仿生机器鱼玩具的机构设计_仿真与实现
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
本文主要从鱼类游动方式的数学建模、机器 鱼结构设计与优化以及仿生机器鱼游动与控制仿 真三个方面进行阐述，最后给出仿生机器鱼的具 体实现。
３． 仿生机器鱼的多关节机构设 计方法
３．１ 总体设计思路 机器鱼设计的总体设计思 路如图 １ 所示：
３．２ 鱼类物理模型及其特征参数 虽然鱼类的种群繁多，但大多数鱼类的推进 部位显示出相似的形态学特征。 鱼类属于脊椎动物种群，其身体的构造是由多 根脊椎骨相互连接而成，采用尾鳍推进的鱼类在游 动时通过其脊椎曲线的波动产生推进力，因此鱼类 的身体可以看作为由一系列的铰链连接而成的摆动
该机器鱼的结构与性能参数为： 尺寸（长×宽×高）ｍｍ ４００ × ４０ × ７８ 重 量 ０．８ Ｋｇ 最大摆动频率 ２ Ｈｚ 最大速度 ０．４ ｍ／ｓ 最小转弯半径 ２００ ｍｍ
图 ７ 游动中的机器鱼
图 ３ 机器鱼摆动部分骨架对理论曲线的匹配
由于关节数目有限，机器鱼整个身体的运 动比较生硬，不能产生平滑的过渡，这在水中 游动时将产生多余的水动力学阻力，降低机器 鱼的游动效率。为此我们在进行机器鱼模型设 计时需要在机器鱼的骨架外侧安装弹性的鱼皮， 以增加鱼身体的柔性，使关节间的摆动角度在 弹性鱼皮上实现连续的过渡。通过弹性鱼皮对 关节摆动角度的连续过度，行到了较为平滑的机 器鱼实际身体中心线，如图 ４ 。
（百度文库）整个摆动周期内各采样时刻关节位置
图 ５ （ｂ） 机器鱼动态游动仿真
由于鱼类在转弯时主要是由身体的中心线和 推进力的方向有一定夹角，故通过对机器鱼摆动 部的各个关节叠加同一个方向的偏移量，改变推 进力的方向，从而实现运动中转弯的目的。
４． 仿生机器鱼的设计实现
（１）
这里，ｙｂｏｄｙ 为鱼身体横向摆动的幅度；ｘ 为沿 着鱼体的纵向位置坐标；ｋ＝２／ 为鱼摆动的波长倍 数，即鱼在摆动过程中身体上保留整个波长的个 数；为身体波的波长；ｃ１ 为振幅的线性增益；ｃ２ 为 振幅的二次增益；为身体波的频率。
２．４ 机电系统在仿生机器鱼设计中的限制 １ ）驱动电机的几何尺寸：决定了设计过程 中的关节最小尺寸。 ２）驱动电机的转动角度范围：决定了每个关 节的摆动范围。 ３ ）驱动电机的转动力矩要求：决定了电机 能否应用于实际，是选择驱动电机时首要考虑的
３．３ 鱼类游动的运动学模型及特征参数 鱼类在动态游动过程中，按照波动推进理 论，通过身体的波动，身体波动的形式决定了鱼 的游动性能和游动效率。决定鱼类游动的波动方 式的最主要参数是鱼类身体中心线的波动方程。 研究人员对各种采用身体波和尾鳍推进方式的鱼类 进行了研究，发现这些鱼类的身体波曲线可以用 一个波动方程来表示：
鱼类与游动特征相关的主要身体特征参数有： １ ）摆动部分长度占身体总长度的比例（ｒ ）。 根据 ｒ 由大到小可以把鱼类分为鳗鲡科（如鳗鲡、 黄鳝、泥鳅等）、鲹科（如鲑鱼、草鱼、鲢鱼等）、 鲔形科（如大白鲨、金枪鱼等）等。
机器人技术与应用 ３２
随着 ｒ 的减小，其游动效率增高，产生的游 动速度增加，机动性能降低。
应用；２ ）先进控制方法与高性能控制器的应 用；３ ）多传感器集成的智能机器鱼的研制；４ ） 多机器鱼的协调与协作。
随着机器鱼技术的发展，新型的仿生机器 鱼可广泛应用于以下领域：１）要求机动性能高的 场合或空间狭窄、环境复杂的场所。如管道检测 等；２）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；３）水下探测。如珊瑚礁群，沉船内部等 环境复杂，常规潜水器难以到达的场所；４）军事 应用。如军事侦查，小型武器以及无人潜艇等； ５）娱乐方面。如科技馆和水族馆的展览，智能玩 具等。
仿生机器鱼玩具的机构设计、 仿真与实现
o 张志刚 王 硕 桑海泉 １ 中国科学院自动化研究所 ２复杂系统与智能科学实验室
［摘 要］ 机器人技术的一个重要应用领域是在娱乐方面。在对鱼类游动方式深入研究的基础上，将仿鱼水 下推进技术应用于玩具设计，给出了一种仿生机器鱼玩具的机构设计方案及系统的设计、仿真软件，并研制出 可在水中运动的仿生机器鱼原型。 ［关键词］ 仿鱼推进；仿生机器鱼；玩具 [Abstract] Ａｍｕｓｅｍｅｎｔ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｉｅｌｄ ｆｏｒ ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｆｉｓｈ ｓｗｉｍｍｉｎｇ， ｆｉｓｈ－ｌｉｋｅ ｓｗｉｍｍｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｏｙ ｄｅｓｉｇｎ． Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｒｏｂｏｔ ｆｉｓｈ ｔｏｙ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ， ａｎｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｆｉｓｈ ｔｏｙ ｉｓ ｍａｄｅ．
该机器鱼采用无线遥控方式控制机器鱼的运 动，为机器鱼设计了无线遥控器，可以选择自动 游动方式或手动控制运动方式。机器鱼可以实现 直线游动、游动转弯、变速游动等。也可在计算 机的控制下完成更为复杂的动作，如机器鱼顶 球、过孔、多鱼戏球等。
５． 结论
小型化的仿生机器鱼是当前机器人玩具市场上
的新产品，多家玩具厂商都对此产生了浓厚的兴
２ ）摆动部分简化关节数（ｎ ）。摆动关节 数 ｎ 越大，其身体的游动灵活性越高。
３ ）摆动关节各个关节之间的长度比例（ｌ １ ： ｌ ２：．．．．．．：ｌ ）。关节长度相对短的部位，其关节 密集度较高，此处柔性比较大。
４ ）尾鳍的形状（圆形尾鳍、梯形尾鳍、 新 月 形 尾 鳍 以 及 不 对 称 尾 鳍 ）。 如 海 豚 为 新 月 形尾鳍，鲨鱼多为不对称尾鳍，草鱼为梯形尾鳍 等。
４ ） 设计结果：结构、运动、控制数据等。
３． 仿生机器鱼的运动仿真
图 ５（ａ）给出了一个基于鲹科鱼类设计的摆动 轮廓图。此设计方案中，关节数 ｎ＝４，摆动部占身 长比例 ｒ＝０．６，波长倍数 ０．６ ，各关节长度比例 为 １：０．９３：０．７６：０．６１，摆动的曲线方程为：ｙｂｏｄｙ＝ ［０．０５ｘ＋０．０９ｘ２］［ｓｉｎ（０．５ｘ）］，周期采样数 ｍ＝１８。 其仿真游动效果见图 ５（ｂ）。
成的包络区域的面积，ｍ 为一个周期内的数据采
样次数。 根据本问题的约束情况，存在等式约束与
不等式约束，我们选择混合罚函数法来进行参 数优化。
惩罚函数法通过构造惩罚函数把有约束优化 问题转换为无约束优化问题，采用坐标轮换等方 法实现对无约束优化问题的求解，实现对有约束 问题的参数优化。通过对关节结构尺寸的优化， 得到按照波动方程ｙｂｏｄｙ（ｘ，ｔ）进行游动的仿生机器 鱼的最优一组结构尺寸参数。
参数。 ３．５ 设计实现 鱼类身体的摆动大体按照式（１）所表示的波
动 方 程 进 行 摆 动 ，由 于 机 器 鱼 是 由 多 个 僵 硬 的 连 杆 铰 接 组 成 ，为 实 现 波 动 运 动 ，每 个 关 节 点 必 须 在 理 论 曲 线 上 。关 节 点 对 理 论 曲 线 的 匹 配 过程如图 ３。当前关节与前一关节的延长线在 连接处产生一个夹角，骨架的运动就是在驱 动电机带动下，通过改变夹角的值来产生运 动。
市场前景很好。各玩具厂商也纷纷把各种高 效益的机器人玩具推向市场，如著名的日本 ＳＯＮＹ 公司的机器狗 ＡＩＢＯ 等。
［ 作者简介］ 张志刚：男，２ ３ 岁，中国科学院自动化研究所，复杂系统实验室，硕士。研究方向：机器鱼控制。 王硕：男，２ ９ 岁，助理研究员。研究方向：多机器人系统，仿生机器鱼。 桑海泉：男，２ ６ 岁，博士。研究方向：多机器鱼控制与协调。
图 ４ 机器鱼身体波理论曲线与近似实际中心线
３．６ 参数优化 为了最大限度地体现理想波动曲线的水动力学
３３ 机器人技术与应用
优越性，使实际中心线与理论中心线之间的误差 尽可能的小，需要对机器鱼的多个关节的机构尺 寸进行参数优化。
优化目标：
Ｓ ｉ为理论曲线与实际曲线所形
趣。本文介绍了一种小型化的仿生机器鱼的通用
设计方法，利用此方法设计者可以根据自己的意
愿设计出各式各样的机器鱼。
下面给出一种按照上述设计方法和设计软件 设计的机器鱼的一个实现方案，原理如图 ６（ａ） 所示：
机器人技术与应用 ３４
（ａ） 仿生机器鱼结构简化图
图 ６ （ｂ） 根据本方法设计的仿生机器鱼实物
该机器鱼的设计以鲹科中草鱼为设计原型， 由 ４个关节组成，由４ 个直流伺服电机驱动，新月形 尾鳍，主要由以下几部分组成１）鱼骨架（驱动电机、 联接架、鱼头、尾鳍等），２）控制系统，３）无线数 传模块等。机器鱼的实物如图 ６（ｂ）所示：
２． 仿生机器鱼的设计思想
本文以尾鳍推进方式鱼类为仿生原型，以机 电系统实现机器鱼的驱动，根据不同的鱼类的身体 特点对仿生机器鱼进行数字化设计，给出了一整套 的小型玩具机器鱼的机构、控制系统的设计方法， 编制了机器鱼的设计软件。利用此软件，设计者可 以根据不同鱼类的身体特点进行参数的自定义，设 计出各种各样的仿生机器鱼，该设计软件还提供 了机器鱼的游动仿真功能。
３．７ 参数的输入与输出 设计的输入参数有： １） 与机器鱼结构相关的静态参数有：机器 鱼关节数 ｎ，摆动部长度占身体总长度的比例 ｒ， 摆动各关节之间的长度比例ｌ１：ｌ２：．．．．．．：ｌｎ。 ２） 与游动类型相关的动态参数有：身体波的 波动方程（１ ）中的各个参数 ｃ １、ｃ ２、ｋ １、ｋ ２ 。 ３） 机电系统的限制参数：各关节最小长度 ｌｉ－ｍｉｎ，各关节驱动电机的转动角度范围 。 ４） 其他参数：一个周期内的数据采样次数 ｍ。 设计结果的输出量有： １） 一个周期内每个关节位置的位置坐标； ２） 各位置与前一位置间的角度变化量，以供 控制直流驱动电机摆动角度用； ３） 设计过程中的各种分析图表；
１． 引言
仿生机器人是当前机器人领域的研究热点。 大自然的选择使地球上的鱼类具有非凡的水中生 活能力，由于游动具有效率高、机动性能好以及对 环境扰动小等优点，仿生机器鱼技术的研究已成 为当前水下机器人领域研究的热点之一。它为研 制高效、高机动性和低噪声的水下运载器提供了 新的设计思路。
１９９４ 年美国麻省理工学院（ＭＩＴ）成功研制 了一个电机驱动的 ８ 关节新月形对称尾鳍的机器 金枪鱼 ＲｏｂｏＴｕｎａ，开启了机器鱼研制的先河，其 后多个研究单位都开始了机器鱼的研究与研制， 如：日本运输省船舶研究所（ＳＲＩ）研制了 ＰＦ 系列 和ＵＰＦ系列机器鱼，国内北京航空航天大学研制了 ５ 关节机器海豚等。当前机器鱼研制的主要发展 方向有：１ ）人工肌肉、压电陶瓷等新材料的
３１ 机器人技术与应用
传统的机器人作为一种玩具已经大量进入市 场，各玩具厂商纷纷推出各种新型的机器人玩具， 如日本 ＳＯＮＹ 公司著名的机器狗 ＡＩＢＯ，机器鱼作为 一种新型的机器人玩具正在悄然进入市场，如日本 三冷菱重工业公司新近推出的金色鲤鱼外形机器鱼 在东京展出供人观赏；日本大阪几家公司用高分 子材料的“人造肌肉”做成的机器鱼已投放市场。 各种类型的机器鱼作为新型的娱乐机器人已经开 始在玩具市场上崭露头角。
图 １ 仿生机器鱼的总体设计思路
图 ２ 鲹科鱼类身体的物理模型
链组成，图 ２ 中用 ４ 个铰链来简化其摆动部位。 鱼类游动的仿生主要是在研究鱼类的波动推进
理论的基础上，对鱼类游动方式进行仿生，主要 仿生鱼类的摆动部位的波动方式。因此，我们在 对鱼类身体摆动部位的结构进行简化的基础上， 从鱼的静态身体特征和动态游动特征来提取特征参 数，建立其数学模型。
３． 仿生机器鱼的多关节机构设 计方法
３．１ 总体设计思路 机器鱼设计的总体设计思 路如图 １ 所示：
３．２ 鱼类物理模型及其特征参数 虽然鱼类的种群繁多，但大多数鱼类的推进 部位显示出相似的形态学特征。 鱼类属于脊椎动物种群，其身体的构造是由多 根脊椎骨相互连接而成，采用尾鳍推进的鱼类在游 动时通过其脊椎曲线的波动产生推进力，因此鱼类 的身体可以看作为由一系列的铰链连接而成的摆动
该机器鱼的结构与性能参数为： 尺寸（长×宽×高）ｍｍ ４００ × ４０ × ７８ 重 量 ０．８ Ｋｇ 最大摆动频率 ２ Ｈｚ 最大速度 ０．４ ｍ／ｓ 最小转弯半径 ２００ ｍｍ
图 ７ 游动中的机器鱼
图 ３ 机器鱼摆动部分骨架对理论曲线的匹配
由于关节数目有限，机器鱼整个身体的运 动比较生硬，不能产生平滑的过渡，这在水中 游动时将产生多余的水动力学阻力，降低机器 鱼的游动效率。为此我们在进行机器鱼模型设 计时需要在机器鱼的骨架外侧安装弹性的鱼皮， 以增加鱼身体的柔性，使关节间的摆动角度在 弹性鱼皮上实现连续的过渡。通过弹性鱼皮对 关节摆动角度的连续过度，行到了较为平滑的机 器鱼实际身体中心线，如图 ４ 。
（百度文库）整个摆动周期内各采样时刻关节位置
图 ５ （ｂ） 机器鱼动态游动仿真
由于鱼类在转弯时主要是由身体的中心线和 推进力的方向有一定夹角，故通过对机器鱼摆动 部的各个关节叠加同一个方向的偏移量，改变推 进力的方向，从而实现运动中转弯的目的。
４． 仿生机器鱼的设计实现
（１）
这里，ｙｂｏｄｙ 为鱼身体横向摆动的幅度；ｘ 为沿 着鱼体的纵向位置坐标；ｋ＝２／ 为鱼摆动的波长倍 数，即鱼在摆动过程中身体上保留整个波长的个 数；为身体波的波长；ｃ１ 为振幅的线性增益；ｃ２ 为 振幅的二次增益；为身体波的频率。
２．４ 机电系统在仿生机器鱼设计中的限制 １ ）驱动电机的几何尺寸：决定了设计过程 中的关节最小尺寸。 ２）驱动电机的转动角度范围：决定了每个关 节的摆动范围。 ３ ）驱动电机的转动力矩要求：决定了电机 能否应用于实际，是选择驱动电机时首要考虑的
３．３ 鱼类游动的运动学模型及特征参数 鱼类在动态游动过程中，按照波动推进理 论，通过身体的波动，身体波动的形式决定了鱼 的游动性能和游动效率。决定鱼类游动的波动方 式的最主要参数是鱼类身体中心线的波动方程。 研究人员对各种采用身体波和尾鳍推进方式的鱼类 进行了研究，发现这些鱼类的身体波曲线可以用 一个波动方程来表示：
鱼类与游动特征相关的主要身体特征参数有： １ ）摆动部分长度占身体总长度的比例（ｒ ）。 根据 ｒ 由大到小可以把鱼类分为鳗鲡科（如鳗鲡、 黄鳝、泥鳅等）、鲹科（如鲑鱼、草鱼、鲢鱼等）、 鲔形科（如大白鲨、金枪鱼等）等。
机器人技术与应用 ３２
随着 ｒ 的减小，其游动效率增高，产生的游 动速度增加，机动性能降低。
应用；２ ）先进控制方法与高性能控制器的应 用；３ ）多传感器集成的智能机器鱼的研制；４ ） 多机器鱼的协调与协作。
随着机器鱼技术的发展，新型的仿生机器 鱼可广泛应用于以下领域：１）要求机动性能高的 场合或空间狭窄、环境复杂的场所。如管道检测 等；２）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；３）水下探测。如珊瑚礁群，沉船内部等 环境复杂，常规潜水器难以到达的场所；４）军事 应用。如军事侦查，小型武器以及无人潜艇等； ５）娱乐方面。如科技馆和水族馆的展览，智能玩 具等。
仿生机器鱼玩具的机构设计、 仿真与实现
o 张志刚 王 硕 桑海泉 １ 中国科学院自动化研究所 ２复杂系统与智能科学实验室
［摘 要］ 机器人技术的一个重要应用领域是在娱乐方面。在对鱼类游动方式深入研究的基础上，将仿鱼水 下推进技术应用于玩具设计，给出了一种仿生机器鱼玩具的机构设计方案及系统的设计、仿真软件，并研制出 可在水中运动的仿生机器鱼原型。 ［关键词］ 仿鱼推进；仿生机器鱼；玩具 [Abstract] Ａｍｕｓｅｍｅｎｔ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｉｅｌｄ ｆｏｒ ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｆｉｓｈ ｓｗｉｍｍｉｎｇ， ｆｉｓｈ－ｌｉｋｅ ｓｗｉｍｍｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｏｙ ｄｅｓｉｇｎ． Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｒｏｂｏｔ ｆｉｓｈ ｔｏｙ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ， ａｎｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｆｉｓｈ ｔｏｙ ｉｓ ｍａｄｅ．
该机器鱼采用无线遥控方式控制机器鱼的运 动，为机器鱼设计了无线遥控器，可以选择自动 游动方式或手动控制运动方式。机器鱼可以实现 直线游动、游动转弯、变速游动等。也可在计算 机的控制下完成更为复杂的动作，如机器鱼顶 球、过孔、多鱼戏球等。
５． 结论
小型化的仿生机器鱼是当前机器人玩具市场上
的新产品，多家玩具厂商都对此产生了浓厚的兴
２ ）摆动部分简化关节数（ｎ ）。摆动关节 数 ｎ 越大，其身体的游动灵活性越高。
３ ）摆动关节各个关节之间的长度比例（ｌ １ ： ｌ ２：．．．．．．：ｌ ）。关节长度相对短的部位，其关节 密集度较高，此处柔性比较大。
４ ）尾鳍的形状（圆形尾鳍、梯形尾鳍、 新 月 形 尾 鳍 以 及 不 对 称 尾 鳍 ）。 如 海 豚 为 新 月 形尾鳍，鲨鱼多为不对称尾鳍，草鱼为梯形尾鳍 等。
４ ） 设计结果：结构、运动、控制数据等。
３． 仿生机器鱼的运动仿真
图 ５（ａ）给出了一个基于鲹科鱼类设计的摆动 轮廓图。此设计方案中，关节数 ｎ＝４，摆动部占身 长比例 ｒ＝０．６，波长倍数 ０．６ ，各关节长度比例 为 １：０．９３：０．７６：０．６１，摆动的曲线方程为：ｙｂｏｄｙ＝ ［０．０５ｘ＋０．０９ｘ２］［ｓｉｎ（０．５ｘ）］，周期采样数 ｍ＝１８。 其仿真游动效果见图 ５（ｂ）。
成的包络区域的面积，ｍ 为一个周期内的数据采
样次数。 根据本问题的约束情况，存在等式约束与
不等式约束，我们选择混合罚函数法来进行参 数优化。
惩罚函数法通过构造惩罚函数把有约束优化 问题转换为无约束优化问题，采用坐标轮换等方 法实现对无约束优化问题的求解，实现对有约束 问题的参数优化。通过对关节结构尺寸的优化， 得到按照波动方程ｙｂｏｄｙ（ｘ，ｔ）进行游动的仿生机器 鱼的最优一组结构尺寸参数。
参数。 ３．５ 设计实现 鱼类身体的摆动大体按照式（１）所表示的波
动 方 程 进 行 摆 动 ，由 于 机 器 鱼 是 由 多 个 僵 硬 的 连 杆 铰 接 组 成 ，为 实 现 波 动 运 动 ，每 个 关 节 点 必 须 在 理 论 曲 线 上 。关 节 点 对 理 论 曲 线 的 匹 配 过程如图 ３。当前关节与前一关节的延长线在 连接处产生一个夹角，骨架的运动就是在驱 动电机带动下，通过改变夹角的值来产生运 动。
市场前景很好。各玩具厂商也纷纷把各种高 效益的机器人玩具推向市场，如著名的日本 ＳＯＮＹ 公司的机器狗 ＡＩＢＯ 等。
［ 作者简介］ 张志刚：男，２ ３ 岁，中国科学院自动化研究所，复杂系统实验室，硕士。研究方向：机器鱼控制。 王硕：男，２ ９ 岁，助理研究员。研究方向：多机器人系统，仿生机器鱼。 桑海泉：男，２ ６ 岁，博士。研究方向：多机器鱼控制与协调。
图 ４ 机器鱼身体波理论曲线与近似实际中心线
３．６ 参数优化 为了最大限度地体现理想波动曲线的水动力学
３３ 机器人技术与应用
优越性，使实际中心线与理论中心线之间的误差 尽可能的小，需要对机器鱼的多个关节的机构尺 寸进行参数优化。
优化目标：
Ｓ ｉ为理论曲线与实际曲线所形
趣。本文介绍了一种小型化的仿生机器鱼的通用
设计方法，利用此方法设计者可以根据自己的意
愿设计出各式各样的机器鱼。
下面给出一种按照上述设计方法和设计软件 设计的机器鱼的一个实现方案，原理如图 ６（ａ） 所示：
机器人技术与应用 ３４
（ａ） 仿生机器鱼结构简化图
图 ６ （ｂ） 根据本方法设计的仿生机器鱼实物
该机器鱼的设计以鲹科中草鱼为设计原型， 由 ４个关节组成，由４ 个直流伺服电机驱动，新月形 尾鳍，主要由以下几部分组成１）鱼骨架（驱动电机、 联接架、鱼头、尾鳍等），２）控制系统，３）无线数 传模块等。机器鱼的实物如图 ６（ｂ）所示：
２． 仿生机器鱼的设计思想
本文以尾鳍推进方式鱼类为仿生原型，以机 电系统实现机器鱼的驱动，根据不同的鱼类的身体 特点对仿生机器鱼进行数字化设计，给出了一整套 的小型玩具机器鱼的机构、控制系统的设计方法， 编制了机器鱼的设计软件。利用此软件，设计者可 以根据不同鱼类的身体特点进行参数的自定义，设 计出各种各样的仿生机器鱼，该设计软件还提供 了机器鱼的游动仿真功能。
３．７ 参数的输入与输出 设计的输入参数有： １） 与机器鱼结构相关的静态参数有：机器 鱼关节数 ｎ，摆动部长度占身体总长度的比例 ｒ， 摆动各关节之间的长度比例ｌ１：ｌ２：．．．．．．：ｌｎ。 ２） 与游动类型相关的动态参数有：身体波的 波动方程（１ ）中的各个参数 ｃ １、ｃ ２、ｋ １、ｋ ２ 。 ３） 机电系统的限制参数：各关节最小长度 ｌｉ－ｍｉｎ，各关节驱动电机的转动角度范围 。 ４） 其他参数：一个周期内的数据采样次数 ｍ。 设计结果的输出量有： １） 一个周期内每个关节位置的位置坐标； ２） 各位置与前一位置间的角度变化量，以供 控制直流驱动电机摆动角度用； ３） 设计过程中的各种分析图表；
１． 引言
仿生机器人是当前机器人领域的研究热点。 大自然的选择使地球上的鱼类具有非凡的水中生 活能力，由于游动具有效率高、机动性能好以及对 环境扰动小等优点，仿生机器鱼技术的研究已成 为当前水下机器人领域研究的热点之一。它为研 制高效、高机动性和低噪声的水下运载器提供了 新的设计思路。
１９９４ 年美国麻省理工学院（ＭＩＴ）成功研制 了一个电机驱动的 ８ 关节新月形对称尾鳍的机器 金枪鱼 ＲｏｂｏＴｕｎａ，开启了机器鱼研制的先河，其 后多个研究单位都开始了机器鱼的研究与研制， 如：日本运输省船舶研究所（ＳＲＩ）研制了 ＰＦ 系列 和ＵＰＦ系列机器鱼，国内北京航空航天大学研制了 ５ 关节机器海豚等。当前机器鱼研制的主要发展 方向有：１ ）人工肌肉、压电陶瓷等新材料的
３１ 机器人技术与应用
传统的机器人作为一种玩具已经大量进入市 场，各玩具厂商纷纷推出各种新型的机器人玩具， 如日本 ＳＯＮＹ 公司著名的机器狗 ＡＩＢＯ，机器鱼作为 一种新型的机器人玩具正在悄然进入市场，如日本 三冷菱重工业公司新近推出的金色鲤鱼外形机器鱼 在东京展出供人观赏；日本大阪几家公司用高分 子材料的“人造肌肉”做成的机器鱼已投放市场。 各种类型的机器鱼作为新型的娱乐机器人已经开 始在玩具市场上崭露头角。
图 １ 仿生机器鱼的总体设计思路
图 ２ 鲹科鱼类身体的物理模型
链组成，图 ２ 中用 ４ 个铰链来简化其摆动部位。 鱼类游动的仿生主要是在研究鱼类的波动推进
理论的基础上，对鱼类游动方式进行仿生，主要 仿生鱼类的摆动部位的波动方式。因此，我们在 对鱼类身体摆动部位的结构进行简化的基础上， 从鱼的静态身体特征和动态游动特征来提取特征参 数，建立其数学模型。