哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 鱼样机选用舵机作为驱动，外形尺寸为0.3m×0.5m,主要由鱼体和胸鳍两部分组成。 鱼体底板材料为铝合金薄板，舵机固定在该铝合金薄板上，鳍条是不锈钢细长光 轴，胸鳍表面材料选用加成型硫化硅橡胶。样机工作时，由分布在鱼体两侧的8 个舵机分别驱动各个鳍条实现往复摆动运动，各个鳍条间保持固定相位差，鳍条 的摆动迫使柔性蒙皮产生柔性变形，实现模仿鱼类的胸鳍波动推进运动，该样机 实验的数据与理论推导结果基本吻合。 弹性 皮筋 舵机 输出轴盘 铝片夹 纤维绰 不锈销 的条 生胶衡储 (a)单侧鳍 (b)双侧鳍 图1-5牛鼻鲼-I实验装置 2009年，国防科技大学的胡天江16等人以弓鳍目尼罗河魔鬼鱼为仿生对象， 建立了长鳍的运动学方程，并研制了波动长鳍仿生实验装置，如图1-6所示，根据 提出的运动学方程，设计实验验证所建立的波动长鳍运动学模型的正确性。 图1-6波动长鳍实验装置 从2005年开始，北京航空航天大学机器人研究所的相关人员针对MP℉推进 模式的鱼类进行了较多的研究，并研制了一系列实验样机，该系列样机可用于理 论研究的实验验证。 如图1-7所示，样机Robo-RayI外形尺寸为0.6m×0.7m,主要包括鱼体部分、 胸鳍部分、尾舵及升降舵等部分，最大游动速度0.7s。样机鱼体主要为玻璃钢 材料，胸鳍由碳纤维杆和硅橡胶板粘合而成，以单个直流电机驱动两侧胸鳍往复 摆动产生击水动作，产生推进力使鱼体向前推进，两侧胸鳍只能实现同步对称的 击水动作，游动方向由尾部的方向舵控制，浮潜动作由升降舵控制。 -4- 万方数据
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -4- 鱼样机选用舵机作为驱动，外形尺寸为 0.3m×0.5m，主要由鱼体和胸鳍两部分组成。 鱼体底板材料为铝合金薄板，舵机固定在该铝合金薄板上，鳍条是不锈钢细长光 轴，胸鳍表面材料选用加成型硫化硅橡胶。样机工作时，由分布在鱼体两侧的 8 个舵机分别驱动各个鳍条实现往复摆动运动，各个鳍条间保持固定相位差，鳍条 的摆动迫使柔性蒙皮产生柔性变形，实现模仿鱼类的胸鳍波动推进运动，该样机 实验的数据与理论推导结果基本吻合。 （a）单侧鳍 (b)双侧鳍 图 1-5 牛鼻鲼-Ⅰ实验装置 2009 年，国防科技大学的胡天江[16]等人以弓鳍目尼罗河魔鬼鱼为仿生对象， 建立了长鳍的运动学方程，并研制了波动长鳍仿生实验装置，如图 1-6 所示，根据 提出的运动学方程，设计实验验证所建立的波动长鳍运动学模型的正确性。 图 1-6 波动长鳍实验装置 从 2005 年开始，北京航空航天大学机器人研究所的相关人员针对 MPF 推进 模式的鱼类进行了较多的研究，并研制了一系列实验样机，该系列样机可用于理 论研究的实验验证。 如图 1-7 所示，样机 Robo-Ray I 外形尺寸为 0.6m×0.7m，主要包括鱼体部分、 胸鳍部分、尾舵及升降舵等部分，最大游动速度 0.7m/s。样机鱼体主要为玻璃钢 材料，胸鳍由碳纤维杆和硅橡胶板粘合而成，以单个直流电机驱动两侧胸鳍往复 摆动产生击水动作，产生推进力使鱼体向前推进，两侧胸鳍只能实现同步对称的 击水动作，游动方向由尾部的方向舵控制，浮潜动作由升降舵控制。 万方数据
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图1-7样机Robo-RayI 如图1-8所示，样机Robo-RayⅡ外形尺寸为0.7m×0.8m,最大游动速度0.9m/s, 样机模仿牛鼻鲼的外形，为实现两侧胸鳍摆动运动的独立性，采用双侧电机独立 驱动两侧胸鳍，通过控制两侧胸鳍摆动频率可控制鱼体的转向，机动性更好。 图l-8样机Robo-RayⅡ 如图1-9所示，样机Robo-rayI外形尺寸0.6m×0.4m,最大游动速度0.5m/s, 该样机沿袭Robo-RayIⅡ的外形设计方案，在该系列样机Robo-RayⅡ的基础上添 加了深度、红外、超声波等各种传感器，自主游动性能和游动可控性提高。 图1-9样机Robo-rayⅢ 如图1-10所示，样机Robo-Ray IV仍I旧模仿牛鼻鲼鱼类的鱼体外形，与之前 系列样机相比，其主要变化在于Robo-Ray IV采用气动驱动，通过气压压力值的改 变来实现胸鳍的摆动，但实验结果表明，该方案驱动力不足，实验效果不佳7。 -5- 万方数据
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -5- 图 1-7 样机 Robo-Ray I 如图1-8所示，样机Robo-Ray II外形尺寸为0.7m×0.8m，最大游动速度0.9m/s， 样机模仿牛鼻鲼的外形，为实现两侧胸鳍摆动运动的独立性，采用双侧电机独立 驱动两侧胸鳍，通过控制两侧胸鳍摆动频率可控制鱼体的转向，机动性更好。 图 1-8 样机 Robo-Ray II 如图 1-9 所示，样机 Robo-ray III 外形尺寸 0.6m×0.4m，最大游动速度 0.5m/s， 该样机沿袭 Robo-Ray II 的外形设计方案，在该系列样机 Robo-Ray II 的基础上添 加了深度、红外、超声波等各种传感器，自主游动性能和游动可控性提高。 图 1-9 样机 Robo-ray III 如图 1-10 所示，样机 Robo-Ray IV 仍旧模仿牛鼻鲼鱼类的鱼体外形，与之前 系列样机相比，其主要变化在于 Robo-Ray IV 采用气动驱动，通过气压压力值的改 变来实现胸鳍的摆动，但实验结果表明，该方案驱动力不足，实验效果不佳[17]。 万方数据
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图1-10样机Robo-Ray IV 总体来看，北京航空航天大学进行仿生机器鱼研究的仿生对象主要是牛鼻鲼 等鱼类，按照产生推进力的部位进行分类，该鱼属于MPF中央鳍/对鳍模式，但该 鱼类具体推进模式为胸鳍摆动模式，而该机构研究人员对波动推进模式研究较少。 哈尔滨工业大学也针对MP℉模式鱼类进行了一系列仿生学研究，王扬威8] 等人以蝠鲼作为仿生对象，制成了仿生蝠鲼机器鱼。如图1-11所示，该样机选择 SMA材料(Shape Memory Alloy,形状记忆合金)作为驱动，结构简单、运行安 静无噪声，但是驱动力小。样机本体主要分为鱼体、胸鳍和尾鞭三部分，尾鞭部 分主要提高鱼体稳定性，减轻样机运行过程中鱼体的摆动，鱼体部分的外壳材料 为聚乙烯，胸鳍部分主要由形状记忆合金固连柔性蒙皮而成，通过记忆合金产生 形变迫使柔性蒙皮产生变形，实现胸鳍的摆动。实验表明，该样机能成功实现胸 鳍的摆动运动，且运行过程低干扰无噪声，对隐蔽性要求较高的应用场合具有较 好的适应性，但驱动力不足，运行效果不理想，游动速度仅0.079/s,最小转弯 半径0.118m。 图1-11仿生蝠鲼机器鱼 2012年，浙江大学的刘芳芳等人以墨鱼等头足类生物为仿生对象，开展了 对墨鱼等周鳍型鱼类的研究，设计和研制了一套仿墨鱼实验装置，如图1-12所示。 该实验装置采用模块化设计方案，包括柔性长鳍、摆动机构、俯仰机构和转弯机 构等部分，并通过实验分析波动长鳍材料、摆动幅角、摆动频率等实验参数与游 动速度的关系。 万方数据
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -6- 图 1-10 样机 Robo-Ray IV 总体来看，北京航空航天大学进行仿生机器鱼研究的仿生对象主要是牛鼻鲼 等鱼类，按照产生推进力的部位进行分类，该鱼属于 MPF 中央鳍/对鳍模式，但该 鱼类具体推进模式为胸鳍摆动模式，而该机构研究人员对波动推进模式研究较少。 哈尔滨工业大学也针对 MPF 模式鱼类进行了一系列仿生学研究，王扬威[18] 等人以蝠鲼作为仿生对象，制成了仿生蝠鲼机器鱼。如图 1-11 所示，该样机选择 SMA 材料（Shape Memory Alloy，形状记忆合金）作为驱动，结构简单、运行安 静无噪声，但是驱动力小。样机本体主要分为鱼体、胸鳍和尾鞭三部分，尾鞭部 分主要提高鱼体稳定性，减轻样机运行过程中鱼体的摆动，鱼体部分的外壳材料 为聚乙烯，胸鳍部分主要由形状记忆合金固连柔性蒙皮而成，通过记忆合金产生 形变迫使柔性蒙皮产生变形，实现胸鳍的摆动。实验表明，该样机能成功实现胸 鳍的摆动运动，且运行过程低干扰无噪声，对隐蔽性要求较高的应用场合具有较 好的适应性，但驱动力不足，运行效果不理想，游动速度仅 0.079m/s，最小转弯 半径 0.118m。 图 1-11 仿生蝠鲼机器鱼 2012 年，浙江大学的刘芳芳[19]等人以墨鱼等头足类生物为仿生对象，开展了 对墨鱼等周鳍型鱼类的研究，设计和研制了一套仿墨鱼实验装置，如图 1-12 所示。 该实验装置采用模块化设计方案，包括柔性长鳍、摆动机构、俯仰机构和转弯机 构等部分，并通过实验分析波动长鳍材料、摆动幅角、摆动频率等实验参数与游 动速度的关系。 万方数据
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 (a)设计图 (b)实物图 图1-12仿头足类墨鱼机器鱼 总体看来，国内高校就仿生鱼研究方向开展了一系列的理论和实验研究，尤 其针对MP℉中央鳍/对鳍模式鱼类的开展了较多研究工作，但有关该鱼类的研究主 要集中在对MP℉摆动或拍动推进模式鱼类的研究，而对波动模式鱼类的研究还比 较少。鳐鱼是MP℉波动模式鱼类中的典型代表，开展以鳐鱼作为仿生对象的仿生 学研究具有重要意义。 1.2.2国外仿生鱼研究现状 2002年，加拿大哥伦比亚大学设计了一套仿生系统20，如图1-13所示，该系 统采用形状记忆合金作为驱动来激励柔性鳍面产生变形以模拟鱼类肌肉的收缩动 作。由于无法牢固连接SMA细丝和柔性蒙皮，该实验装置无法在水下激励鳍面产 生理想变形。 图1-13加拿大哥伦比亚大学仿生实验装置 2002年日本大阪大学1-23研制了仿乌贼双侧波动鳍实验装置，如图1-14所示。 该实验装置采用直流伺服电机驱动，外形尺0.6m×0.5m×0.075m,可实现潜浮、转 弯、逆向游动等动作，机动性能良好。 久 万方数据
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -7- （a）设计图 （b）实物图 图 1-12 仿头足类墨鱼机器鱼 总体看来，国内高校就仿生鱼研究方向开展了一系列的理论和实验研究，尤 其针对 MPF 中央鳍/对鳍模式鱼类的开展了较多研究工作，但有关该鱼类的研究主 要集中在对 MPF 摆动或拍动推进模式鱼类的研究，而对波动模式鱼类的研究还比 较少。鳐鱼是 MPF 波动模式鱼类中的典型代表，开展以鳐鱼作为仿生对象的仿生 学研究具有重要意义。 1.2.2 国外仿生鱼研究现状 2002 年，加拿大哥伦比亚大学设计了一套仿生系统[20]，如图 1-13 所示，该系 统采用形状记忆合金作为驱动来激励柔性鳍面产生变形以模拟鱼类肌肉的收缩动 作。由于无法牢固连接 SMA 细丝和柔性蒙皮，该实验装置无法在水下激励鳍面产 生理想变形。 图 1-13 加拿大哥伦比亚大学仿生实验装置 2002 年日本大阪大学[21-23]研制了仿乌贼双侧波动鳍实验装置，如图 1-14 所示。 该实验装置采用直流伺服电机驱动，外形尺 0.6m×0.5m×0.075m，可实现潜浮、转 弯、逆向游动等动作，机动性能良好。 万方数据
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图1-14日本大阪大学仿乌贼实验装置 同年，日本名古屋大学以人造肌肉为驱动元件，研制了一套类似的仿乌贼波 动水下航行器实验装置，如图1-15所示，该实验装置游动速度最大为20mm/s,推 进性能较差。 图1-15日本名古屋大学人造肌肉仿生鱼 2005年新加坡南洋理工大学2以乌贼为主要研究目标，研制了仿乌贼波动鳍 推进水下实验装置，如图1-16所示。该仿生装置采用模块化设计，且通过机械结 构的设计实现仿生装置波动鳍的柔性，能够实现模仿鱼类波动动作。 图1-16仿乌贼水下推进装置 2007年德国Fsto公司研制成功了人造肌肉，并将该项技术应用于仿生研究， 研制了一套仿生蝠鲼样机2]，如图1-17所示，该样机采用气动肌腱驱动，实验效 果良好。 -8- 万方数据
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -8- 图 1-14 日本大阪大学仿乌贼实验装置 同年，日本名古屋大学以人造肌肉为驱动元件，研制了一套类似的仿乌贼波 动水下航行器实验装置,如图 1-15 所示，该实验装置游动速度最大为 20mm/s，推 进性能较差。 图 1-15 日本名古屋大学人造肌肉仿生鱼 2005 年新加坡南洋理工大学[24]以乌贼为主要研究目标，研制了仿乌贼波动鳍 推进水下实验装置，如图 1-16 所示。该仿生装置采用模块化设计，且通过机械结 构的设计实现仿生装置波动鳍的柔性，能够实现模仿鱼类波动动作。 图 1-16 仿乌贼水下推进装置 2007 年德国 Festo 公司研制成功了人造肌肉，并将该项技术应用于仿生研究， 研制了一套仿生蝠鲼样机[25]，如图 1-17 所示，该样机采用气动肌腱驱动，实验效 果良好。 万方数据