浙江大学博士学位论文 算法新的突破 中国科学技术大学针对仿生对象“蓝点虹”波动胸鳍开展了大量的数值研究工作，对 仿生鳍条摆动过程和鱼鳍波动过程进行数值计算（见图146），综合分析运动学参数、波 动模式、波动鳍鳍面形状和鳍条倾角对游动性能的影响.分析鱼鳍波动游动时流场信息 以及受力情况，显示反卡门涡街的形成、发展、脱落及耗散过程，并从涡动力学角度揭 示推力产生的流体力学机理刚。 国防科技大学采用Fluent的动网格技术，开展了长鳍波动（背鳍/臀鳍/背腹鳍）推进 鱼类刀鱼在形态学、运动学和水动力学方面的研究，如图1-4，并结合工程设计的需 求进行了验证性和探索性的CFD分析工作6) 03-02-0100.1020.3 wy (a)西北大学 (⑥)中国科学技术大学 (c)帼防科技大学 图1-4柔性鳍波动数值研究概况 1.2.3实验研究概况 实验研究一方面可以验证理论推导和数值计算结果，另一方面也为进一步研制仿鱼 机器人提供可靠性数据，实验研究主要包括生理学、运动学和动力学方面的实验， 在生理学实验研究方面，相关学者从未停止对各种推进模式的鱼类展开大量的相关 研究67，柔性鳍波动推进的鱼类也不乏很多学者的兴趣，有很多相关文献。如 Rosenberger对鳐科模式黄貂鱼进行了一系列的实验研究四，利用肌电图 (Electromyography,EMG)技术获取黄貂鱼的形态学、运动学参数等（图1-5a,分析不同 的形态参数对运动形式的影响等；MacIver对裸背曼模式刀鱼开展了大量的实验研究工 作，揭示了刀鱼在恶劣复杂的水生环境生存，使用自身电感器官通过近距离电场感知环 境，同时具有非同寻常的带状长鳍推进系统，可以提供低速下多方向的高度机动性以， Anderson等分析墨鱼侧鳍的肌肉组织结构，鳍是一个体积不变的三维肌肉组织（图l-5b), 本质上是不可压缩的，所以一个方向上的肌肉收缩，其它方向上的肌肉就会拉长，这样 通过肌肉收缩、拉长实现鳍的弯曲。无论墨鱼在慢速还是在快速运动时，乌贼的鳍始终 都是处于波动状态，没有摆动状态出现阿， 在运动学实验研究方面，几乎所有与鱼游动有关的实验都涉及到运动学参数的测量， 6
浙江大学博士学位论文 算法新的突破。 中国科学技术大学针对仿生对象“蓝点缸”波动胸鳍开展了大量的数值研究工作，对 仿生鳍条摆动过程和鱼鳍波动过程进行数值计算(见图1舶)，综合分析运动学参数、波 动模式、波动鳍鳍面形状和鳍条倾角对游动性能的影响。分析鱼鳍波动游动时流场信息 以及受力情况，显示反卡门涡街的形成、发展、脱落及耗散过程，并从涡动力学角度揭 示推力产生的流体力学机理【611。 国防科技大学采用Fluent的动网格技术，开展了长鳍波动(背鳍／臀鳍／背腹鳍滩进 鱼类刀鱼在形态学、运动学和水动力学方面的研究，如图1-4c，并结合工程设计的需 求进行了验证性和探索性的CFD分析工作…。 I—黪 彤3 ∞2 ，?溺———隧豹一==， -01 O 0- 0 2 03 批坩哺{m “{7 (a)西北大学 (b)中国科学技术大学 (c)国防科技大学 图1-4柔性鳍波动数值研究概况 1．2．3实验研究概况 实验研究一方面可以验证理论推导和数值计算结果，另一方面也为进一步研制仿鱼 机器人提供可靠性数据．实验研究主要包括生理学、运动学和动力学方面的实验。 在生理学实验研究方面，相关学者从未停止对各种推进模式的鱼类展开大量的相关 研究【671，柔性鳍波动推进的鱼类也不乏很多学者的兴趣，有很多相关文献。如 Ro辩I慨rger对鳐科模式黄貂鱼进行了一系列的实验研究【711，利用肌电图 (Elec们1nyo伊aphy，EMG)技术获取黄貂鱼的形态学、运动学参数等(图1．5a)，分析不同 的形态参数对运动形式的影响等；MaCIver对裸背曼模式刀鱼开展了大量的实验研究工 作，揭示了刀鱼在恶劣复杂的水生环境生存，使用自身电感器官通过近距离电场感知环 境，同时具有非同寻常的带状长鳍推进系统，可以提供低速下多方向的高度机动性【731； AnderSon等分析墨鱼侧鳍的肌肉组织结构，鳍是一个体积不变的三维肌肉组织(图1．5b)， 本质上是不可压缩的，所以一个方向上的肌肉收缩，其它方向上的肌肉就会拉长，这样 通过肌肉收缩、拉长实现鳍的弯曲。无论墨鱼在慢速还是在快速运动时，乌贼的鳍始终 都是处于波动状态，没有摆动状态出现【751。 在运动学实验研究方面，几乎所有与鱼游动有关的实验都涉及到运动学参数的测量， 6
绪论 有的结合生理学实验7阁，有的结合动力学实验阿。运动学测量实验主要用于分析运动 学参数（运动速度、加速度、转弯半径、运动频率等）以及鱼类各种行为（巡游、转弯、快 速启动、制动等)下的运动特征分析侧.测量手段已从早期的低采样率、低分辨率的摄 像手段Is发展到现在的高速摄像技术及数字式粒子图像测速(Digital Particle Image Velocimetry,DPIV技术I6的.Lauder对尾鳍摆动、胸鳍摆动的鱼类做了大量运动性能实 验研究，分析鱼类的推进机制及运动稳定性、机动性Kato从运动学角度综述了MPF 推进模式鱼类（波动、摆动方式）以及MP℉模式仿生系统低速下的推进性能和机动性能 [阿，王光明等重点研究“尼罗河魔鬼”刀鱼，通过运动学试验揭示波动柔性长背鳍的形态 学特征、运动特性及运动参数间的相关性，在此基础上建立了柔性长鳍波动的运动学简 化模型可， 在动力学实验研究方面，重点研究鱼类游动的推进机制，及与周围流体交互形成的 复杂流场的动力学特征分析等。虽然典型的鱼尾摆动游动过程中，早已被证实是鱼尾的 往复摆动，在尾迹中形成了反卡门涡街，反向涡街所诱导的平均流场是一种向后的纵向 射流，它对鱼体的反作用正好产生推进力[.但是直到90年代，人们才开始重视研究 鱼类波状游动与其涡流尾迹的作用机制例.由于DPIV技术的出现，使得定量测量鱼体 周围的三维速度场成为可能。Lauder在对尾鳍摆动、胸鳍摆动的鱼类进行运动学实验的 同时，也利用DPIV方法分析各类鱼体运动时的复杂流场特征及涡流特征（见图 1-5沁)).然而目前对鳍波动推进机理的研究尚不明晰. (a)科鱼类骨酪图叫 (b)墨鱼肌肉组织77 C0050p4◆292 (C)DPIV实验装置示意及结果分析网 图1-5鳍波动实验研究概况 7
绪论 有的结合生理学实验p引，有的结合动力学实验p9】。运动学测量实验主要用于分析运动 学参数(运动速度、加速度、转弯半径、运动频率等)以及鱼类各种行为(巡游、转弯、快 速启动、制动等)下的运动特征分析【砌。测量手段已从早期的低采样率、低分辨率的摄 像手段【65】发展到现在的高速摄像技术及数字式粒子图像测速(Dig砌Pa而cle Image velocin：let巧．DPIV)技术脚】．I，al羽er对尾鳍摆动、胸鳍摆动的鱼类做了大量运动性能实 验研究，分析鱼类的推进机制及运动稳定性、机动性【821；klt0从运动学角度综述了MPF 推进模式鱼类(波动、摆动方式)以及MPF模式仿生系统低速下的推进性能和机动性能 【蚓；王光明等重点研究“尼罗河魔鬼”刀鱼，通过运动学试验揭示波动柔性长背鳍的形态 学特征、运动特性及运动参数问的相关性，在此基础上建立了柔性长鳍波动的运动学简 化模型璐7】。 在动力学实验研究方面，重点研究鱼类游动的推进机制，及与周围流体交互形成的 复杂流场的动力学特征分析等。虽然典型的鱼尾摆动游动过程中，早已被证实是鱼尾的 往复摆动，在尾迹中形成了反卡门涡街，反向涡街所诱导的平均流场是一种向后的纵向 射流，它对鱼体的反作用正好产生推进力183】。但是直到90年代，人们才开始重视研究 鱼类波状游动与其涡流尾迹的作用机制1391。由于DPⅣ技术的出现，使得定量测量鱼体 周围的三维速度场成为可能。L础在对尾鳍摆动、胸鳍摆动的鱼类进行运动学实验的 同时，也利用DPIV方法分析各类鱼体运动时的复杂流场特征及涡流特征(见图 1．5∞【831。然而目前对鳍波动推进机理的研究尚不明晰。 矗 一 毒：-一j：一： 寻-一_。：鬻糕懿． 7h■。。…t≯鬻弱戤!籀t≥名： “{：I|≤；。k；：一tt’茂_≮鞠毛矽∥ _舅 (c)DPIV实验装置示意及结果分析132l 图1．5鳍波动实验研究概况 7
浙江大学博士学位论文 1.2.4仿鱼机器人研制进展 BC℉推进模式的仿鱼机器人的研制最早始于上世纪90年代，是仿生水下机器人研 究开展较早的领域)，研究单位也日趋增多，以美国、日本、英国等国家为代表，研究 成果已经较为显著0.较为典型的有两个：一个是麻省理工学院(MIT)仿蓝鳍金枪鱼研 制的世界上第一条机器鱼RoboTuna(图1-6a),利用尾部和尾鳍的摆动实现游动，其 研究的目的是研制一种能克服目前水下潜器连续工作时间短、高效、快速的水下推进系 统，其后MIT又先后研制了改进版本“RoboPike”、“VCUUV),实现了第一个自主控 制的仿鱼机器人；另一个是英国埃塞克斯大学研制的小尺寸机器鱼仅用一台伺服电机 驱动机器鱼尾部可实现三维的灵活运动并达到自主控制，被认为是迄今为止仿真程度最 高的机器鱼，目前已经放在伦敦水族馆里进行展览，计划投放至西班牙附近海域，用于 探测水中污染物，并绘制河水的3D污染图叫，属于BC℉领域最新的研究成果，如图1-6b 所示。 (aMT研制的世界上第一条机器鱼 (⑥)英国机器鱼最新研究成果 图1-6BCP典型研究成果 虽然目前柔性鳍波动推进的游动机理尚不完全清晰，相关研究尚处于探索阶段，但 鳍波动推进仿生机器人的研究已于21世纪初受到各国水下仿生推进技术领域的热切关 注，相继取得了一些成果。目前已研制的鳍波动推进装置致动方式包括气压驱动，电磁 驱动，电机驱动，智能材料驱动等，下面分别进行简述 a.气压驱动 英国哈利尔特-瓦特大学(Heriot-Watt University)为研究长鳍波动推进方式及其在未 来水下航行器上的执行潜能，Sfakio takis等人于2001年最早研制了一套鳍波动推进实 验装置（如图l-7).该装置由8个并联膜盒致动器Parallel Bellows Actuator,.PBA)和弹性 材料制成的鳍面组成，PBA由气压驱动，每个PBA单独可控，可实现鳍条的三维运 动.实验装置可实现多种鳍面波形，能产生正、逆向推力。但由于气压驱动需要气压源， 体积庞大，且PBA“鳍条”自身惯量产生的侧向力比推力高出数十倍，因此距实际工程应 8
浙江大学博士学位论文 1．2．4仿鱼机器人研制进展 BCF推进模式的仿鱼机器人的研制最早始于上世纪90年代，是仿生水下机器人研 究开展较早的领域【31，研究单位也日趋增多，以美国、日本、英国等国家为代表，研究 成果已经较为显著凹】。较为典型的有两个：一个是麻省理工学院(MIT)仿蓝鳍金枪鱼研 制的世界上第一条机器鱼RoboTuIla【931(图1．6a)，利用尾部和尾鳍的摆动实现游动，其 研究的目的是研制一种能克服目前水下潜器连续工作时间短、高效、快速的水下推进系 统，其后MIT又先后研制了改进版本“IbboPike”、·‘vCUUV’’【矧，实现了第一个自主控 制的仿鱼机器人；另一个是英国埃塞克斯大学研制的小尺寸机器鱼仅用一台伺服电机 驱动机器鱼尾部可实现三维的灵活运动并达到自主控制，被认为是迄今为止仿真程度最 高的机器鱼，目前已经放在伦敦水族馆里进行展览，计划投放至西班牙附近海域，用于 探测水中污染物，并绘制河水的3D污染图【舛】，属于BCF领域最新的研究成果，如图1．6b 所示。 (a)MlT研制的世界上第一条机器鱼 (b)英国机器鱼最新研究成果 图l-6BCF典型研究成果 虽然目前柔性鳍波动推进的游动机理尚不完全清晰，相关研究尚处于探索阶段，但 鳍波动推进仿生机器人的研究已于21世纪初受到各国水下仿生推进技术领域的热切关 注，相继取得了一些成果。目前已研制的鳍波动推进装置致动方式包括气压驱动，电磁 驱动，电机驱动，智能材料驱动等，下面分别进行简述。 a．气压驱动 英国哈利尔特．瓦特大学(Heriot．watt UIlivers时)为研究长鳍波动推进方式及其在未 来水下航行器上的执行潜能，Sf撕o taks等人于2001年最早研制了一套鳍波动推进实 验装置(如图1．7)。该装置由8个并联膜盒致动器(Parallel Bellows Acnlator，PBA)和弹性 材料制成的鳍面组成， PBA由气压驱动，每个PBA单独可控，可实现鳍条的三维运 动。实验装置可实现多种鳍面波形，能产生正、逆向推力。但由于气压驱动需要气压源， 体积庞大，且PBA“鳍条”自身惯量产生的侧向力比推力高出数十倍，因此距实际工程应 R
绪论 用还有相当差距叨 支撑架 力传感 柔性 力传 图1-7英国哈利尔特一瓦特大学应用PBA的波动长螬推进装置啊 b.电磁驱动 美国西北大学的MacIVer等人组成的研究小组一直致力于长鳍波动推进器的研究 工作。2003年，研究小组仿裸背鳗科鱼“黑魔鬼”(The black ghost knifefish)的长臀鳍，设 计了用于水下自主航行器的带状鳍推进器，见图1-8a。鳍条采用刚性结构，可以实现 平面定点的摆动运动，并利用磁铁和线圈实现电磁式驱动，通过控制线圈电流实现对鳍 条的摆动控制。同时利用理想的椭圆载体模型、Kirchhofr方程和产生轨迹的优化控制 算法分析带状鳍推进系统，证明此系统具有低速下多方位的机动性能。电磁驱动方 式受温升影响控制精度有限，对其小型化要求比较高。 c.电机驱动 近几年研制的鳍波动推进装置大多采用电机驱动方式，并采用模块化设计思想，由 多个伺服电机分别独立控制多个鳍条单元，协同运动产生波动推进运动 2005年，美国西北大学研究小组又研制了由数字RC伺服马达驱动的波动鳍推进器， 通过仿真和试验测试结果的分析揭示推进力的产生机理。该装置采用模块化设计思想， 如图1-8b,由16套鳍条致动单元构成，并采用大扭矩伺服马达驱动，增强了鳍条驱动 能力，使控制更为灵活，推进性能大大优于第一套实验装置)。该研究小组最新研究 成果是采用C℉D数值方法和数字粒子图像测速DPIV)方法的结合进一步对长鳍推进器 的推进机制及性能作了深入分析，揭示推力大小和波长、频率、波幅等参数之间的关系， 并揭示了推力产生的首要因素是中心射流和周围辅助涡环的形成5例 9
绪论 用还有相当差距【97】． 力传蕾 酗 F 一 图1．7英国哈利尔特一瓦特大学 b．电磁驱动 美国西北大学的MacⅣer等人组成的研究小组一直致力于长鳍波动推进器的研究 工作。2003年，研究小组仿裸背鳗科鱼“黑魔鬼”(m bl∞k gh0St蜥fefish)的长臀鳍，设 计了用于水下自主航行器的带状鳍推进器，见图1．8a。鳍条采用刚性结构，可以实现 平面定点的摆动运动，并利用磁铁和线圈实现电磁式驱动，通过控制线圈电流实现对鳍 条的摆动控制。同时利用理想的椭圆载体模型、l洫hho疔方程和产生轨迹的优化控制 算法分析带状鳍推进系统，证明此系统具有低速下多方位的机动性能彤】。电磁驱动方 式受温升影响控制精度有限，对其小型化要求比较高。 c．电机驱动 近几年研制的鳍波动推进装置大多采用电机驱动方式，并采用模块化设计思想，由 多个伺服电机分别独立控制多个鳍条单元，协同运动产生波动推进运动。 2005年，美国西北大学研究小组又研制了由数字Rc伺服马达驱动的波动鳍推进器， 通过仿真和试验测试结果的分析揭示推进力的产生机理。该装置采用模块化设计思想， 如图1．8b，由16套鳍条致动单元构成，并采用大扭矩伺服马达驱动，增强了鳍条驱动 能力，使控制更为灵活，推进性能大大优于第一套实验装置f981。该研究小组最新研究 成果是采用CFD数值方法和数字粒子图像测速(DPIV)方法的结合进一步对长鳍推进器 的推进机制及性能作了深入分析，揭示推力大小和波长、频率、波幅等参数之间的关系， 并揭示了推力产生的首要因素是中心射流和周围辅助涡环的形成【59】。 9
浙江大学博士学位论文 (a)第一代电磁驱动鳍推进器 (b)第二代电机驱动鳍推进器 图】-8美国西北大学带状长鳍推进装置7叫 图1-9日本大版大学第三代柔性侧鳍推进机器人 日本大阪大学自2002年开始研究具有两个柔性波动侧鳍的仿鱼水下航行器，先后 研制了三套样机装置10)，不断提高样机的推进性能.图1-9是2006年最新研制的第三 代样机，两侧的波动鳍各由17个伺服电机单元驱动产生运动，可以灵活实现自由航行 和偏转，能够产生6自由度运动1o)。其后他们与名古屋大学Nagoya University) Yamamura等合作，联合开发了基于智能材料IPMC驱动的波动鳍微型水下推进器Io网。 新加坡南洋理工大学(NTU)2005年先后仿乌贼波动对鳍和魔鬼鱼波动单鳍研制 了仿生推进器Stingray Robot和Knifefish Robot,如下图1-l0新加坡南洋理工大学 研制的柔性鳍推进机器人，采用多个伺服电机驱动曲柄机构阵列产生波动运动，其中鳍 条间不是通过柔性薄膜材料直接联结，而是由两块刚性板组成的滑块结构代替，实验证 10
浙江大学博士学位论文 (a)第一代电磁驱动鳍推进器 (b)第二代电机驱动鳍推进器 图1．8美国西北大学带状长鳍推进装置【74】 图1．9日本大阪大学第三代柔性侧鳍推进机器人【1031 日本大阪大学自2002年开始研究具有两个柔性波动侧鳍的仿鱼水下航行器，先后 研制了三套样机装置【100】，不断提高样机的推进性能。图1．9是2006年最新研制的第三 代样机，两侧的波动鳍各由17个伺服电机单元驱动产生运动，可以灵活实现自由航行 和偏转，能够产生6自由度运动1103】。其后他们与名古屋大学(Nagoya UlliVersi够) Yama删珊等合作，联合开发了基于智能材料IPMC驱动的波动鳍微型水下推进器1104】。 新加坡南洋理工大学(NTU)2005年先后仿乌贼波动对鳍和魔鬼鱼波动单鳍研制 了仿生推进器S血增哪R0bot和跚fefish Ibbot【1061，如下图1．10新加坡南洋理工大学 研制的柔性鳍推进机器人，采用多个伺服电机驱动曲柄机构阵列产生波动运动，其中鳍 条间不是通过柔性薄膜材料直接联结，而是由两块刚性板组成的滑块结构代替，实验证 10