仿生鱼形机器人结构设计与分析文献综述
2020-04-15 09:04
“海阔凭鱼跃，天高任鸟飞”，大自然给人类带来了无限的梦想和启示。随着科技的蓬勃发展和经济、军事等领域应用需求的拉动，以“学习自然、认识自然、模仿自然、超越自然”为宗旨的仿生学备受关注。通过研究、学习生物体的形态结构、功能及运动机理，提供人工系统新的设计思想和控制理念，不仅是提升人工系统性能的有效途径，也是仿生机器人研究的重要使命。
在水下仿生领域，针对鱼类等水生动物的仿生推进研究是当今的研究热点之一。亿万年的进化赋予鱼类等水生动物高效、高速、高机动的游动技能，其性能远超目前各种人造水下航行器。生物学家和工程学者尝试从生物学、力学、机械学、人工智能等角度来探索鱼类等水生动物的高性能水下推进机制，并希望借鉴到水下航行器的研制中，提高当前水下航行器的推进性能。20世纪90年代，美国麻省理工学院通过研制仿生金枪鱼来研究鱼类减阻机制与推进效率，拉开了机器鱼研究的序幕。世界各地的研究机构及大学纷纷加入到水下仿生推进的研究队伍中，并推动这个领域快速发展。
随着科技发展带来的技术革新，仿生机器鱼的性能得到了有效提升。如表1-1所示，国内外仿生机器鱼的研究在不断深入，人们针对仿生机器鱼的研究不再局限于简单的行为模仿，而是逐渐向感知—结构—材料—控制一体化方向发展。
表1.1 国内外仿生机器鱼研究现状
| 鱼形机器人 | 研制单位及研制时间 | 主要特征描述 |
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Robo Tuna |
美国麻省理工学院 1994年 |
世界上第一条真正意义上的机器鱼，有2843个零件，长约1.2m，速度7.2km/h,有六台无刷直流伺服电机驱动，推进小绿可以达到91% |
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Robo TunaII |
美国麻省理工学院 1995年 |
有柔软和透明的身体，体内拥有一台电机和6个移动部件，可以更好地模拟真鱼的游动。 |
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VCUUV |
美国麻省理工学院 Draper实验室 1998 | Robo Tuna的最高版本VCUUV，长约2.4m，启动时可以达到0.5倍体长速度，实际速度0.5m/s。它是一种利用涡轮控制推进的自主水下机器人，具有良好的减阻性和机动性。 |
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G9 |
英国ESSEX大学 2005 |
可以获得120°/s的峰值转弯角速度，采用多电机-多关节的尾部结构。 |
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MT1 |
英国ESSEX大学 |
采用单电机-多关节的尾部结构。 |
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PF-2001 |
日本国家海洋研究中心 2001年 |
金枪鱼外形，长0.97m，游速达到0.97m/s，使用升降舵下潜，采取了模块设计的概念，分为以下几个模块：电源模块、动力模块、通信模块、控制模块、传动模块。 |
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PF-550 |
日本国家海洋研究中心 2003年 | 长0.97m，推进速度可以达到1倍体长速度，实际速度达到1.2m/s。有特殊的下潜方式，它的尾鳍能够以身体前进方向为轴线，旋转90度，由原来仿照鱼类的左右拍动变成仿照海豚的上下拍动，从而产生在竖直面上的下潜或上浮推力矢量。 |
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BoxyBot |
瑞典洛桑联邦理工学院 BIRG研究组 |
具有一对胸鳍和一个尾鳍，可以实现正游、倒游、转弯、上浮下潜等运动，游速达0.37m/s。 |
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Jessiko |
法国 |
能够与其他机器鱼相互交流通信的机器鱼。 |
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SPC-II |
北京航空航天大学 机器人研究所 中科院自动化所 2004 | 由动力推进系统、图像采集系统和图像信号无线传输系统、计算机指挥控制平台三部分组成。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2-3小时，可以应用于水质监测。 |
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仿生-1 |
哈尔滨工程大学 2005 | 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。当尾鳍摆动1.33Hz时，航速可达1.2m/s。尾部为三节点摆动机构，内置三台伺服电机分别用于控制尾柄、尾鳍和胸鳍。 |
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HRF-1 |
哈尔滨工业大学 2006 |
游动速度可达0.5m/s，并可以进行深潜上浮实验。 |
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Amphirobot |
石河子大学 | 两栖机器鱼能够巧妙地利用转体机构实现仿鱼和仿海豚游动的结合，实现了两种运动模态的自由切换，其鳍肢、轮桨机构的引入不仅能使机器鱼在地面爬行或仿轮式运动，并且提高了水中运动的机动性。 |
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BIOSwimmer |
美国波士顿工程公司 2008年 | 能够实现最大速度5节的游动，并且能够以3节的速度实现倒游，有良好的游动性能，兼具螺旋桨的强推力以及金枪鱼式的柔软预提，能够实现转弯半径小于一倍体长的360°快速转向。 |
2. 研究的基本内容与方案
{title}作为一个包含仿生技术和机器人技术的多学科问题，仿生鱼形机器人从一开始就收到了生物学家和机器人学者的关注。从近期来看，仿生鱼形机器人研究要解决的具体问题应包括运动机理的建模、结构仿生的探索、感知信息的处理、控制仿生的优化等几个方面。
本项目的主要研究内容具体在结构设计与分析方面，鉴于金枪鱼游速快的特点，本项目决定采用金枪鱼为蓝本进行建模。
由于利用舵机即可实现对尾鳍的摆动实时控制，从而完成机器鱼的巡游和转弯运动，故本项目采用多舵机对机器鱼进行运动控制。初步决定采用的机构为舵机串联机构。因为舵机是有限转角的电机，本身就是摆动运动，故无需考虑机械结构问题，可直接使用。北京大学、ESSEX大学、麻省理工学院研制的机器鱼均采用了该结构。
在此暂定主要内部机构为配重槽、鱼腔、鱼盖、胸鳍及舵机几个部分。其中，配重槽分布在鱼头以及躯干部分，用于放置抽气泵以平衡浮力重力从而上升及下潜。鱼腔用于放置电池以及各个硬件模块，胸鳍起着上下导向以及平衡的作用。舵机用于鱼的转向等功能。
初定仿生机器鱼结构两种方案。如图2-1及图2-2所示。
其中，方案一的模型更符合鱼体结构，方案二则关节更多，更为灵活，故本项目决定综合二者的优点，建立一个多关节仿生金枪鱼模型。使其能够实现上浮下潜以及转向游动等多方面的功能。
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1．目的及意义“海阔凭鱼跃，天高任鸟飞”，大自然给人类带来了无限的梦想和启示。随着科技的蓬勃发展和经济、军事等领域应用需求的拉动，以“学习自然、认识自然、模仿自然、超越自然”为宗旨的仿生学备受关注。通过研究、学习生物体的形态结构、功能及运动机理，提供人工系统新的设计思想和控制理念，不仅是提升人工系统性能的有效途径，也是仿生机器人研究的重要使命。
在水下仿生领域，针对鱼类等水生动物的仿生推进研究是当今的研究热点之一。亿万年的进化赋予鱼类等水生动物高效、高速、高机动的游动技能，其性能远超目前各种人造水下航行器。生物学家和工程学者尝试从生物学、力学、机械学、人工智能等角度来探索鱼类等水生动物的高性能水下推进机制，并希望借鉴到水下航行器的研制中，提高当前水下航行器的推进性能。20世纪90年代，美国麻省理工学院通过研制仿生金枪鱼来研究鱼类减阻机制与推进效率，拉开了机器鱼研究的序幕。世界各地的研究机构及大学纷纷加入到水下仿生推进的研究队伍中，并推动这个领域快速发展。
随着科技发展带来的技术革新，仿生机器鱼的性能得到了有效提升。如表1-1所示，国内外仿生机器鱼的研究在不断深入，人们针对仿生机器鱼的研究不再局限于简单的行为模仿，而是逐渐向感知—结构—材料—控制一体化方向发展。
表1.1 国内外仿生机器鱼研究现状
