仿生机器鱼研究进展及发展趋势_王扬威
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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 。
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] 。
第 2期 王扬威等 :仿生机器鱼研究进展及发展趋势
23
2.1.4 作动盘理论
作动盘理论是动量原
理在流体动力学中的特殊
应用 , 其基 本 原理 是将 作
用于流体上的推进机构简
化为 理想 装 置 ——— “作 动
盘”, 当流体流经作动盘 时其周 围压 强 增大 , 通 过
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 。
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
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
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 :TP242.3 文献标识码 :A
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@126.com)
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
(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
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 。
△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
对整个作动盘表面上的压
强增量进行积分计算出流 体 对 其 产 生 的 推 力 [ 7] 。
作动盘理论的主要优点是
不需要获得推进机构的详
2.1 鱼类游动机理研究进展
△图 1 鱼类推进方式分类 [ 1]
生物学家和有 关机构 对鱼 类游动 机理 进行 了大量 的研
究 , 并创建了 相 应的 推进 理 论 。 按照 选 取的 主要 作 用力 不
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
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
△图 4 机器金枪鱼 [ 12]
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 1.5 m/s, 能够在 水下
随着机电一体 化技 术 、计 算机 技术 、流体 力学 和仿 生学 等相关学科的发展 , 研究人员研制出 了多种仿生 机器鱼 。 现 有的机器鱼已经可以模仿鱼类 的多种运动 模式 。 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 。
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
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 。
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 。
ResearchDevelopmentandTendencyofBiomimeticRobotFish
WANGYang-wei, WANGZhen-long, LIJiBaidu Nhomakorabean
(StateKeyLaboratoryofRoboticsandSystem, HarbinInstituteofTechnology, Harbin150001, China) Abstract:Biomimeticrobotfishhasbecomearesearchfocusinunderwaterrobotdomainwiththeexploitationand utilizationofoceanicresources.Thispaperintroducesthecategoriesofbiomimeticrobotfishandanalysesthecharacteristicsofthevariousswimmingtypesfirstly.Thentheresearchstatusinquooffishswimmingtheoryandbiomimetic robotfishisreviewed.Atlastthekeytechnologiesandthedevelopingtendencyofbiomimeticrobotfishisdiscussed.
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 。
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] 。
第 2期 王扬威等 :仿生机器鱼研究进展及发展趋势
23
2.1.4 作动盘理论
作动盘理论是动量原
理在流体动力学中的特殊
应用 , 其基 本 原理 是将 作
用于流体上的推进机构简
化为 理想 装 置 ——— “作 动
盘”, 当流体流经作动盘 时其周 围压 强 增大 , 通 过
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 。
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
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
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 :TP242.3 文献标识码 :A
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@126.com)
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
(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
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 。
△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
对整个作动盘表面上的压
强增量进行积分计算出流 体 对 其 产 生 的 推 力 [ 7] 。
作动盘理论的主要优点是
不需要获得推进机构的详
2.1 鱼类游动机理研究进展
△图 1 鱼类推进方式分类 [ 1]
生物学家和有 关机构 对鱼 类游动 机理 进行 了大量 的研
究 , 并创建了 相 应的 推进 理 论 。 按照 选 取的 主要 作 用力 不
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
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
△图 4 机器金枪鱼 [ 12]
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 1.5 m/s, 能够在 水下
随着机电一体 化技 术 、计 算机 技术 、流体 力学 和仿 生学 等相关学科的发展 , 研究人员研制出 了多种仿生 机器鱼 。 现 有的机器鱼已经可以模仿鱼类 的多种运动 模式 。 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 。
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
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 。
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 。
ResearchDevelopmentandTendencyofBiomimeticRobotFish
WANGYang-wei, WANGZhen-long, LIJiBaidu Nhomakorabean
(StateKeyLaboratoryofRoboticsandSystem, HarbinInstituteofTechnology, Harbin150001, China) Abstract:Biomimeticrobotfishhasbecomearesearchfocusinunderwaterrobotdomainwiththeexploitationand utilizationofoceanicresources.Thispaperintroducesthecategoriesofbiomimeticrobotfishandanalysesthecharacteristicsofthevariousswimmingtypesfirstly.Thentheresearchstatusinquooffishswimmingtheoryandbiomimetic robotfishisreviewed.Atlastthekeytechnologiesandthedevelopingtendencyofbiomimeticrobotfishisdiscussed.