仿生机器人报告二

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1、HarbinInstituteofTechnology仿主感知与尢进机諮人技术课程扳吿(2)扳告題目：仿生学及仿生机械学发展动态报告系:：机电工程学院班级：1208101姓名:吉孟宇学号：1120810125哈尔滨工业大学机电工程学院、综述21世纪是海洋的世纪，随着海洋开发事业的发展，加上其它类科学（如材料科学和H动控制理论等学科）的全而发展的吋也带动了综合学科一机器人技术科学的发展，因而在海洋开发和相关领域中运用机器人技术已引起了各方而的重视。如何提升系统的效率!机动性!并降低噪声一直是水下机器人研究的重要问题•传统的依靠螺旋桨推进的水下机器人在推进过程屮

2、会产牛侧向的涡流,增加能量的无功消耗，降低其推进效率，并会产生较大的噪声.而鱼类，作为地球上岀现最早的脊椎动物，经过数亿年的自然选择，进化出了非凡的水屮运动能力，其游动具有推进效率高!机动性强!隐蔽性好！噪声低！对周围环境影响小等优点。止是鱼类这些运动特点引起生物学家!力学家浓厚的兴趣，深入研究其运动机理以揭示形成仇类这些运动特点的内在原因；同吋机器人学者也在龟类的启发下，通过模仿鱼类的运动方式，不断研制和完善具有鱼类运动特点的仿生机器鱼，以期构建采用高效、高机动游动方式的新型水下机器人系统。二、鱼的运动原理及在仿生鱼设计方面的应用1984年，P.w.web

3、b根据鱼类推进所使用的身体部位的不同，将鱼类游动的推进模式分为两类：身体/尾鳍推进模式（h劝yanorcaudalfin,简称BcF）和屮央鳍/对鳍模式（mediananorpairedfin,iW称MpF）。按照这种分类方法，机器鱼可以分成两大类:BCF式和MpF式。按照鱼类推进运动的特征，机器鱼可以分成波动式机器血和摆动式机器仇。波动式是指在游动过程屮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

4、式推进效率较低，但机动性较好。而尾鳍摆动式具冇很高的推进效率，适于长时间、长距离巡游，不足之处是机动性较差。此外，从机器龟推进器的设计和应用出发，按照金体的形态及运动形式，机器鱼乂可以分成鳗鲫模式（即gLnili-匆nllmede）机器鱼、够科模式（c〜giformlnede）机器鱼、鳞科加月牙尾推进（山山而加mill团e）机器鱼和胸鳍摆动/波动式机器鱼。両三种模式的主要区别在于产生推进运动的身体波的特征：1）鳗鲫模式是指整个鱼体从头到尾都作波状摆动，而且波幅基本不变，其特点是行进单位距离所需能量最少。2）够科模式的波动主要集屮在身体后2/3部分，推进力主要

5、由具冇一定刚度的尾鳍产生，推进速度和推进效率较鳗鲫模式高，在速度、加速度和可控性三者Z间有最好的平衡。3)在够科加月牙尾推进中，鱼的前体基本失去柔性，推进运动仅限于身体后1/3部分，特别是尾鳍至尾柄处。通过具有一定刚度、高展弦比尾鳍的运动,血体产生超过卯％的推进力。该模式适于长时间高速巡游，海洋中游速最快的鱼类如鳖鱼和金枪鱼儿乎都采用该推进模式。快速(巡游速度高达20节)和高效推进(流体推进效率高达80%以上)的优点，使够科加月牙尾推进成为仿生推进研究的热点。4)胸鳍摆动/波动式推进所产生的推进力和推进效率最低，人部分鱼类主要通过胸鳍的摆动/波动來提高游动的

6、机动性或作辅助推进。三、几种典型的机器鱼系统设计模式从20世纪90年代开始，研究人员开始研制用于实验的仿生机器仇样机.经过多年发展，目前针对鱼类各种游动模式已研制出多种仿牛机器鱼系统，其中尤以BC推进模式的仿生机器鱼居多.近年来，由于MPF模式具冇机动性好!稳定性高等优点，越來越多的研究人员也开始关注MPF推进模式仿生机器鱼的研制.(一)BCF模式仿生机器鱼1)鳗绷模式机器鱼(a)(b)(c)图1鳗鲫模式机器鱼美国新墨四哥大学Mojarrad和ShahhipOOr娜｝将髙分子电解质离子交换膜镀在仿生鱼鳍的金屈片上，通过外加电场实现人造合成肌肉，产生了类似鳗鱼

7、的游动方式•美国东北人学的研‘允人员使用形状记忆合金(ShaPeMemoryAlloy,SMA)开发了波动运动的机器鳗鱼(见图1(a))。东京理科大学稻垣永一研究组研制了一条机器鳗鱼(见图1(b)),探讨了其,在狭小空间中的运动性能。北京航空航夭大学于1999年研制了模仿银龙鱼波动游动的机器鳗鱼(见图1(c))。2)亚珍科、掺科模式机器鱼(a)(b)(c)图2亚珍科、掺科模式机器鱼英国Essex大学在研究掺科模式游动基础上，研制了一系列掺科模式机器鱼,按尾鳍结构的不同，可以分为G系列和MT系列!州.G系列用于研究C型转弯和S型启动，并在最新的Gg(见图2(a

8、))机器鱼上获得了120%的峰值转弯角速度!州.中国