仿生机器鱼

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。
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。
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
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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-
ห้องสมุดไป่ตู้
46cm宽，一条成年牛鼻鲼可以长到110cm以上。
这种机器鱼通过胸鳍两侧的两个电机（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。
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。
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。

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。
• 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。
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

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。
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。
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 。
• 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。