仿生鱼科技整理.docx

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仿生鱼科技整理

“仿生鱼”科技技术

1.概念

仿生机器鱼是一种按照鱼类游动的推进机理，利用机械、电子元器件或智能材料来实现水下推进的装置。

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。

最近几年来，国内外许多研究机构和高等院校对仿生机器鱼

（图片来源于维基百科）

行了大量的研究，并且在各个领域中得到了实际运用。

英国埃塞克斯大学的研究人员向泰晤士河投放专门设计的仿生机器鱼，用于探测水中的污染物，并绘制河水的3D污染图。

日本三菱重工也已经将研究的仿生机器鱼玩具批量生产。

中国北京航空航天大学和中国科学院研制的SPC-II仿生机器鱼也成功地用于水下考古探测。

2.原理

仿生机器鱼主要是模仿机器鱼的外形和运动规律，尽心环境数据收集。

其模仿鱼类外形和运动规律的目的是为了实现鱼类高效的游动效率和良好的机动性。

所以在仿生方面尤其注意鱼体和鱼鳍的模仿和控制。

鱼主要有背鳍、胸鳍、腹鳍、臀鳍和尾鳍。

胸鳍：

它的基本功能为运动、平衡和掌握运动方向。

腹鳍：

主要协助背鳍、臀鳍维持鱼体的平衡，并有辅助鱼体升降和拐弯功能。

尾鳍：

有平衡、推进和转向的作用，尾的扭曲和伸直使鱼体产生前进运动。

鱼类的运动方式主要为波浪式运动，或称游泳。

借助于连续的肌节收缩与舒张，从头部开始的收缩在身体两侧交替进行，形成波浪式的传递，使收缩波传向尾部，身体则向收缩的一侧弯曲使成S型。

收缩在尾部结束，尾部将收缩的力传给水，这个力被水以同等大小、但方向相反的反作用力作用于尾部。

这个力向前的分力是鱼体向前运动的主要推进力。

目前各个研究单位研究的仿生机器鱼的结构不尽相同，但是都主要通过模仿和控制鱼鳍的运动来达到运动目的。

典型仿生机器鱼的结构如下图所示，主要有视频模块、导航模块、

（图片来源于维基百科）

任务调度模块、运动控制模块、通讯模块、电源模块和尾鳍模块。

仿生机器鱼的推进方式主要有两种：

摆动式和波动式。

波动式是指在游动过程中整个推进结构都参与了大振幅的波动，并且在推进长度上至少提供一个完整的波形。

摆动式是指推进结构绕着基体转动，并不呈现波的形状。

一般来说，波动式常指身体波动式，摆动式常指尾鳍摆动式。

相对于尾鳍摆动式而言，身体波动式推进效率较低，但机动性较好。

而尾鳍摆动式具有很高的推进效率，适于长时间、长距离巡游，不足之处是机动性较差。

目前大多数的仿生机器鱼都采用了摆动推进方式。

使用伺服电动机经过换向齿轮组换向，带动摆杆摆动，摆杆末端的销轴推动一端固定于机器鱼骨架上另一端自由的弹性薄板往复摆动。

通过控制系统控制弹性薄板的摆动方式的不同，控制机器鱼的游动方式不同。

摆杆左右对称的摆动，机器鱼前进，改变摆幅和频率可以控制机器鱼前进的速度；摆杆偏在半边摆动，比如偏在左半边摆动可以使鱼向左转弯，机器鱼转弯，改变摆杆的摆幅和频率可以控制机器鱼转弯的半径。

3.典型案例

国外仿生机器鱼的典型案例如下：

（图片来源于维基百科）

美国MIT的VCUUV：

目的在于开发一

种利用涡流控制推进的自主水下机器人

（图片来源于维基百科）

英国埃塞克斯大学的环境检测机器人：

主要用于环境检测和绘制3D污染图

机器人Gymnobot（图片提供：

NicDelves-Broughton,UniversityofBath）

　　看上去，图片为我们呈现的似乎是一条鱼，一条可以在水中游动的鱼。

而实际上，它却是一个机器人。

具体地说，是由英国巴斯大学受亚马逊刀鱼启发研制的机器人Gymnobot。

　　Gymnobot打造者、巴斯大学的威廉·梅吉尔表示：

“这是一款类鱼机器人，全身都是充当其推进器的肌肉组织。

但这种设计尤其不利于安装电路板。

”为了获得更大空间容纳照相机以及其它电子设备，梅吉尔的研究小组从刀鱼身上获得灵感——刀鱼能够让身体保持“僵硬”状态以在水中感应电流。

同样地，Gymnobot可利用底部刀片般的“鱼鳍”推动自己在水中前行，同时让身体处于僵硬状态。

　　梅吉尔及其同事希望，这款机器人能够用于研究生活在靠近海岸的海洋生物。

在这些区域，推进器往往会卷起很多沉淀物或者被海草缠绕，不利于科学家对其进行研究。

　　2.宝石般的机器鱼

宝石般的机器鱼（图片来源于：

AdrianDennis,AFP/GettyImages）

　　照片于2005年10月7日在伦敦水族馆拍摄，一名儿童正在饶有兴趣地观看一条好似宝石般的机器鱼。

不久之后，5条类似的机器鱼将被部署到西班牙海岸，执行搜寻水中污染物的巡逻任务。

　　这种机器鱼身长4.9英尺（约合1.5米），由英国艾塞克斯郡大学研制。

研究人员将在图片展示的原型基础上对其进行改进。

借助于更长的电池寿命以及更为先进的传感器，机器鱼一次能够在希洪港执行大约8小时的探测任务，而后自行向一家充电站报告并无线传输勘测数据。

　　3.机器龙虾

机器龙虾（图片来源于：

JohnF.Williams,U.S.Navy）

　　这些机器龙虾拥有很高的灵活性，可用于探测水下矿藏。

就像真龙虾一样，这种小型机器人也长着能够感知障碍物的触须，8条腿允许它们朝着任意一个方向移动，爪子和尾巴则帮助它们在湍急的水流以及其它环境下保持身体稳定性。

　　机器龙虾发明人约瑟夫·艾尔斯曾撰写多部龙虾食谱。

过去30年来，他一直潜心研制类似这样的仿生机器人。

据悉，机器龙虾是艾尔斯为美国海军位于东北大学的海洋学中心研制的。

　　4.机器企鹅

机器企鹅（图片来源于XX）

　　图中展示的机器企鹅能够在无需人类帮助下穿越水池，同时还拥有反向游泳能力，这一点与真实的企鹅截然不同。

机器企鹅由德国费斯托工程公司设计制造，该公司主要向汽车业销售充气设备。

这种仿生机器人在设计上用于测试新技术，费斯托的仿生三角架以及用于在装配线上操纵易碎物体的鱼鳍钳设计灵感都来源于机器企鹅。

　　5.机器金枪鱼“查理”

机器金枪鱼“查理”（图片来源于维基百科）

　　图片展示的是机器金枪鱼“查理”，据信是世界上第一条机器鱼。

经过为期3年的研制，这条机器鱼于1994年在美国麻省理工学院上演水下处女秀。

“查理”在设计上尽可能多地模拟真实鱼类，它长有40根肋骨、肌腱以及带有椎骨的节状脊椎，同时装有6个发动机，全身零部件数量高达2843个。

　　麻省理工学院后期研制的机器鱼减少了用于模拟真鱼游动的移动部件数量，但此时的机器人仍具有真正意义上的仿生性。

值得一提的是，类鱼性并不总是机器鱼研制者关注的问题。

巴斯大学的梅吉尔说：

“我的目光聚焦在另一个问题上。

我看到了机器鱼如何工作，也非常欣赏它们的表现，但我真正希望看到的是能够像推进器一样工作的东西。

”

　　6.机器水母

机器水母（图片来源于XX）

　　图片展示的是德国费斯托工程公司研制的机器水母，其所拥有的能力绝对可以让人们大吃一惊。

它们利用圆顶结构内的11个红外发光二极管实现彼此间的通讯。

据悉，费斯托公司正利用机器水母测试大型工程问题能否通过许多小型系统通力合作完成。

　　7.机器金枪鱼

机器金枪鱼（图片来源于XX）

　　图片展示的是麻省理工学院自“查理”之后在机器鱼研制方面取得的最新成果——一款机器金枪鱼。

这个新原型拥有柔软的身体，体内只装有1台发动机以及6个移动部件，使其能够在更大程度上模拟真实鱼的移动。

　　由于身体完全由一整块柔软的聚合体材料制成，避免了水破坏脆弱内部零件的可能性。

虽然仿真程度极高，但人们决不会将这款机器人误认为真正的金枪鱼。

真正的金枪鱼每秒游动距离最远可达到体长的10倍，而机器金枪鱼的成绩却只有1个身长。

（图片来源于维基百科）

日本三菱开发的观赏机器鱼

（图片来源于XX）

ESSEX的G8机器鱼：

主要工作集中在实现仿鱼游动,特别是非稳定游动方面

国内典型案例：

（图片来源于维基百科）

北京航空航天大

学SPC-II机器鱼：

已应用于水底考

古探索

（图片来源于维基百科）

4.特点

优点：

1）高效性2）机动性3）低噪性4）适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务

缺点：

1）驱动结构复杂2）速度和稳定性控制困难3）自动规避障碍物较困难

发展趋势：

由于目前开发的大多数机器鱼在仿真程度上还可以提高，而且高效性、低噪性和机动性还有待提高。

所以未来仿真机器鱼的发展方向主要有仿生材料的研究、提高效率和低噪性能，尤其还得提高机动性能。

就这几个发展目标，现在面临和要解决的问题主要有：

1）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。