90 时,机器鲫鱼的游动速度和相对波长之间的关系,这里相对波长指的是鱼体推进波的波长占鱼体体长的比例.相对波长对推进速度的影响基本上是随波长增加而增加,这一点和实际的生物观察测量实验结果和数值仿真结果一致[34 36].图10所示为在频率为1 00H z,最大波幅为0 06m,相对波长为0 75时,机器鲫鱼的游动速度和相邻关节相位差之间的关系.同样,游动速度一开图9 游动速度与相对波长关系Fig.9 Relationship between relative wave length and speed图10 游动速度与相邻关节相位差关系Fig.10 Relationship between phase difference and speed始随相邻关节相位差的增大而增加,到相邻关节相位差为78 左右的时候,游速达到最大值0 35BL/s,随后游速反而下降.5 结 论本文在详细分析鲫鱼形态、骨骼结构和运动学的基础上,设计了一条仿生机器鲫鱼,给出该鱼的运动学方程,实验研究了运动学参数对无量纲游动速度的影响,得出以下几点结论:1)游动速度随频率的增加而增加,到频率为1 58H z 左右的时候,游速达到最大值0 48BL/s,随后随频率的增加游速反而降低.2)随着波幅的增大,机器鲫鱼的游动速度明显增加.当波幅达到6 3cm 时,游速达到最大值0 43BL/s,但之后游速随波幅增加反而会略有下降.3)波长对推进速度的影响基本上是推进速度随波长增加而增加.4)游动速度一开始随相邻关节相位差的增大而增加,到相邻关节相位差为78 左右的时候,游速达到最大值0 35BL/s,随后游速反而下降.参考文献:[1]CO LG A T E J E,L Y N CH K M.M echanics and co ntr olof sw imming :a r eview [J].IEEE Jo ur nal of Oceanic Eng ineer ing,2004,29(3):660 673.171 第3期 章永华,等:仿生机器鲫鱼的设计及运动学实验研究[2]BLA K E R W.F ish functional desig n and swimm ing perfor mance [J].Jo ur nal of F ish Bio log y,2004,65(5):1193 1222.[3]BR ED ER C M.T he lo comotion o f fishes [J].Zoo lo gica,1926,4:159 297.[4]W EBB P W.H y dr odynamics and ener getics of fish propulsion 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胸鳍波动推进仿生机器鱼研究进展与分析
胸鳍波动推进仿生机器鱼研究进展与分析
谭进波;王扬威;顾宝彤;赵东标
【期刊名称】《微特电机》
【年(卷),期】2014(042)010
【摘要】胸鳍波动推进仿生机器鱼具有推进高效、低速稳定和机动性高的特点,逐渐成为仿生机器鱼领域的研究热点.首先对胸鳍波动推进模式的特征进行总结,然后从胸鳍波动推进机理研究和仿生机器鱼样机的研制两个方面详细介绍了胸鳍波动推进仿生机器鱼的国内外研究现状,最后对仿生机器鱼的关键技术进行了分析和讨论.【总页数】6页(P78-82,88)
【作者】谭进波;王扬威;顾宝彤;赵东标
【作者单位】南京航空航天大学,南京210016;南京航空航天大学,南京210016;南京航空航天大学,南京210016;南京航空航天大学,南京210016
【正文语种】中文
【中图分类】TM359.9
【相关文献】
1.胸鳍摆动推进仿生鱼研究进展与分析 [J], 蔡月日;毕树生
2.仿鱼长鳍波动推进水下航行器研究进展与分析 [J], 王睿;王硕;魏清平
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5.仿生机器鱼胸鳍波动与摆动融合推进机制建模及实验研究 [J], 范增;王扬威;刘凯;赵东标;;
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基于BCF柔性机理的水质监测仿生机器鱼
基于BCF柔性机理的水质监测仿生机器鱼发表时间：2018-10-22T15:56:27.837Z 来源：《电力设备》2018年第17期作者：耿传玉许崇伟甄宗霖樊桂菊(通讯作者)[导读] 摘要:本团队研发了一种基于BCF柔性机理的用于水质监测的仿生机器鱼，该装置包含机器硬件结构和监测系统。
(山东农业大学机械与电子工程学院泰安 271000)摘要:本团队研发了一种基于BCF柔性机理的用于水质监测的仿生机器鱼，该装置包含机器硬件结构和监测系统。
该装置的机器硬件结构主要根据水下鱼类的运动姿态以及身体比例建模。
控制监测系统主要包括STM32芯片、酸碱度传感器、蓝牙摄像头、WIFI模块、上位机以及电调等遥控器控制部分。
该机器鱼的功能实用，能有效的对水质进行初步检测，且该机器鱼的自动化程度较高，能有效减轻人们负担，完成对水下检测的简单要求。
背景：当今时代，仿生鱼成为很多科研项目研究的重点领域。
由于社会的不断发展，仿生鱼开始逐渐扩展其应用的范围，这也导致此类机器人要面对更为复杂的工作环境，这就对仿生鱼的研究发展及其功能提出了更多要求，为了迎合这些不同环境带来的不同环境需求，机器人研究工作者开始在不同的领域需求解决的办法来研制出能适应各种工作环境的仿生机器鱼，这对机器人研究者提出了很大的挑战，然而大自然的进化奥秘却给他们带来了机器人的设计灵感，几十亿年来，大自然的动物不断进化其身体结构和机能来适应恶劣的环境，在研究后发现，许多动物的身体结构是人类难以想象出来的，这也正是研究工作者们所需要发现和模仿的，是整个机器人设计的关键所在。
通过这些大自然的进化者神奇的身体结构，研究工作者们研制了许多不同的机器人，仿生机器鱼就是其中一种，这种“鱼类”在很大程度上帮助了人们对于水下的探索以及水质的检测。
当人们需要在一些恶劣或者地形不明确的河流或者是水源的地方进行水样抽取或者检验时，基于BCF柔性机理的水质监测仿生机器鱼可以帮助人们完成对水质的初步了解，减少不必要的麻烦，为明确检测方向提供依据。
乌贼游动机理及其在仿生水下机器人上的应用
乌贼游动机理及其在仿生水下机器人上的应用王振龙;杭观荣;王扬威;李健【期刊名称】《机械工程学报》【年(卷),期】2008(44)6【摘要】针对大多数机器鱼未采用弹性机制来提高能量利用效率和耐压能力低等的不足,对拥有高超游动能力,具有耐压结构的乌贼进行研究。
分析乌贼喷射和鳍波动推进的游动机理,给出喷射推力、喷射和整周期流体推进效率方程。
乌贼复合游动方式的优点是高速性和低速性均很好,能瞬时改变游动方向,噪声低,以及即使喷射速度低于周围流体速度,也能产生推力。
为深入说明乌贼游动机理,研究乌贼外套膜和鳍这两套运动系统的肌肉性静水骨骼结构及其动作原理。
肌肉性骨骼不但具有支撑躯体,进行动作和输出力的作用,还具有良好的耐压能力。
大多数乌贼体内没有充气组织,外套膜腔内外静压平衡,进一步提高了它们的耐压能力。
乌贼动作时,弹性机制能够减少能量消耗,提高能量利用效率。
若能将乌贼的游动方式、肌肉组织结构和弹性机制等特点应用到仿生水下机器人上,将使其更加高效、灵活和耐压。
【总页数】9页(P1-9)【关键词】乌贼;游动机理;肌肉性静水骨骼;弹性机制;仿生乌贼机器人【作者】王振龙;杭观荣;王扬威;李健【作者单位】哈尔滨工业大学机电工程学院【正文语种】中文【中图分类】TP242.3【相关文献】1.形状记忆合金在仿生水下泳动机器人中的应用 [J], 李健;王振龙;郭艳玲2.OCPA仿生自主学习系统及在机器人姿态平衡控制上的应用 [J], 蔡建羡;阮晓钢3.智能材料在水下仿生机器人驱动中的应用综述 [J], 刘贵杰;刘展文;田晓洁;王清扬;陈功4.海马空间认知机理及其在仿生机器人导航中的应用 [J], 于乃功;李倜;方略;因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
仿生机器鱼在水下探测中的应用研究
仿生机器鱼在水下探测中的应用研究在水下探测领域，虽然已经出现了许多高科技的设备，但是传统的潜水艇等设备却存在诸多的不足，比如噪音大、造价昂贵等问题。
而仿生机器鱼作为一种新型水下探测设备，其优异的性能和低廉的价格让人们越来越关注它。
一、仿生机器鱼的发展历程仿生机器鱼的概念最早可以追溯到上世纪八十年代，当时美国纳税人联盟推出了一项名为“我为何要为一条鱼出钱”的运动，机器鱼项目则是其中的一个支持项目。
此后，越来越多的科学家开始异想天开，试图研制出一种可在水下自由活动并执行某种任务的机器鱼。
近年来，随着人工智能、传感技术等科技的迅速发展，仿生机器鱼的研制进入了一个快速发展的时期。
从最初的底盘、摆尾到逐渐实现完整的仿生鱼体，仿生机器鱼已经不再只是一个概念，而是通过不断实验和改进，逐步变成了一种带有实际应用价值的机器人。
二、仿生机器鱼的原理和性能特点仿生机器鱼的外观和动作都是模拟真实鱼类的。
其主要原理是采用一组电机驱动摆尾，并以尾部位置的微调来更改鱼体运动轨迹，从而实现鱼类的自由游动。
同时，通过传感器和数据采集器，仿生机器鱼还能够实现环境感知和控制。
仿生机器鱼由于其良好的仿生性，具有逼真鱼类运动、低噪声、低能耗、适应性强等特点，因此可以被广泛应用于水下探测、水族馆展览、水下摄影等领域。
三、仿生机器鱼在水下探测中的应用前景仿生机器鱼作为一种新兴的水下探测设备，其应用前景也越来越广泛。
在海洋勘探、水下环境监测、水下物流运输等领域，仿生机器鱼都已经被应用。
首先，仿生机器鱼可以用于海洋勘探领域。
现有的探测设备很难获取更深的海洋信息。
而仿生机器鱼在探测海底建筑、海洋生物等问题上具有很大的优势，可以更深入地了解海洋世界。
其次，仿生机器鱼还可以用于水下环境监测。
水下环境监测需要不间断、全面的水下信息收集，并通过处理后上传到地面，在人类不能够到达的水下区域，仿生机器鱼则可以轻松的收集信息。
最后，仿生机器鱼还可以用于水下物流运输，如水下管道维修等方面。
仿生机器鱼研究进展及发展趋势_王扬威
第27卷第2期2011年4月机械设计与研究M a c h i n e D e s i g n a n dR e s e a r c h V o l .27N o .2A p r .,2011收稿日期:2010-05-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(50775049);机器人技术与系统国家重点实验室(哈尔滨工业大学)自主资助研究课题(S K L R S 200805C )文章编号:1006-2343(2011)02-022-04仿生机器鱼研究进展及发展趋势王扬威,王振龙,李 健(哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨 150001,E -m a i l :w y w k l y @126.c o m ) 摘 要:随着海洋资源开发和利用的深入,仿生机器鱼已成为水下机器人研究的热点问题。
文中介绍了仿生机器鱼的分类,分析了各类型的游动特点。
对鱼类游动机理和仿生机器鱼的研究现状进行了综述,总结了仿生机器鱼研究的关键技术和未来发展趋势。
关键词:海洋资源;水下机器人;仿生机器鱼中图分类号:T P 242.3 文献标识码:AR e s e a r c hD e v e l o p m e n t a n dT e n d e n c y o f B i o m i m e t i c R o b o t F i s hW A N GY a n g -w e i ,W A N GZ h e n -l o n g ,L I J i a n(S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f R o b o t i c s a n d S y s t e m ,H a r b i nI n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ,H a r b i n 150001,C h i n a ) A b s t r a c t :B i o m i m e t i c r o b o t f i s h h a s b e c o m e a r e s e a r c h f o c u s i n u n d e r w a t e r r o b o t d o m a i n w i t h t h e e x p l o i t a t i o n a n d u t i l i z a t i o n o f o c e a n i c r e s o u r c e s .T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e c a t e g o r i e s o f b i o m i m e t i c r o b o t f i s ha n da n a l y s e s t h ec h a r a c -t e r i s t i c s o f t h e v a r i o u s s w i m m i n g t y p e s f i r s t l y .T h e n t h e r e s e a r c h s t a t u s i nq u o o f f i s hs w i m m i n g t h e o r y a n d b i o m i m e t i c r o b o t f i s h i s r e v i e w e d .A t l a s t t h e k e y t e c h n o l o g i e s a n d t h e d e v e l o p i n gt e n d e n c y o f b i o m i m e t i c r o b o t f i s h i s d i s c u s s e d .K e y w o r d s :o c e a n i c r e s o u r c e s ;u n d e r w a t e r r o b o t ;b i o m i m e t i c r o b o t f i s h 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。
仿生机器鱼的运动控制技术研究
仿生机器鱼的运动控制技术研究第一章：引言随着科技的不断发展，人们对仿生机器人的研究越来越深入，仿生机器鱼也因其优良的灵活性、自适应性、高效性等特点而备受关注。
仿生机器鱼作为一种新型水下机器人，已经广泛应用于水下探测、水下作业等领域。
其中，运动控制技术的研究对于仿生机器鱼的性能提升具有重要的意义。
本文将对仿生机器鱼的运动控制技术进行研究和探讨。
第二章：仿生机器鱼的结构与运动模式仿生机器鱼的结构一般包括身体、尾部、鳍和控制模块等部分。
不同的仿生机器鱼结构也会对运动特性产生影响。
在运动模式方面，仿生机器鱼主要包括三种类型：摆尾式、扭腰摆尾式和自由游泳式。
摆尾式的仿生机器鱼通过尾部抖动来产生前进的推进力，扭腰摆尾式的仿生机器鱼则采用躯干的扭动来产生前进力，自由游泳式的仿生机器鱼则逐渐产生推进力，并向水中进行泳姿的优化。
第三章：仿生机器鱼的运动特性分析仿生机器鱼的运动特性受到其结构和运动模式的影响。
在仿生机器鱼运动过程中，需要考虑到其前进方向控制、稳定性保持和定位等问题。
在前进方面，能否实现快速而稳定的前进显得尤为重要。
稳定性方面，仿生机器鱼需要考虑到水流力和惯性力等因素的影响。
在定位方面，仿生机器鱼需要通过对自身位置的感知，以及对环境的识别和理解，实现水下作业等任务。
第四章：仿生机器鱼的控制方法在仿生机器鱼的控制方法中，传统的PID控制方法被广泛应用，可实现基本的前进控制和姿态控制。
同时，为了更好地实现仿生机器鱼的运动控制，一些新的控制方法也开始涌现。
如模糊控制、人工神经网络控制和遗传算法控制等。
这些新的控制方法可以更好地解决仿生机器鱼运动过程中的非线性、不确定性和耦合性等问题，从而提高仿生机器鱼的性能和稳定性。
第五章：仿生机器鱼的优化算法仿生机器鱼的运动控制需要考虑多种因素，如运动模式、流体力学特性、水流环境等。
针对这些因素，仿生机器鱼的运动控制可以通过优化算法来进行提升。
常见的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、人工蜂群算法和差分进化算法等。
仿生机器鱼的设计与优化
仿生机器鱼的设计与优化一、绪论随着工业化和人口的不断增长，对水产资源的需求也越来越大。
因此，为了更好地满足人们对水产品的需求，加强水产养殖也成为了我们摆在面前的任务之一。
而仿生机器鱼技术的应用，为水产养殖行业注入了新的活力。
二、仿生技术的基本原理仿生技术是一种模仿自然生物形态和机理，进行人工设计和制造的技术。
其基本原理是通过对自然界生物形态、生理机能等进行深入研究，提取其中的优秀特征，应用到工程设计中，达到优化设计的目的。
三、仿生机器鱼的设计及其作用1、仿生机器鱼的设计仿生机器鱼是一种通过仿生技术制造的机器鱼，在外形、运动和色彩方面与真实鱼类相似。
其设计基本包括机器鱼的外形设计、内部结构设计以及运动特点的刻画等部分。
在这个过程中需要对如何提高其智能化、适应不同环境等方面进行研究。
2、仿生机器鱼的作用仿生机器鱼的应用主要体现在以下几个方面：（1）水产养殖：将仿生机器鱼投入到具有相同水环境的水产养殖中，可以模拟真实鱼类的生长环境，从而提高水产养殖效率和产量。
（2）水下监测：在水下环境中，通过仿生机器鱼的运动、采样和研究分析等功能，可以监测河流、湖泊等水域的水质状况、鱼类生态及种群数量等信息。
（3）水下探测：仿生机器鱼可以拥有类似于真实鱼类的敏锐感官，可以更好地进行水下搜索、侦查及行动。
四、仿生机器鱼的优化及其应用1、仿生机器鱼的优化仿生机器鱼设计的优化需要关注以下几个方面：（1）机器鱼的形态优化：改善外形设计会直接影响到机器鱼的运动性能。
为了达到更好的性能指标，必须对机器鱼的外形进行优化改造。
（2）机器鱼的动力优化：机器鱼动力与能源的优化是提高其泳速和续航能力的关键。
可以通过优化驱动系统、减轻机器鱼的质量等措施来提高动力效率。
（3）机器鱼的感知优化：仿生机器鱼的感知系统直接影响到其水下行动和任务完成情况，特别是对于水下探测和监测功能来说，感知系统的优化显得尤为重要。
2、仿生机器鱼的应用（1）水产养殖领域中，仿生机器鱼作为一种智能化养殖技术，通过对水环境进行模拟，可以改善水产养殖业的发展状况。
仿生机械鱼研究新进展
仿生机械鱼研究新进展近年来，仿生机械鱼研究取得了新的进展，对于科学、技术和环境保护领域都具有重要意义。
仿生机械鱼是借鉴了生物鱼类的鱼鳍、鱼尾、水动力学和游泳方式等特点设计制造出来的机器。
首先，仿生机械鱼研究在科学领域具有重要意义。
通过深入研究生物鱼类的运动方式和生理特征，科学家们能够揭示自然界中生物的机体结构和机能性能的奥秘。
仿生机械鱼能够模拟真实鱼的运动方式，使得科学家们能够更好地理解鱼类的行为和适应性，为生物学家们提供了宝贵的研究工具。
其次，仿生机械鱼研究在技术领域也有着广泛的应用前景。
仿生机械鱼的设计和制造可以为水下探测、海洋勘探、海洋救援等领域提供创新解决方案。
例如，仿生机械鱼可以被用于水下摄像、水下声纳和水下通信等任务，能够在水下环境中更好地完成各种任务。
此外，仿生机械鱼的制造和控制技术也有望在水下机器人、智能交通等领域得到广泛应用。
再者，仿生机械鱼研究对于环境保护具有重要意义。
随着环境污染和捕捞压力的增加，水生物种的数量在快速减少。
仿生机械鱼可以被用于监测海洋环境、调查水生物种群和保护水生生态系统等任务，有助于及时发现和解决环境问题。
此外，仿生机械鱼还可以被用于海洋生物保护区的巡逻和监测，为维护生物多样性和保护海洋生态系统做出贡献。
值得一提的是，近年来，仿生机械鱼的研究取得了一些新进展。
传统仿生机械鱼主要通过模拟真实鱼的游泳方式来实现，但存在着机体结构复杂、制造难度大和控制精度不高等问题。
然而，最近一项研究表明，利用智能材料和机械设计方面的突破，可以开发出更加高效和精确的仿生机械鱼。
例如，研究人员发现，利用电致变色性形状记忆合金等智能材料可以实现仿生机械鱼鱼鳍的形状变化，从而提高机械鱼的运动效率和控制性能。
此外，还有研究表明，通过利用微型化和纳米技术，可以制造出更小巧和精确的仿生机械鱼，有望在微观环境中实现各类精准操作。
综上所述，仿生机械鱼研究在科学、技术和环境保护领域都取得了新的进展，并具有广泛的应用前景。
仿生机器鱼的设计和研究
仿生机器鱼的设计和研究自从人类引领着科技进步以来，仿生工程逐渐走进了人们的生活。
仿生技术的应用不仅改变了现实生活，也推动了科技的飞速发展。
其中，仿生机器的研发正受到越来越多的关注。
在这些机器之中，仿生机器鱼的出现让人们眼前一亮。
仿生机器鱼所蕴藏的飞跃，正体现了我国科技发展和应用水平的提高。
一、仿生机器鱼的设计初衷仿生机器鱼，有着丰富的内涵和广阔的应用前景。
仿生机器鱼是指模仿生物鱼类的外形、结构和运动方式，设计与制造出来的机器鱼。
仿生机器鱼的研究始于2004年，最初设计目的是模拟海洋环境下的操纵和执行任务。
最初，仿生机器鱼的设计初衷，是为了执行与海洋有关的任务，如探测水下情况，支持搜救工作以及减轻对海洋生态环境的破坏和损害。
随着研究的不断深入，仿生机器鱼已经应用到了智能机器人、自主控制、水下探测等多个领域。
二、仿生机器鱼的工作原理仿生机器鱼主要由电机、水轮或螺旋线、控制设备以及鱼的外部壳体组成。
仿生机器鱼的工作原理与真实鱼类极为相似。
它可以在水中舒展几何，像真正的鱼一样自由自在的栖息和游动。
仿生机器鱼通过装有水泵的尾部推进器、装有导轮的鱼尾、光学传感器、电子控制器和锂电池组成的控制系统来实现自主运动和控制，进而达到仿生效果。
三、仿生机器鱼的应用场景1.海洋探测仿生机器鱼是一个理想的海洋探测工具。
它通过真实模拟鱼类的外形、结构和运动方式，摆脱了传统探测器在海底工作所面临的问题，如通讯传输受干扰和无法跨越大面积地带等问题。
2.流体力学研究仿生机器鱼的出现，为流体力学的研究带来了崭新的思路。
仿生机器鱼能够发挥极大的作用，对水下流体的动力特性进行研究，在水下声波传播、声纳处理、减水噪声等方面取得一定的成果。
3.商业应用仿生机器鱼的应用可以拓宽水下商业领域。
以渔具商为例，仿生机器鱼可以扮演新型的诱饵，可以提高传统钓鱼的效率，可应用于渔业生产中。
四、仿生机器鱼的未来展望仿生机器鱼的研究不仅仅是探究科学和技术，更是对未来的展望和期待。
微小型水下仿生机器人研究现状及发展趋势
微小型水下仿生机器人研究现状及发展趋势
王扬威;王振龙;李健
【期刊名称】《微特电机》
【年(卷),期】2010(38)12
【摘要】随着微型机电系统(MEMS)相关技术的发展,微小型水下仿生机器人已成为各国广泛研究的热点问题.综述了微小型水下仿生机器人的研究现状,讨论分析了微小型水下仿生机器人研究的关键问题和发展趋势.
【总页数】4页(P66-69)
【作者】王扬威;王振龙;李健
【作者单位】哈尔滨工业大学,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,黑龙江,哈尔滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TM38
【相关文献】
1.微小型仿生机器人远程监控平台的设计 [J], 陈言言;丑武胜;黄荣瑛;王田苗
2.水下仿生机器人CPG控制方法研究现状综述 [J], 闫勇程;王扬威;兰博文;赵东标
3.水下仿生机器人研究综述 [J], 蒲欣岩
4.水下轻便微小型多功能编码声源系统研究 [J], 张庆国;李兴武;连莉;颜家雄
5.微小型水下机器人断电保护方法及艏向跟踪性能研究 [J], 殷宝吉;朱华伦;唐文献;金志坤;喻宇阳
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抗力理论能够很好地解释微小 水生动物的运 动规律 , 但由于 忽略了流体运动的惯性力 , 仅适用于微小 水生动物 游动时雷
诺数很低 (雷诺数小于 1)的情况 。 2.1.2 细长体理论
Lighthill提 出 了 “细 长 体 理 论 ” 和 “大 摆 幅 细 长 体 理 论 ” [ 4] , 将细长鱼身的运动放在横流截面中来研究 , 从而将三
同 , 目前 的波 动推 进理论 可以 分为抗 力理 论 (Resistiveforce
theory)和反作用 力理 论 (Reactiveforcetheory)两大 类 , 前者
强调水的粘性力作用 , 后者强调推进器在 无粘流体 中波动时
的惯性力 [ 2] 。 反作用力理论发展迅速 , 相对较为完 善并用于
(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 (见图 3), 并在 伦敦水族 馆进行 了展览 [ 10] 。 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 [ 11] 设想 。 (3)模仿鲔科游动模式的仿生机器鱼 美国麻省理工学院 (MIT)通 过对金枪 鱼的长 期研究 , 成
△图 2 机器七鳃鳗 [ 8]
维非定常流动简化为准平面非 定常流动 , 采用扰动 原理对微 分方程进行简化 , 推导出了只与推进器尾 端横截面 流动参数 相关的推力和推 进效 率计算 公式 。 该 理论 广泛 用于分 析鳗 鲡 、鲹科和鲔科推进模式 。 2.1.3 波动板理论
1960 年 , 吴耀祖 应用 势流 理论 和线 性 边界 层条 件 对柔 性二维波动板的推 进性能 进行了研 究 , 提出 了 “二维波 动板 理论 ” [ 5] 。 此后 , 童秉纲等 将二维波 动板模 型推 广到三 维情
2 仿生机器鱼研究现状
鱼类是海洋和淡水 中最常见的游动生物 , 其具有 的低阻 力外形和高效 、灵活的游动方式是人类水 下航行器设 计的重 要参考 。 鱼类游动 机理的 研究 是仿生 机器 鱼设 计研究 的基 础 。 对于鱼类游动机理的研究开展 的较早 , 在观测和 实验的 基础上 , 相继建立了多种游动 推进理论 。 20 世纪 90 年代以 后 , 随着相关技术的发 展 , 研究 人员研 制出 真正 意义上 的模 仿鱼类游动模式的机器 鱼 。
功研制出世界 第一条仿 生机
况 , 基于小幅波动面的线性非定常势流理 论研究了 任意平面 形状 、展弦比的波动 板 , 建立了 三维 波动板 理论 [ 6] 。 该 理论
器 金 枪 鱼 ——— “ Robo Tuna”[ 12] (见图 4), 长约 1.2
利用势流理论中的 涡环面 元法 同时在 时域 和频 域内进 行求 m, 游 速达 7.2 km/h。 证 明
Key words:oceanicresources;underwaterrobot;biomimeticrobotfish
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 。
收稿日期 : 2010 -05 -10 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50775049);机器人技术与系
统国家 重 点 实 验 室 (哈 尔 滨 工 业 大 学 )自 主 资 助 研 究 课 题 (SKLRS200805C)
1 仿生机器鱼的分类及 特点
仿生机器鱼是通过模仿鱼类 的游动方式 来实现推进 的 , 其分类可以依据 鱼类 游动分 类方 式进行 划分 。 根据鱼 类游 动使用的身体部位不同可以将鱼 类游动分 为身体和 /或尾鳍 推进 (Bodyand/orcaudalfinpropulsion, BCF)模 式 及中 鳍 和 /或对鳍推进 (Mediaand/orpairedfinpropulsion, MPF)模 式 (见图 1), 每种模式又可分为几 个小类 [ 1] 。 纯波动 是指游 动时推进波波数不 少于 1, 而纯 摆动 小于 0.5。 BCF模 式和 MPF模式均包括了从纯波动到纯摆动的推进方式 。
第202171卷年第4
2期 月
机械设计与研究 MachineDesignandResearch
Vol.27 No.2 Apr., 2011
文章编号 :1006-2343(2011)02-022-04
仿生机器鱼研究进展及发展趋势
王扬威 , 王振龙 , 李 健 (哈尔滨工业大学 机器人技术与系统国家重点实验室 , 哈尔滨 150001, E-mail:wywkly@)
1950 年 , 当时 GeoffreyTaylor率先对微生物和 蠕虫进 行细长 体流动分析 , 着重考虑粘性力建立了抗力理 论 [ 3] 。 抗力理论
通过分析流体与机 体之间 相互 作用的 静力 学平 衡来分 析推
进机构的动力学 , 同 时对热 力学 和运动 学的 约束加 以考 虑 。
细动力 学特 性 , 然 而鱼 类 正是通 过对 涡 的生 成 、脱 落 、耗散全过程灵活自 如的 控制来 实现 高效 推进 , 尾迹 中不 可避免地存在脱落的涡而且其能 量消耗不可 忽略 , 很 难完全 满足上述假设条件 。 2.2 仿 生机器鱼研究进展 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 。 2.2.1 BCF模式仿生机器鱼 (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 [ 8] (见图 2), 利用电流加热的 10 条 Ф 250 μm的 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 [ 9] 。
ResearchDevelopmentandTendencyofBiomimeticRobotFish
WANGYang-wei, WANGZhen-long, LIJian
(StateKeyLaboratoryofRoboticsandSystem, HarbinInstituteofTechnology, Harbin150001, China) Abstract:Biomimeticrobotfishhasbecomearesearchfocusinunderwaterrobotdomainwiththeexploitationand utilizationofoceanicresources.Thispaperintroducesthecategoriesofbiomimeticrobotfishandanalysesthecharacteristicsofthevariousswimmingtypesfirstly.Thentheresearchstatusinquooffishswimmingtheoryandbiomimetic robotfishisreviewed.Atlastthekeytechnologiesandthedevelopingtendencyofbiomimeticrobotfishisdiscussed.
实际计算的 主要 有细 长 体理 论 (Elongatedbodytheory, 简称
EBT)、波动板理论 (Waveplatetheory)和作 动盘理论 (Actua-
tor-disctheory)三种 。
2.1.1 抗力理论
最早关 于 水生 动 物 游 动的 流 体 动 力 学 定 量分 析 始 于
BCF模式通过波动身体的某部分和尾鳍 , 形成向 后的推 进波 , 包括 鳗鲡模 式 、亚鲹科模 式 、鲹科模 式 、鲔 科模式 和箱 鲀科模式 。 大多数鱼类 , 都采用这 种推进方式 。 BCF模式可 实现连续 、快速 、高效率的游动 。
多数鱼类的背鳍 、臀鳍 、胸鳍和 腹鳍只用 于辅助推进 、调 整姿态 , 但占鱼类总数约 15% 的 MPF模式的鱼类却以这些 鳍作 为主要 推进部件 。MPF模式游 动速度慢 , 但 稳定性 好 、 机动性高 。
解 , 使用半解析半数值方法给出的三维非 定常线性 解证实了 细长体理论所揭示的 定性规律 。
了仿生机器鱼 比现有的 无人 水 下潜 器 (UnmannedUnder-
△图 3 机器鱼 [ 10]
24
机械设计与研究 第 27卷
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 “ SPC-Ⅱ 仿 生 机 器鱼 ”[ 13] 由 动 力 推 进 系统 、 图像采集和图 像信号无 线传