仿生机器鱼

研究报告成绩

哈 尔 滨 工 业 大 学 创 新 研 修 课

研 究 报 告

报告题目 仿生机器鱼的国内外研究进展

课程名称 仿生机器鱼水下推进技术

学生姓名 刘砚文 学 号 6110810539 专 业 机械设计制造及自动化 学 院 英才学院 任课教师 刘军考 刘英想

二O一二年十一月制

哈尔滨工业大学创新研修课研究报告

仿生机器鱼的国内外研究进展

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。21世纪是海洋的世纪,人类开发海洋和利用海洋的脚步,随着科技的发展逐渐加快。具有海洋勘测、海底探查、海洋救捞、海底管道检测、以及水下侦查和跟踪功能的水下机器人,已成为探索海洋、开发海洋和海洋防卫的重要工具。

仿生机器鱼可以进行长时间、大范围、工况较复杂的水下作业，可以用于机动性能要求较高的场合，进行海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等等许多场合。军事方面，由于仿生机器鱼在声纳上的表现形式和生物鱼类几乎相同，具有噪声低，对环境扰动小，敌方不容易发现等特点，这极有利于隐蔽 鉴于仿生机器鱼的诸多优点，国内外学者越来越重视新型仿生机器鱼的研究与开发，取得了很多阶段性的成果，设计了各种各样的机器鱼样机，机器鱼的理论和实验研究已渐显规模。

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。但是,现有的仿生机器鱼还难以满足实用性的要求。仿生机器鱼难以实现完全柔性的推进运动,推进效率难以与鱼类媲美,机动性和稳定性还存在不足,操纵性、智能控制、通讯等问题还有待解决。

仿生机器鱼研制现状将首先对国外和国内进行对比说明机器鱼的发展动向： 1.国外研制现状：

随着高新技术的发展, 1994年MIT研究组成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生金枪鱼, 开启了机器鱼研制的先河。此后, 结合仿生学、材料学、机械学和自动控制的新发展, 机器鱼研制渐成热点, 表2 给出了国外一些典型的机器鱼研究项目.其中美国和日本进行的机器鱼研究比较多, 取得的成果也比较多。

1.1美国

1995年，MIT推出了Robotuna的改进版机器鱼“Pike”，旨在研究鱼的机动性和静止状态下的加速性。1998年，MIT推出的Robotuna最高版本VCUUV是仿黄鳍金枪鱼研制的，长8英尺，重300磅，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。

1.2英国

Essex大学机器鱼课题组于2005年5月开始研制一系列的机器鱼，主要工

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作集中在实现仿鱼游动，特别是非稳定游动方面。该课题组的机器鱼主要集中在两个系列目：G系列和MT系列。其中G系列均是采用多电机一多关节的尾部结构。而MT系列机器鱼则是采用单电机一多关节的尾部结构。

1.3日本

20世纪90年代初，名古屋大学Toshio Fukuda教授开始了微型仿鱼水下推进器的研究，他先后研制出采用形状记忆合金驱动的微型身体波动式水下推进器和压电陶瓷驱动的双鳍微型机器鱼。为了研究最优推进方法，开发高推进性能的智能型水下机器鱼，从1999年开始 运输省船舶技术研究所开始了一系列的实验机器鱼项目研究。

2．国内仿生机器鱼本体研究现状

2.1.北京航空航天大学。

2004年8月，北航机器人所和中科院自动化所合作研制出一条实用的仿生机器鱼，参加了对郑成功古战船遗址的水下考古探测。这次水下活动，被有关专家认定为是“国际上首例水下仿生航行体的试验研究’。

2.2哈尔滨工业大学。

哈尔滨工业大学在国家自然科学基金支持下研制出了仿生机器鱼样机，该样机长0、95m，重约13kg，航速可达0．3m／s 。2006年他们又研制了一条仿生机器鱼样机“HRF—I”，游动速度可达0、5m／s，并进行了升潜和转向实验。

2.3哈尔滨工程大学。

哈尔滨工程大学研制了一条仿生机器鱼原理样机“仿生一I”。该机器鱼长2．4m，最大直径0．62m，排水量320Kg，潜水深度10m，最高航速1．3m／s。 其次，仿生机器鱼的研究现状还可从所采用的推进方式进行说明。 目前,国内外研究比较广泛的是采用BCF模式推进的仿生机器鱼。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。

1．BCF模式仿生机器鱼

1.1模仿鳗鲡式游动的仿生机器鱼

鳗鲡式的推进效率与波的传播速度有关,波的传播速度越快,推进效率就越高。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。北京航空航天大学是国内开展机器鱼研究最早的单位之一,于1999年研制了模仿银龙鱼波动游动的机器鳗鱼。

1.2模仿鲹科、亚鲹科游动模式的仿生机器鱼

英国埃塞克斯大学研制成功具有自主控制能力的、电动机驱动的机器鱼,并在伦敦水族馆进行了展览。美国弗罗里达工业大学的Shinjo等根据动物的弹性机

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制,提出了SMA驱动的尾鳍摆动推进仿生鲣鱼设想。

1.3模仿鲔科游动模式的仿生机器

美国麻省理工学院(MIT)通过对金枪鱼的长期研究,成功研制出世界第一条仿生机器金枪鱼RoboTuna,长约1.2m,游速达7.2km/h。证明了仿生机器鱼比现有的无人水下潜器(UnmannedUnder waterVehicle,简称UUV)的推进效率更高。2004年,北京航空航天大学机器人研究所和中国科学院自动化所合作研究的仿生机器鱼由动力推进系统、图像采集和图像信号无线传输系统、计算机指挥控制平台3部分组成,主要制造材料为玻璃钢和纤维板。它的最高时速可达1.5m/s,能够在水下连续工作2至3小时。哈尔滨工程大学的仿生水下机器鱼,以蓝鳍金枪鱼为蓝本,长2.4m,最大直径0.62m,排水量320kg,负载能力70kg,潜深10m,配有月牙形尾鳍和一对联动胸鳍。尾鳍摆动1.33Hz时,航速达1.2m/s。中国科学技术大学精密机械与仪器系章永华等人,基于活鱼的解剖结构,采用形状记忆合金弹簧作为仿生驱动器,设计了模拟新月型尾鳍鱼类游动的机构。

1.4模仿箱鲀科游动模式的仿生机器鱼

瑞士技术学院研制了BoxyBot机器鱼,该机器鱼采用直流电机驱动,有仿箱鲀科游动模式的尾鳍和仿隆头鱼的胸鳍,可以实现多种运动。 2. MPF模式仿生机器鱼

2.1模仿鳐科游动模式的机器鱼

鳐科模式推进效率较高、稳定性好、机动性高。近年来,各国推出了多种模拟鳐鱼、乌贼等鳍推进的仿生水下机器人,它们游动时没有侧向摇动。爱沙尼亚塔尔图大学于2004年研制了具有一对水平胸鳍的仿鳐鱼机器人,游速约5mm/s。每个胸鳍由8个40mm长的瓶状IPMC致动器和弹性鳍膜构成。新加坡南洋理工大学于2005年开发了电动机驱动的胸鳍波动推进机器墨鱼,质量约9kg,由分布在身体左右两侧的两个由硬片镶嵌而成的鳍推进,10个鳍条为上下平动,最大游速20cm/s。2006年日本大阪大学研发成功一种模拟长鳍乌贼鳍波动游动的机器乌贼,它采用电动机驱动刚性鳍条绕着根部做扇形摆动,水平鳍做正弦状波动的游动方式。

国内近年来也开始了对水平鳍推进仿生水下机器人的研究。北京航空航天大学开发了电动机驱动的、两个胸鳍同步动作的机器蝠鲼。浙江大学于2007年研制了电机驱动仿墨鱼鳍波动推进的仿生鱼探测器。国防科学技术大学研制了电机驱动机器鱼,实现了前进、后退和转弯功能。

2.2模仿刺鲀科游动模式的Bass机器鱼

日本东海大学于2000年研制成功的电动机驱动胸鳍划动推进机器鱼Bass,能前后游动、原地转弯以及在水平面内无偏航地侧游。该大学还研制了机器鱼Bass。国内中国科学技术大学建立了仿生水下机器人RoboMackerel胸鳍划动模式下游

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动的物理模型,并进行了机械胸鳍划动的运动学分析。

2.3模仿背鳍和臀鳍游动模式的机器

背鳍/臀鳍游动模式的机器鱼是利用在水下机器人基体背部或臀部、腹部的波动鳍进行推进。美国东北大学开发了模拟裸背电鳗目辐鳍鱼纲魔鬼刀鱼的臀鳍带状鳍推进装置,鳍由16根鳍条和安装在鳍条上的弹性鳍膜构成。国内国防科技大学对长背鳍推进的尼罗河魔鬼鱼进行了深入研究,估算了其推力、功率和效率,进行了波动鳍理论分析和流体动力学分析,并研制了长400mm的背鳍波动推进器及其测控系统。

综上所述，仿生机器鱼是一种利用鱼类的游动推进机理实现推进运动的新型水下推进器，是一门多学科交叉的研究领域。但仿生机器鱼国内外研究均面临着一些关键问题。目前，机器鱼研究所要解决的问题应包含以下内容： 1． 鱼类推进机理的进一步研究。

成型的机器鱼推进效率、推进速度、加速特性、升潜速度以及转弯半径仍和真鱼有很大差距。提高机器鱼推进性能和机动性能指标的基础就是开展更为深入的鱼类推进机理的研究，对鱼类游动过程中鱼体及尾鳍运动参数进行研究，分析鱼类的减阻机制和快速启动机理，分析机器鱼快速转向机理，分析各类鱼鳍在鱼类游动过程中的作用。 2.新型仿生机器鱼的研制。

新型仿生机器鱼的研究是目前仿鱼水下推进器研究领域的热点，对不同推进模式的鱼类的仿生研究的发展仍将不断持续下去。此外，前人研制的机器鱼大多为刚性，因此普遍存在效率不高、机动性能低的特点，高弹性机器鱼的研究有利于提高机器鱼的推进效率，使得机器鱼尾鳍运动更加逼近真鱼尾鳍运动规律。 3.完善的、适用于控制系统设计的机器鱼动力学模型的研究。

机器鱼动力学模型是仿鱼水下推进器结构设计和控制系统设计的基础。前人提出的鱼类波状游动的动力学模型计算量大、过于繁琐，很难应用到实际当中。因此，考虑鱼体刚性和鱼体摆动以及尾部涡流的影响，建立适用于控制系统设计的两关节机器鱼三维游动的动力学模型是机器鱼实用化的关键问题。 4.机器鱼控制系统和传感系统的研究。

研究机器鱼闭环控制系统，主要包括速度控制、升潜控制以及转向控制，在此基础上研究传感系统，实现机器鱼的水下自主导航和水下避障， 5.新型机器鱼材料的研究。

主要是研究适用于鱼体和尾鳍的材料，降低机器鱼推进阻力，提高尾鳍推进效率，改善尾部涡流。 6.仿生机器鱼的能源供给。

仿生机器鱼的续航能力是制约其水下活动的关键。大多数的机器鱼都采用电

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