仿生机器人概论

仿生机器鱼技术研究综述

摘要：本文首先介绍各类型鱼类的游动特点及推动机理，对仿生机器鱼进行了分类，并对国内外仿生机器鱼的研究现状进行了综述．最后总结了仿生机器鱼研究的关键难点技术和未来发展趋势。

关键词：仿生，水下机器人，综述

一、引言

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，人类开发

和利用海洋的脚步随着科技的发展逐渐加快。

水下机器人作为一个水下高技术仪器设备的集成体，在军事、民用、科研等领域体现出广阔的应用前景和巨大的潜在价值。鱼类作为海洋生物中数量最多的脊椎动物，经历了亿万年的自然选择过程，进化出了非凡的水中生存能力，既可以在持久游速下保持低能耗、高效率，也可以在拉力游速或爆发游速下实现高机动性。因此仿生机器鱼的研究成为水下机器人研究的热点。

二、鱼类游动推进机理

对鱼类推进模式的研究是仿生机器鱼研制的基础，国内外学者很早就致力于这方面的研究工作。P.Webb在1984年根据鱼类游动推进所使用的身体部位的不同，对鱼类的游动推进模式提出了详细的分类方案，即鱼类的推进模式可以分为：1)身体、尾鳍推进模式(BCF Model)，采用这种模式游动的鱼类是利用躯干部和

尾部肌肉(大侧肌)的交替伸缩，使身体左右扭动屈曲前进即通过身体的波动和尾鳍的摆动产生推进力。

2)中间鳍、对鳍推进模式(MPF Model)，这种方式主要依靠胸鳍或腹鳍的摆动

产生推进力。一般鱼类主要以MPF模式为辅助游动模式，如弓鳍鱼科模式(Amiiform)的鱼类、电鳗科模式(Gynmotiform)的鱼类；但对于而鳐科模式

(Rajiform) 、刺鲀科模式(Diodontiform)的鱼类MPF则为主要的推进方式。

两种仿生推进模式(BCF方式和MPF方式)分别具有不同的特点：

1)BCF方式的游动效率、速度和快速起动性能较高，但机动性能一般，适合长

距离、高速度的游动，或者需瞬时加速和转向的场合；

2)MPF方式的推进效率和游速较低，但具有良好的灵活机动性和精确定位能力，

可应用于在空间狭窄和结构复杂的场所实施各种水下复杂作业。

三、仿生机器鱼的分类

目前仿生机器鱼的实现方式主要有宏观行为仿生和结构及微观行为仿生两

种层面，其中结构及微观行为的仿生机器鱼可以仿造出和鱼相近的游动效率和游动隐蔽性，具有比较高的仿生效果。现按照仿生机器鱼结构大小分类如下：

1)大中型仿生机器鱼

主要应用于海洋石油开采，海下勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等领域，体积较大。

按其能源供给方式分为有揽和无揽两种；按照其游动推动机理可以分为仿BCF和仿MPF两种；按照致动器的类型可以分为传统电动、液压、气压驱动方

式以及较新的离子电动聚合物致动器、形状记忆合金致动器、气动人工肌肉致动器、动物活体肌肉致动器等类型。

2)微小型仿生机器鱼

微小型仿生机器鱼是指结构尺寸微小、器件精密、可进行微细操作的机器鱼，能进入狭窄空间，携有一种或多种传感器及操作器，在操作人员的遥控操作或计算机的自动控制下，能够进行一系列作业的机电一体化系统，主要用于医学和一些工业领域。

微小型仿生机器鱼按照其驱动方式主要分为：

压电晶体式（PZT）微小型机器鱼、永磁体式（NdFeB）微小型机器鱼、离

子交换聚合体膜式（ICPF或IPMC）微小型机器鱼、介电弹性体式（ANTLA）微

小型机器鱼、形状记忆合金式（SMA）微小型机器鱼和超磁致伸缩材料式（GMM）微小型机器鱼等。

四、国外仿生机器鱼的研究现状

(一)概况

在仿生机器鱼的研究上，国外学者很早就致力于这方面的工作，也取得了比较显著的成果。其研究过程主要分为两个阶段：20世纪90年代以前主要集中在鱼类游动机理的基础理论研究，90年代以后开始研制仿生机器鱼整机系统。

目前国外很多研究机构从事仿生机器鱼的研制工作，其中美国有麻省理工学院MIT(Rototuna，RoboPike，VCUUV，拍动翼研究)、佛罗里达大学(应用SMA技术研制微型电子机器鱼)、德州农工大学(仿生驱动材料研究)、宾夕法尼亚大学(鱼体肌肉消耗动力的研究)、波士顿大学(机器鱼推进建模)、加州理工学院(机器鱼

推进的传感和控制)、加利福尼亚大学(PZT驱动的Boxfish)、新墨西哥大学(使用IEM驱动的鳗状机器鱼)、伊利诺斯大学(电子鱼研究项目)、加州大学伯克利分校(CALibot)、SRC研究所(Dongle)、A&M公司(记忆合金无噪音机器鱼)、BIRG研究

组(BoxyBot)等，日本有东海大学(人工胸鳍黑鲈)、名古屋大学(压电陶瓷驱动的微型水下仿胸鳍模式浮游机器人和形状记忆台金驱动身体波动式微型水下推进器)、东芝公司(弹性振动鳍式仿生机器鱼)、三菱重工HI(Coelacanthfish)、运输省船舶

技术研究所NMRl(PF-200，PF-300，PF-550，PF-600，PF-700，UPF-2001)、东京工业大学(海豚型仿生潜水器)，英国有Heriot—Watt大学(FLAPS项目)、Essex大学(G系列和MTl机器鱼)，比利时有Vrije大学(机器鱼智能体研究)，土耳其有伊斯坦布尔技术大学(Robotic Dolphin)、韩国有浦项科技大学(Potuna)，新加坡有南洋理工大学(背鳍波动式机器鱼)。

（二）国外几款典型仿生机器鱼

1)1994年，在美国MIT，经过长期观察分析金枪鱼的游动机理，世界上第一条

图1 图2

机器鱼Robotuna(图1)诞生，其研究的目的是研制一种能克服目前水下潜器连续工作时间短、高效、快速的水下推进系统，能像真鱼一样游动，该机器鱼长约1.25m，宽约0.21m，高0.3m，速度可达2m/s。

2)1998年，DRAPER实验室推出了VCUUV(Vorticity Control Unmanned

Underwater Vehicle)，如图2。VCUUV是仿金枪鱼设计的，长约2.4米，重300磅，其最大摆动频率1.5Hz，在1Hz时具有最大游动速度1.25米/秒。其目的在于开发一种利用涡流控制推进的自主水下机器人，并通过自由的游动显示良好的减阻特性、优良的机动性、深度保持能力和更高的加、减速能力。

3)图3为日本运输省船舶技术研究所(NMRI)研制的一系列机器鱼中的UPF-2001，

旨在研究机器鱼的高性能和多用途。此机器鱼长0.97米，2关节，最大摆动

图3 图4

频率12Hz，最大游动速度0.97米/秒。UPF-2001已经具备三维运动功能，其依靠胸鳍实现上浮下潜运动，依靠方向舵实现转弯运动。

4)从1999年起，日本三菱公司一直在从事机器鱼方面的研究，如用于观赏的

“古腔棘鱼”，图4为2003年日本三菱公司推出的用于观赏的金色鲤鱼外