仿生机器鱼

Lobster robot潜在应用是在有海浪和海流的浅水区 域进行自主排雷作业和侦探任务.机器龙虾采用8条三 自由度的腿推进, 每条腿采用以镍钛诺合金为材料的 人工肌肉为驱动器, 并采用基于神经元电路的控制器 来实现机器龙虾的各种行为. Eel robot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, 利用电流加热的10条250μ m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。
两栖类仿生机器鱼
两栖机器鱼能巧妙地利用转体机构实现仿鱼和仿海豚
游动的结合, 实现了二种运动模态的自由切换, 其鳍 肢/轮桨机构的引入不仅能使机器鱼在地面爬行或仿 轮式运动, 而且提高了水中运动的机动性。
在两栖机器鱼的机构设计中，鱼头设一转动副，以实
现鱼的推进模式；当转动90度时鱼体可以转化为海豚 的推进模式。第二和第三单元由连杆实现鱼体的摆动， 其鱼尾由连杆和齿轮复合驱动，实现鱼尾的摆动与转 动。两栖仿生机器人由头部、可替换轮桨/鳍肢机构、 转体机构、尾柄复合驱动机构、尾鳍和一系列被称为 仿鱼推进单元的关节组成。
波动胸鳍机器鱼
日本大阪大学于2003年研制出的仿胸鳍波动式水下推进
器 ，两侧的柔性鳍面分别由16个直流伺服电机通过上面 的鳍条驱动。此机器鱼能够在水下实现灵活自如的上浮、 下潜、转向、俯仰、盘旋等运动，验证了波动鳍仿生水下 推进器应用于未来水下机器人的可行性。
制作机器鱼的难点与问题
• • • •
一．仿生机器鱼的研究背景 二．仿生机器鱼的分类
三．仿生机器鱼的特点
四．仿生机器鱼的应用 五．国内外研究现状
六．制作机器鱼的难点与问题
七．机械鱼的未来
仿生机器鱼的研究背景
随着“蓝色经济”越来越成为各沿海地区经济发展的 “正能量”，大规模的开发探测和利用海洋资源已经是势 不可挡的发展趋势。另外，军事方面对水下探测和水下军 事打击等的需求也日益增加，为了适应这种发展趋势和需 求，研究和开发水下机器人成为了极佳的选择。 仅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。
3)低噪性 无螺旋桨，低噪声 螺旋桨在高速旋转时会产生过多不需要的紊流、非定 常的涡流和热量，还会伴随产生大量的空泡噪音、扰动噪 音。而鱼类的游动方式摆动频率低、柔性好，能最大限度 地降低其它不必要的能量损失，充分利用并控制涡流，不 产生漩涡尾迹，有利于隐身和突防，具有重要的军事价值。 4）利用电能，对环境无污染 5）不需要任何保障设备，对人无危险
• 日本
• 中国
中国首条仿生机器鱼
北京航空航天大学机器人所和中国科学院成功研制成名为SPC— Ⅱ仿生机器鱼, 是我国第一条可实际应用的仿生机器鱼。 SPC—Ⅱ仿生机器鱼身长 1.23 米 , 通体色泽黑亮 , 总重达 40 公斤 , 最大下潜深度为5米。其头部上方有一个显眼的白色圆顶 GPS导航天 线 , 主要是通过一个如手掌大的小遥控器和一台计算机来发出各种 指令。机器鱼没有眼睛和嘴 , 只是在嘴的位置有一个直径 5 厘米的 玻璃圆孔, 那是水下摄像的窗口。SPC—Ⅱ仿生机器鱼可以自由灵活 地穿波逐浪，载沉载浮。
• 英国
英国艾塞克斯大学的科学家已经开发出一种新型机器鱼， 用于探测河水的污染情况，并绘制河水的 3D 污染图。这种 机器鱼每条长约50厘米、高15厘米、宽12厘米。每条都安装 有探测污染的传感器和 GPS 系统，能 " 嗅出 "水中的有害物质， 而且它们还有组团的能力，即使没有人指挥，也能协同合作。 当它们 " 嗅出 " 这片水域中的有害物质时，它们就通过 wi-fi 无线连接彼此交流一下。而 GPS 导航系统则可以让它们不需 人的操作就能自由游动，而且，它们一旦发现了污染物，就 会向环保部门的人员发出警报。 每一支机器鱼小组由5条机器 鱼组成，将持续监测水中污染。 当其中一条鱼发现水中污染物时， 就会发信息给其它的鱼，之后它 们集中到此水域来一起探测水污 染情况。而且，这些机器鱼充电 一次就能在水中持续游动24小时。

仿生机器鱼的分类
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-尾鳍推 进(BCF)模式及中鳍-对鳍推进(MPF)模式,每种模式又可分 为几个小类 。 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。
胸鳍扑翼式机器鱼
胸鳍扑翼式机器鱼为北京航空航天大学仿生牛鼻鲼 所涉及的一种机器鱼。牛鼻鲼出生时一般为28-
46cm宽，一条成年牛鼻鲼可以鳍两侧的两个电机（60 W 的直流伺服
电机驱动）驱动，柔性胸鳍采用硅橡胶材料，且设有减速 装置和联轴器等机构最终输出到胸鳍。两个舵机分别通过 连杆驱动平尾舵和方向舵。电源使用镍氢电池，电源及其 控制系统安装在机器鱼体腔上方。机器鱼身体材料由密度 相对较小的玻璃钢成型而成。体腔与头仓连接部分采用O 型圈静密封方式，而胸鳍电机输出轴和尾舵输出轴采用动 密封方式；另外，为了进一步保证密封性，在机器鱼体腔 内还密封有一定压强的空气。加入了陀螺仪和加速度计来 实现自主导航功能。

仿生机器鱼的特点
1)运动效率高 鱼类游动的推进效率高达90%以上，这使得鱼类能够 在力量有限、能量消耗相对较少的情况下达到相当的速度 并具有持久的耐力，而当前螺旋桨船舶的推进总效率不超 过60%。 2)机动性好 动作灵敏，主要表现在两点:加速特性和转向特性。 鱼类运动不像当前的螺旋桨推进方式，推进与转弯分离， 鱼类通过胸鳍和尾鳍有机配合，实现推进与转弯的有机统 一，但在当前的螺旋桨推进方式下的舰艇在高速行驶时需 要很大的转向半径。
仿生机器鱼的应用
a.具有监测水污染，检验水质，搜寻污染源等环保功能。 b.具有更高的加速和转速能力，利用它可以探测广袤的 大海，勘探地形。 c.海洋生物观察。由于机器鱼形状和游动方式与鱼类相 似,运动噪音小,利于接近和观察海洋生物。
仿生机器鱼的国内外研究现状
目前, 国内外研究 比较广泛的是采用BCF 模式推进仿生机器鱼。 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。
BCF模式主要借助鱼身体波动或尾鳍摆动运动产生 推力，它们之间的主要区别：鳗鲡模式，整个身体都 参与了大振幅的波动，推进波以高于鱼游动的速度朝 游动的反方向在身体上传播；鳍科模式，波动大多集 中在鱼体后2/3部分，推进力主要由尾鳍产生，尾鳍 具有一定刚度，推进速度和推进效率比鳗鲡模式较高； 科模式，身体大部分保持刚性，波动仅仅在于靠近尾 部1/3处，侧向位移主要依赖于后颈部和尾鳍，通过 新月型的尾鳍运动产生超过90%的推进力；而箱鲀科 模式仅靠尾鳍的摆动实现推进。 MPF模式主要是借助尾鳍以外的其它鳍运动而产 生推进力。根据鳍运动方式的不同，MPF模式又可以 分为摆动方式和波动方式。
多部电机的协调控制 外壳的封装 自身重力和所受浮力的差异调整 防水密封
机械鱼的未来
随着科学技术的发展，人类对海洋的开发和利用不断 增强，适应各种非结构化环境的水下机器人将会得到迅猛 的发展。作为一种新型的水下运载器，与传统推进器相比 较，仿生机器鱼以其效率高、机动性好、噪音低、对环境 扰动小的优势将在以下等领域得到广泛应用。 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，如环境监测、军事侦察 等。 2.要求机动性能高的场合或空间狭窄、空间结构复杂的场 所。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， 采用静音驱动的机器鱼有望解决这一难题 。