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“仿生机器人”资料收集整理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进行了大量的研究，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、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：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 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污染图日本三菱开发的观赏机器鱼 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：北京航空航天大学SPC-II机器鱼：已应用于水底考古探索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。
