哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2.2鱼类推进模式的特点 图1-2给出了鱼类推进模式的分类、特点[7~10。其中鲹科加新月形尾鳍 推进模式是效率最高、速度最快的推进模式，海洋中游速最快的鱼类几乎都 采用这种推进模式，如鲨鱼、金枪鱼山等。鳗鲡目等鱼类由于其体形细 长、柔韧性好，具备更良好的机动性能。 〔1.推进效率较低 特点 2.推进速度较慢 鳗鲡目身体波动模式- 3.在狭小空间的场所 具有良好的机动性能 1.推进效率较高 鲹科模式一 特点 2.推进速度较快 推进模式 3.机动性能较好 〔1.推进效率最高 鲹科加新月形尾鳍模式特点→ 2.推进速度最快 3.机动性能一般 1.效率最低 胸鳍模式一 分类 胸鳍摆动式 特点→2.速度最慢 胸鳍波动式 3.机动性能最好 图1-2鱼类推进模式的分类、特点 Fig.1-2 Classification and characteristics of fish propulsion modes 本文主要研究的鲹科模式推进鱼类，由于身体刚度较大，波动主要集中 在身体后23部分，推进力主要由具有一定刚度的尾鳍产生，推进速度和推 进效率较鳗鲡目鱼类高。而在鲹科加新月形尾鳍模式中，由于身体刚度较鲹 科模式鱼类大，推进运动被限制在身体后1/3部分，大的侧向位移主要产生 于后颈部和尾鳍，通过具有一定刚度尾鳍的运动产生超过90%的推进力， 而身体的前2/3部分几乎保持刚性]。 1.2.3仿生机器鱼的研究意义及特点 仿生机器鱼是属于仿生机器人学的范畴，涉及到机电、材料、流体力 学、控制、能源、生物、通讯等学科。从学科发展的角度讲，对它的研究可 -3-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 1.2.2 鱼类推进模式的特点 图 1-2 给出了鱼类推进模式的分类、特点[7~10]。其中鲹科加新月形尾鳍 推进模式是效率最高、速度最快的推进模式，海洋中游速最快的鱼类几乎都 采用这种推进模式，如鲨鱼、金枪鱼[11]等。鳗鲡目等鱼类由于其体形细 长、柔韧性好，具备更良好的机动性能。 ⎧ ⎪ ⎪ ⎯⎯⎯→⎨ ⎪ ⎪⎩ ⎧ ⎪ ⎯⎯⎯→⎨ ⎪ ⎩ ⎧ ⎪ ⎯⎯⎯→⎨ ⎪ ⎩ ⎧ ⎧ ⎫ ⎪ ⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯ ⎨ ⎬⎨ → ⎩ ⎭ 特点 特点 特点 分类 特点 1.推进效率较低 2.推进速度较慢 鳗鲡目身体波动模式 3.在狭小空间的场所 具有良好的机动性能 1.推进效率较高 鲹科模式 2.推进速度较快 推进模式 3.机动性能较好 1.推进效率最高 鲹科加新月形尾鳍模式 2.推进速度最快 3.机动性能一般 1.效率最低 胸鳍摆动式 胸鳍模式 2.速度最慢 胸鳍波动式 3.机动性能最好 ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎩ 图 1-2 鱼类推进模式的分类、特点 Fig.1-2 Classification and characteristics of fish propulsion modes 本文主要研究的鲹科模式推进鱼类，由于身体刚度较大，波动主要集中 在身体后 2/3 部分，推进力主要由具有一定刚度的尾鳍产生，推进速度和推 进效率较鳗鲡目鱼类高。而在鲹科加新月形尾鳍模式中，由于身体刚度较鲹 科模式鱼类大，推进运动被限制在身体后 1/3 部分，大的侧向位移主要产生 于后颈部和尾鳍，通过具有一定刚度尾鳍的运动产生超过 90%的推进力， 而身体的前 2/3 部分几乎保持刚性[5]。 1.2.3 仿生机器鱼的研究意义及特点 仿生机器鱼是属于仿生机器人学的范畴，涉及到机电、材料、流体力 学、控制、能源、生物、通讯等学科。从学科发展的角度讲，对它的研究可
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 以带动相关学科的发展。鱼类运动机理的研究将使目前的流体力学理论更加 完善：仿生研究不仅会给机械制造、力学、材料等领域带来新观点，也将促 进测量科学的发展。 另一方面，由鱼类运动的特点还决定了仿生机器鱼在一些特殊的领域具 有不可替代的作用，同时与水下其它运动设备相比，仿生机器鱼具有如下特 点2-13]： (1)推进效率高。鱼类的高效率与其完善的流体性能有关。鱼类通过尾 鳍的摆动能消除螺旋桨产生的与推进方向垂直的涡流，产生与推进方向一致 的涡流，并且整理尾流，使其具有更加理想的流体力学性能，从而提高效 率。初步实验表明机器鱼的推进效率比常规水下设备高30%以上。 (2)机动性能好。机器鱼具有高速启动、加速的性能，以及可在小范围 内实现不减速转向运动。研究发现，生活在水中的依靠敏捷运动才能生存的 鱼类，可以不减速实现转向运动，并且其转向半径只有其身体长度的10% 30%。而现在的机动船在转向时其速度要降低50%以上，并且其转向半径 大。 (3)噪音低、隐蔽性能高。军事应用方面，由于机器鱼在雷达上的表现 形式与生物鱼类几乎相同，能够轻而易举地躲过声纳的探测和鱼雷的袭击， 出其不意的攻击对方舰艇、基地，具有重大的军事应用前景。 (4)实现了推进器与舵的统一。目前螺旋桨推进器与舵机系统分开，功 能单一，结构庞大，机构复杂，而仿生机器鱼实现浆、舵功能合二为一，从 而可精简结构和系统，简化制造工艺，并降低成本和造价。 (⑤)结构简单、运动形式多样。仿鱼水下推进器具有体积小，重量轻， 有利于实现水下潜器和水下机器人的小型化、微型化。 1.3仿生机器鱼国内外研究现状 1.3.1国外仿生机器鱼研究现状 国外学者很早就致力于对鱼类推进模式及仿生机器鱼的研究。1994年 MIT研究组研制了世界上第一条真正意义上的仿生金枪鱼(Robotuna)I4)。此 后，结合仿生学、材料学、机械学和自动控制的新发展，仿生机器鱼的研制 渐成热点，表1-1给出了国外一些典型的机器鱼研究项目，可以看出，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5-27。 -4-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 以带动相关学科的发展。鱼类运动机理的研究将使目前的流体力学理论更加 完善；仿生研究不仅会给机械制造、力学、材料等领域带来新观点，也将促 进测量科学的发展。 另一方面，由鱼类运动的特点还决定了仿生机器鱼在一些特殊的领域具 有不可替代的作用，同时与水下其它运动设备相比，仿生机器鱼具有如下特 点[12~13]： (1) 推进效率高。鱼类的高效率与其完善的流体性能有关。鱼类通过尾 鳍的摆动能消除螺旋桨产生的与推进方向垂直的涡流，产生与推进方向一致 的涡流，并且整理尾流，使其具有更加理想的流体力学性能，从而提高效 率。初步实验表明机器鱼的推进效率比常规水下设备高 30%以上。 (2) 机动性能好。机器鱼具有高速启动、加速的性能，以及可在小范围 内实现不减速转向运动。研究发现，生活在水中的依靠敏捷运动才能生存的 鱼类，可以不减速实现转向运动，并且其转向半径只有其身体长度的 10%- 30%。而现在的机动船在转向时其速度要降低 50%以上，并且其转向半径 大。 (3) 噪音低、隐蔽性能高。军事应用方面，由于机器鱼在雷达上的表现 形式与生物鱼类几乎相同，能够轻而易举地躲过声纳的探测和鱼雷的袭击， 出其不意的攻击对方舰艇、基地，具有重大的军事应用前景。 (4) 实现了推进器与舵的统一。目前螺旋桨推进器与舵机系统分开，功 能单一，结构庞大，机构复杂，而仿生机器鱼实现浆、舵功能合二为一，从 而可精简结构和系统，简化制造工艺，并降低成本和造价。 (5) 结构简单、运动形式多样。仿鱼水下推进器具有体积小，重量轻， 有利于实现水下潜器和水下机器人的小型化、微型化。 1.3 仿生机器鱼国内外研究现状 1.3.1 国外仿生机器鱼研究现状 国外学者很早就致力于对鱼类推进模式及仿生机器鱼的研究。1994 年 MIT 研究组研制了世界上第一条真正意义上的仿生金枪鱼(Robotuna)[14]。此 后，结合仿生学、材料学、机械学和自动控制的新发展，仿生机器鱼的研制 渐成热点，表 1-1 给出了国外一些典型的机器鱼研究项目，可以看出，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[15~27]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表1-1国外典型的仿生机器鱼研究项目 Table 1-1 Foreign typical research projects on robot fish 国别 研究单位 研究内容 第一条机器鱼Robotunat(1994) Robotuna改进版Pike(1995年) MIT Robotuna最高版VCUUV(1998年) 拍动翼的研究 美国 中佛罗里达大学 微电子机器鱼 德州农工大学 仿生驱动材料研究 东北大学 仿生机器鱼项目（鳗鲡目推进） 波士顿大学 机器鱼推进建模 加州理工大学 机器鱼推进的传感和控制 比利时 Vrije大学 机器鱼智能体研究 英国 Heriot--Watt大学 FLAPS项目 Essex大学 G系列和MT系列机器鱼 东海大学，Kato实验 人工胸鳍黑鲈 室 微型水下仿胸鳍模式浮游机器人 微型身体波动式水下推进器（形状记忆合金驱 日本 名古屋大学 动) Takara公司 机器鱼，机器水母 三菱重工 机器鱼(Mitsubishi Animatronics) 运输省船舶技术研究所PF-550,PF-600,PF-700,PPF-09,UPF-2001 (I)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，MT推出了Robotuna的 最高版本VCUUV。VCUUV是仿黄鳍金枪鱼研制的，图1-3为该机器鱼的 原型。 图1-3MIT推出的VCUUV Fig.1-3 VCUUV developed by MIT (2)英国Essx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 -5-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 表 1-1 国外典型的仿生机器鱼研究项目 Table 1-1 Foreign typical research projects on robot fish 国 别 研究单位 研究内容 第一条机器鱼 Robotuna(1994) Robotuna 改进版 Pike(1995 年) Robotuna 最高版 VCUUV(1998 年) MIT 拍动翼的研究 中佛罗里达大学 微电子机器鱼 德州农工大学 仿生驱动材料研究 东北大学 仿生机器鱼项目(鳗鲡目推进) 波士顿大学 机器鱼推进建模 美 国 加州理工大学 机器鱼推进的传感和控制 比利时 Vrije 大学 机器鱼智能体研究 Heriot-Watt 大学 FLAPS 项目 英 国 Essex 大学 G 系列和 MT 系列机器鱼 东海大学，Kato 实验 人工胸鳍黑鲈 室 微型水下仿胸鳍模式浮游机器人 名古屋大学 微型身体波动式水下推进器(形状记忆合金驱 动) Takara 公司 机器鱼，机器水母 三菱重工 机器鱼(Mitsubishi Animatronics) 日 本 运输省船舶技术研究所 PF-550, PF-600, PF-700, PPF-09, UPF-2001 (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 推出了 Robotuna 的 最高版本 VCUUV。VCUUV 是仿黄鳍金枪鱼研制的，图 1-3 为该机器鱼的 原型[15]。 图 1-3 MIT 推出的 VCUUV Fig.1-3 VCUUV developed by MIT (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
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 器鱼主要集中在两个系列20：G系列和MT系列。G系列均是采用多电机一 多关节的尾部结构，图1-4为G8机器鱼。而MT系列机器鱼则是采用单电机 一多关节的尾部结构，采用5个参数的控制算法实现了机器鱼的三维游动。 图1-4 Essex大学研制的G8机器鱼 Fig.1-4 G8 developed Essex university (3)日本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2]和压电陶瓷驱动的双鳍微型机器鱼24。 1995年，东海大学的Kato实验室开发了研究人工胸鳍机动性和推进的 测试平台一一仿黑色鲈鱼机器鱼(Blackbass)2。 1998年，Shuoxiang Guo和Toshio Fukuda等人研制了一种以离子交换 聚合薄膜(ICP℉)作为尾鳍驱动元件的微型机器鱼样机2]。 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，运输船舶技术研究所开始了一系列实验机器鱼项目研究21。 (4)加拿大温莎大学生物科学系的Rebecca Fisher*andJ.Derek Hogan 研究分析了100多种珊瑚鱼从幼年到成年生活状态的变迁，包括26个不同 种群的生长历程，探究了鱼类游动能力和身体外部形态之间的关系2]。 1.3.2国内仿生机器鱼研究现状 (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 实验研究”2。 (2)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-I”,如图1-11所示。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。体内安装两台伺服电机，分别驱 -6-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 器鱼主要集中在两个系列[20]：G系列和MT系列。G系列均是采用多电机－ 多关节的尾部结构，图1-4为G8机器鱼。而MT系列机器鱼则是采用单电机 －多关节的尾部结构，采用5个参数的控制算法实现了机器鱼的三维游动。 图 1-4 Essex 大学研制的 G8 机器鱼 Fig.1-4 G8 developed Essex university (3) 日本 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[23]和压电陶瓷驱动的双鳍微型机器鱼[24]。 1995 年，东海大学的 Kato 实验室开发了研究人工胸鳍机动性和推进的 测试平台——仿黑色鲈鱼机器鱼(Blackbass)[25]。 1998 年，Shuoxiang Guo 和 Toshio Fukuda 等人研制了一种以离子交换 聚合薄膜(ICPF)作为尾鳍驱动元件的微型机器鱼样机[26]。 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，运输船舶技术研究所开始了一系列实验机器鱼项目研究[21]。 (4) 加拿大 温莎大学生物科学系的 Rebecca Fisher* and J. Derek Hogan 研究分析了 100 多种珊瑚鱼从幼年到成年生活状态的变迁，包括 26 个不同 种群的生长历程，探究了鱼类游动能力和身体外部形态之间的关系[28]。 1.3.2 国内仿生机器鱼研究现状 (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 实验研究”[29]。 (2) 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－I”，如图 1-11 所示。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。体内安装两台伺服电机，分别驱
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 动尾鳍和胸鳍，可完成直航、回转和改变下潜深度等动作) ■ 图1-5哈尔滨工程大学研制的“仿生一I”号机器鱼 Fig.1-5 The robot fish by HEU 1.4仿生机器鱼运动学模型研究现状 1960年，Lightill首次基于“小振幅位势理论”建立了分析鱼类鲹科推 进模式的数学模型，这是鱼类推进模式研究历史上第一个关于鲹科推进模式 的数学模型30。 1961年，Wu首次提出了“二维波动板理论”B。该理论中将鱼当作 一弹性薄板，这是一个比较实际的用于分析鲹科模式的水动力学理论。该理 论与空气动力学的“细长体理论”一起成为1970年Lightill提出的用于分 析鲹科推进模式的“细长体理论”的基础。 1977年，M.G.Chopra和T.Kambe又提出了一种可用于大摆幅、新月形 尾鳍推进系统的“二维抗力理论”，该理论是1953年Hancock提出的“大 摆幅抗力理论”和1971年Lithtill提出的“大摆幅细长体理论”的补充。在 其理论中考虑了尾鳍的摆动和平动运动，分析了任意摆幅的规则或不规则的 运动，推进力的表达式，维持运动所需的推机器功率，传递给尾流的能量， 并且认为流体力学效率是斯德鲁哈尔数、尾鳍轨迹的幅值和尾鳍击水角度的 函数32。 1994年，日本Ikuo Yamamoto等人研制了摆动式水翼水下推进器，通 过水翼的运动来模拟鳍科加新月形尾鳍推进模式中尾鳍的运动。该水翼做平 动和摆动的复合运动，研究了尾鳍的刚度对推进速度和效率的影响，并且将 神经网络用于控制系统的设计当中。通过测实验证了尾鳍摆动式水下推进器 的高效率，并且得到了与螺旋桨等常规推进器相比的很多优点B)。 l999年，美国麻省理工学院的D.S.Barrett和M.S.Triantafyllou等人通 过实验研究4，认为鱼体游动呈波动状态，鱼体波为一波幅渐增的正弦曲 7
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 动尾鳍和胸鳍，可完成直航、回转和改变下潜深度等动作[13]。 图 1-5 哈尔滨工程大学研制的“仿生一 I”号机器鱼 Fig.1-5 The robot fish by HEU 1.4 仿生机器鱼运动学模型研究现状 1960 年，Lightill 首次基于“小振幅位势理论”建立了分析鱼类鲹科推 进模式的数学模型，这是鱼类推进模式研究历史上第一个关于鲹科推进模式 的数学模型[30]。 1961 年，Wu 首次提出了“二维波动板理论”[31]。该理论中将鱼当作 一弹性薄板，这是一个比较实际的用于分析鲹科模式的水动力学理论。该理 论与空气动力学的“细长体理论”一起成为 1970 年 Lightill 提出的用于分 析鲹科推进模式的“细长体理论”的基础。 1977 年，M.G.Chopra 和 T.Kambe 又提出了一种可用于大摆幅、新月形 尾鳍推进系统的“二维抗力理论”，该理论是 1953 年 Hancock 提出的“大 摆幅抗力理论”和 1971 年 Lithtill 提出的“大摆幅细长体理论”的补充。在 其理论中考虑了尾鳍的摆动和平动运动，分析了任意摆幅的规则或不规则的 运动，推进力的表达式，维持运动所需的推机器功率，传递给尾流的能量， 并且认为流体力学效率是斯德鲁哈尔数、尾鳍轨迹的幅值和尾鳍击水角度的 函数[32]。 1994 年，日本 Ikuo Yamamoto 等人研制了摆动式水翼水下推进器，通 过水翼的运动来模拟鳍科加新月形尾鳍推进模式中尾鳍的运动。该水翼做平 动和摆动的复合运动，研究了尾鳍的刚度对推进速度和效率的影响，并且将 神经网络用于控制系统的设计当中。通过测实验证了尾鳍摆动式水下推进器 的高效率，并且得到了与螺旋桨等常规推进器相比的很多优点[33]。 1999 年，美国麻省理工学院的 D.S.Barrett 和 M.S.Triantafyllou 等人通 过实验研究[34]，认为鱼体游动呈波动状态，鱼体波为一波幅渐增的正弦曲