水下仿生机器人研究综述

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NO.20 2018

( Cumulativety NO.32 )

中国高新科技

China High-tech 2018年第20期（总第32期）

1　引言

目前，随着社会的发展，工业和生活中对智能化和精细化的要求越来越高，机器人研究和设计成为研究热点。机器人的应用可以优化日常生活，满足人们日益增长的物质需求，同时在工业生产中也可以完成一些复杂和危险的任务，如机械装配、野外探险等。

近年来，海洋的战略地位越来越重要，水下机器人获得了极大的发展。海洋环境复杂多变，如何设计结构简单灵巧且适应性强的水下机器人成为机器人研究中的重点。科学家通过将仿生学和机器人两大学科相结合，提出了新的想法：水下仿生机器人。水下仿生机器人根据海洋生物的外形结构和运动方式进行设计。由于海洋生物经过了亿万年的进化演绎，其生物体模型对海洋环境的适应性强，所以水下仿生机器人将会更容易完成指定的工作，从而使人们在不破坏海洋生态系统的前提下更好地了解海洋、运用海洋。本文主要针对水下仿生机器人的发展现状进行综述。

2　机械结构设计

美国麻省理工学院（MIT）作为第一个研究机器鱼的科研机构，开启了水下仿生机器人研究的先河。研究人员在1994年研制成功了第一条仿生机械鱼，他们的主要着重点就是通过提高机器鱼在水下运转的高效性和灵活程度以模拟鱼类的运动形式。紧接着，英国塞克斯大学（Essex）就以鱼类结构

为模板，按照鱼类的运动方式来解决和优化机器人在水下活动的直线运动和转向的问题。而美国海洋学中心则是把对生物模仿进行得更加彻底，研制出与龙虾外形极为相似的“机器龙虾”。该“机器龙虾”按照龙虾的每个身体部分来设计相关功能，大大提高了其在水下的稳定性与灵活性。

目前，我国的一些研究机构也开始了针对水下仿生机器人的研究和探索。北京航天航空大学作为最早开始研究此领域的机构，已研制出可在水下连续工作2～3小时的仿生机器鱼。此后，国防科技大学、哈尔滨工程大学、中科院自动化研究所等也开展了不同程度的研究。

3　材料应用

水下环境复杂，因此对水下仿生机器人的材料要求十分严格。目前运用较为广泛的有如下几种材料：

（1）高分子聚合物-金属复合材料。其重要特点是结合了高分子聚合物和金属材料的优点。高分子聚合物在大部分环境下都能承受一定程度上的变形，对外部环境的影响能够做出良好的调整，同时质量较轻，而金属材料则硬度较大。采用该复合材料能使机器人更加适应水下环境。

（2）镁合金材料。作为一种价格适中的材料，其主要特点是质量轻，非常适合用做机器人的外部轮廓，同时该材料硬度大，不易损坏。

（3）介电弹性材料。该材料在机器人驱动器上应用很广泛。作为一种柔软度较好的材料，其突

水下仿生机器人研究综述

蒲欣岩

（成都七中高新校区，四川 成都 610041）

摘要：随着海洋探索技术的不断发展，水下仿生机器人日益引起关注。针对水下仿生机器人的研究现状，文章从机械结构设计、材料应用和控制方法3个方面进行综述，并基于对水下仿生机器人的深入了解，对其未来的发展趋势进行分析。

关键词：水下仿生机器人；机械结构；控制方法 文献标识码：A 中图分类号：TP242文章编号：2096-4137（2018）20-024-02 DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2018.20.08

收稿日期：2018-07-12

作者简介：蒲欣岩（2000-），女，四川成都人，成都七中高新校区学生，研究方向：自动化控制、机器人。

出优势在于形状改变后做出相对调整的速率快，响应相当迅速，且耗能较少，机电转化效率较高。

（4）电热制动驱动的纳米碳复合材料。这种材料的优点在于用该材料制作的驱动器驱动电压较低，材料应力也较低，同时使用寿命长。

4　控制方法

4.1　模型控制方法

模型控制方法主要是通过对机器人进行动力学和运动学的分析，进而建立一个复杂的数学模型。该数学模型可以很精确地推算出机器人下一步的动向，从而达到精确控制的效果。但由于水下环境复杂多变，对机器人的精确建模十分困难，因而即使能够精确建模，其控制方式也十分复杂。因此，目前大多数采用简化后的数学模型进行控制，但简化后的数学模型精确性较差，控制系统的鲁棒性不佳，使得采用该方法设计出的水下仿生机器人对水下环境的适应性较差。因此，如何建立一个准确度高且便于应用的数学模型是该控制方法亟待解决的问题。4.2　正弦控制器

正弦控制器是应用比较广泛的一种控制方法。研究人员认为鱼类身体推进方式所产生的波形和运动周期都类似于正弦函数，因此正弦控制器通过把鱼类运动过程简化为正弦函数的频率、振幅、波形，进而通过这些参数来控制水下仿生机器人每个关节的运动，同时依靠机器人不同关节间运动的相位差来改变运动状态。该控制方式的优点是简单且易于控制。但由于函数类型的唯一性使得该方法具有一定的局限性，若出现不属于函数特性的运动方式就不能准确调控，且这种控制方式在处理控制参数突变时适应性较差，不能快速地从一种运动模式调整到另一种运动模式，使得机器人的环境适应能力较差。4.3　中枢模式发生器（CPG）

中枢模式发生器主要控制原理是通过模仿动物自身的运动规律和生物学控制机理，采用神经元网络的数学模型来驱动关节的运动。这种控制方法很好地模拟了中枢神经系统，能够产生连续协调的控制信号，进而对不同的环境做出及时的反馈。相比前面两种算法，该方法更利于协调控制，且环境适应效果更佳，应用更为广泛。

5　未来发展趋势

5.1　水下复杂环境的适应性

由于海洋环境的复杂性，水下仿生机器人将面临如水流速度的剧烈变化，不同水深下压强的不同以及自身防水等问题，这对机器人的结构设计提出了很大挑战。针对这些问题，未来水下仿生机器人的结构需要做得更加细致、更加轻便，材料的应用也要满足水下环境的要求。小型化是目前机器人发展的趋势，因为小型的结构更容易适应环境，减小接触面积，从而在更大程度上减小水下压力对机器结构的影响。最为突出的一点则是小型化机器人更加接近海洋生物的生理构造，从根本上做到仿生的效果，而不仅仅是外形的模仿。

5.2　控制方法的智能化

目前，传统的控制方法大多还是人为进行控制、输出数值、编程调控等，但从未来的发展趋势看，水下仿生机器人将会更加注重运动的智能调整，在更大程度上模仿生物神经系统对其自身的控制。随着计算机技术的快速发展，特别是人工智能（AI）的进一步普及以及机器学习方法的进一步优化，未来水下仿生机器人在控制方面将会有更大程度上的自主性，机器人可自己根据当前环境做出合理判断及时更正，更好地适应环境，减少数据反馈人为输出的过程，最后达到仿生控制的效果。

6　结语

随着社会的发展，对海洋的探索和认识也越来越重要，对水下仿生机器人的需求也在日益增长，其作用和研究价值也在逐步提高。目前，国内外针对水下仿生机器人在机械结构设计、材料和控制方法等方面展开了一系列工作，相关研究取得了极大的进展。但由于水下情况复杂，水下仿生机器人的机械结构设计和控制技术都需要进一步优化和提升，真正实现结构与生物特性一体化的类生命系统，通过提高水下仿生机器人自我控制、自我感知等特性，使水下仿生机器人能够更好地融入水下环境，进而完成各项工作，在发展的道路上追求可持

续性，使这项技术更加成熟。

参考文献

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（责任编辑：周加转）

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