一种新型仿生机器鱼的机构设计与执行
摘要
本文引入了一种机器鱼的机构设计方法。基于这种方法，设计一种带有胸鳍和尾鳍的自主三维运动机器鱼。胸鳍是三自由度机器，使得机器鱼能够通过控制两个胸鳍来实现偏航和纵向运动。而尾鳍机构设计是基于拟合机器鱼波状与运动曲线。向前的速度可以通过改变尾部机构摆动频率来实现。最后给定机器鱼的物理执行机构和实验结果。
关键字：仿生，鱼体波形，机械，机器鱼，胸部，尾部 0.介绍
许多机器人概念的设计源于自然界，因为自然选择已使得生物对环境有很好的适应性。一个典型的例子就是鱼推进机理的研究，这个研究可以提高水下航行器的性能。不同于传统的螺旋桨推进的水下航行器，鱼依赖于鳍和尾部的运动来提供向前的推力。对于真实鱼科学研究发现，这种推进方式能产生更高效率的推力并且产生的噪声很小。受这种发现的激发，许多学者已经开始致力于研究机器鱼，以具有高速和操纵性良好的小型水下航行器的发展提供更多的线索。
先前有关机器鱼发展的努力工作可以追溯到1991年robotuna的triantafyliou等人的著作。装有柔性尾部和上下摆动薄片（尾鳍）的机构能够产生额外的流体动力以产生推力，robotuna得出了这种方式的许多优点，包括能源的节约和长任务持续时间。在这个成功的例子之后，许多机器鱼被研究用于不同的目的。为了证实鱼胸鳍的作用，kato在1995年制作了“黑鲈鱼”号，这条“鱼”配备了胸鳍状机构。实验结果表明波状运动和一对胸鳍的引导共同决定了向前，向后，悬停和旋转运动。在2003年，Guo等人呈现了一种类似鱼的水下微型机器人的原型。这种机器人有两个独立控制的尾鳍，一个体姿态调整器和一个浮力调整器。为了认识三自由度的游动，一种离子控制聚合体薄膜激励被利用来作为伺服激励。在2004年，koichi设计了一种机器鱼的原型。它的体长大概600mm并且它带有三个铰链连接的尾部，这些铰链的运动是通过两个带有初始链接结构的补助马达间接变速装置来激励的。Yu进一步发明了一种带有速度控制、四铰链连接的仿生机器鱼，它是使用柔性尾部和震荡薄片作为推进器的。机器鱼的游动速度是通过铰链连接震荡频率来调节的，它的方向是通过铰链连接的偏转差异来控制的。
必须说明的是上述所有的研究是基于体设计和尾鳍推进（BCF）或胸鳍推进（MPF）。然而，鱼可以展示不仅仅一种游泳模式，在不同的时间有不同的速度。中线和成对鳍常规的联合使用，以两者的不同贡献以提供推力，从而获得平滑的轨迹。此外，许多鱼类通常使用MPF模式来搜索食物，因为这种模式可提供高的机动性并具有向高速和高加速的BCF模式转换的能力。在本文中，我们制作了一种带有两个推进尾鳍和两个使鱼倾斜及偏航的胸鳍的机器鱼。一些传感器被嵌入进来以提供环境信息，比如温度、压力、图像信息和障碍物。 1、胸鳍机构的设计和它的工作环境分析
胸鳍运动方式的研究吸引了很多学者。根据参考论文[12-14],胸鳍的运动可以划分为划模式和拍打模式两种。前者在低速情况下效率更高，然而基于升力的拍打模式在高速模式下效率更高。Blake总结了划模式包括两次击打：力量击打和回复击打。在力量击打阶段，胸鳍以大攻角向后运动以获得推力，同时在回复击打阶段胸鳍平行于水面划行以减少阻力。Webb把拍打运动周期分为三个阶段：诱导，内收和折射。更一般的说，在诱导阶段鳍远离身体向下运动。然后收回体表面（内收），而在折射阶段鳍通过绕其主导边缘旋转运动回到初始位置。Westneat和Walker从鱼体侧面视角来划分鳍顶端轨迹。胸鳍顶端轨迹8路径几乎和体轴及运动方向垂直。
根据划和拍打模式及其鳍顶端轨迹可知，每个胸鳍至少需要两自由度。换一句话说，对
于两个胸鳍需要4个自由度。然而，3自由度已经足够了，因为两个胸鳍的顺流模型是一致的。图1给出了一个胸鳍机构。
图1 胸鳍机构
胸鳍的物理尺寸主要包括平面结构和翼型截面。平面外形可以分为三角翼，不规则四边形翼和椭圆形翼等。椭圆形翼被选作为胸翼的平面结构。因为胸翼主要是用来控制机器鱼的游动方向，低速翼型被选作为胸翼的截面。图2给出了胸翼的外形，其翼型是NACA23012
（包括头和尾部）。胸翼的方位角面积
。
，其中全长，翼型
图2 胸鳍的外形和它的翼型选择
为了控制胸鳍的运动，有必要分析胸鳍的工作空间。因为左右胸鳍有同样的机构，在这里仅仅研究有胸鳍的工作空间。有胸鳍机构被看作是两节铰链，如图3。坐标系a固连在连接件根部a，坐标系b固连在铰链中心，坐标系c固连在杆b的末端。所有坐标系的x轴均平行于鱼的头-尾轴并指向鱼的头部，而y轴指向侧面方向。
坐标系b相对于坐标系a的转换关系是
其中a是坐标系b相当于坐标系a的旋转角。 坐标系c相对于坐标系b的转换关系是
其中是坐标系c相当于坐标系b的旋转角。
因此坐标系c相对于坐标系a的转换矩阵为
在这个机构当中，绕轴Ya旋转的角度限制在0o~90o，绕轴Xb旋转的角度限制在-90o~90o。当节点a不动而节点b从-90o~90o旋转时，胸鳍顶端轨迹为一个半圆弧。进一步，当节点a和b都旋转时，胸鳍顶端轨迹变成一个半球表面，这个表面是胸鳍顶端能够达到的工作区间（如图3）。
图3 胸鳍机构的坐标系统
胸鳍工作区间的分析对机器鱼的进一步游动控制提供了基础。在本文当中胸鳍运动有两种方式：划和拍打。在低速时，机器鱼向前游动是通过胸鳍的拍打运动实现的，在坐标系a中侧面看鳍顶端轨迹如图4（a）。全推力阶段包括两次击打：力量击打和恢复击打。力量击打阶段是从起始点p1到点p2或p4到p5。在这个击打过程中，胸鳍移动是以大攻角垂直于游动方向并且推力主要来自于这个击打过程。恢复击打过程是从p2通过p3到p4或者从p5通过p6到p4。在这个击打过程中，胸鳍收回以准备下一次的力量击打。当游动状态转换成为高速游动。机器鱼的推力是通过胸鳍的拍打运动来实现的，在坐标系a中鳍顶端轨迹从侧面看如图（4b）。拍打运动全推力过程分为三个阶段：诱导，内收和折射。诱导阶段是从初始点p1到p2或者从p4到p5。在诱导阶段，胸鳍使鱼体向前移动，在这个阶段不仅仅产生推力还产生升力。内收阶段是介于诱导和折射之间，是从p2到p3或者从p5到p6。胸鳍在内收阶段收回以准备折射阶段，这个阶段对机器鱼的运动的作用非常小。折射阶段从p3到p4或从p6到初始点p1。在折射阶段，胸鳍远离机器鱼身体并且这个阶段同样能够产生推力和升力。
图4 划模式和拍打模式胸鳍顶端的轨迹
由胸鳍产生的推力不仅仅依赖于鳍顶端轨迹而且还依赖于鳍顶端轨迹上每个点的攻角。攻角不是随机的而是在每点轨迹服从方程式（3）。设nc和na分别代表坐标系c和坐标系a中胸鳍约束的方向，nc=|-1,0,0|，na=Rac.nc'其中Rac在方程式（3）中给出了。
是坐标系a中流动速度矢量，其中v是流动的绝对速度。因此攻角
。
2、基于鱼体波动理论的尾部机构的设计
基于鱼行为的研究表明当鱼向前游动时从头部到尾部存在游动波。从头部到尾部的游动波的幅度是引人注目的，并且游动波的速度明显大于鱼推进的速度。基于鱼体波动理论，设计一个包含驱动机构和波动机构的尾部机构，图5给出了示意图。驱动机构主要包括一个马达，三个齿轮，两个凸轮和两个滑动杆。马达输出轴驱动两个啮合齿轮，然后传递旋转运动给两个此案话的凸轮。但是两个变化的凸轮旋转方向相反，并且驱动两个滑动杆以在挤压中产生互换的滑动。两个滑杆被用来驱动尾部波动机构，这个机构是由两个铰接在尾鳍的曲柄滑块机构构成的。这种波动机构可以看成是两个铰接链通过一个马达驱动的，并且铰链相对于主轴的角度是通过两个变化的凸轮来控制的。
图5 尾部机构
在给定尾部机构（如图5）的主要尺寸（如凸轮外形和连杆长度）之前，先介绍鱼体波动理论。
对于RoboTuna的相关游动模型已经在Barret等人的著作中给出了，他们的波动运动是假定采取游动波模型，这个模型是来自于Lighthill。
其中，
代表了鱼体横向位移，
x代表了沿主轴（头部到尾部）位移，k代表了体波数（k振幅包络线，c2是二次波振幅包络线，w是体波频率
），是体波长，c1是直线波
），T是体波周期。
。然
一旦体波函数给定，接下来的事情是选择合适的体运动学参数系列
而，最优化机器鱼的推进效率的工作是机器费力的。因为电脑控制是数字控制，机器鱼体波
函数需要离散化。鱼体波可以分为两个部分：a）一个波周期里时间独立样条曲线序列
，在式（5）给出了描述；b）依赖时间的波频率，这代
表了机器鱼没单位时间的波动时间。
其中i代表了样条曲线序列中第i个样条曲线；M代表了体波分量，这代表了在一个波周期里鱼体波的离散阶，并且相对于舵机的最大最大旋转频率有一个上限。
为了拟合体波曲线，必须定义一个相关波长R，这是鱼体相对鱼整个正弦波的振荡比率。当R等于0时，整个鱼体看起来就是一个固体杆；当R=1时，整个鱼体做完全正弦波运动；当R等于一个适当的值时，鱼将在水里稳定有效的航行。
在图6中，鱼体波可以在是终端联接。设每个联接的长度为
范围通过前后联接（N个链接）来固定，并且尾鳍
，相应的联接角为。在这里，的实
。机器
），并且机器鱼的游动速度依赖
际值没必要确定，但是联接的比值应该预先确定，设鱼的游动方向依赖于鱼体的外形（联接角
于波动频率f。如果幅度系数c1，c2和参数k确定了，在任意时刻的体波都确定了。
图6 鱼体波的联接件
设
代表节点j在时间i相对于主轴的角度，而可以通过固定体波曲线极端得到。那就
是为了确保每个节点j固定在体波曲线并且最后一个节点固定在
是说，决定一个适当的
。进一步说，必须要满足以下函数关系：