第$&卷第*期$##$年+月
文章编号!
机器人
BCDCE
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9X)1$##$
水下仿生机器鱼的研究进展,-小型实验机器鱼的研制,
梁建宏
王田苗
魏洪兴
北京
.
陶
伟
北京航空航天大学机器人研究所(
摘
要!本文介绍了自行研制的一条小型实验机器鱼0该机器鱼作为研究仿生机器鱼的流体力学性能的实验
平台1具有刚性头部2采用无线遥控0机器鱼体长/水中最大速度为$+关节的柔性身体和月牙形尾鳍13##441546最大转弯角速度为
好的游动性能和较高的机动性能0
关键词!仿生推进:流体力学:机器鱼:9形运动中图分类号!;$&
文献标识码!=
>?@?A>BCDEFG?H?FIJK?LMIDELG?>NAM?>>IOIDP@CPP-G?H?FIJK?LMIDA@KAFF?QJ?>PK?LMAF>IOIDP@C
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4引言()P5{|236~{725
金枪鱼和海豚等水生动物高超的游泳能力是目模仿前任何采用螺旋桨推进的船舶所不能比拟的0鱼类推进方式1鱼类仿生学家可能会为水下自动航行器设计出一种更好的动力装置0这种小型的无人驾驶航行器可用于复杂海洋环境下的海洋观测2军水下作业和水下救生等0事监视2
近年来仿生学2机器人学2流体力学2新型材料和驱动装置的进步促进了仿生机器鱼技术的发展0
陶瓷驱动的微型仿胸鳍模式的浮游机器人和89S
驱动的身体波动式水下推进器:0
由$能够像真
鱼一样游动0
:*@+;
日本东京工业大学研制了0
一条自主驱动具有两个关节自推进的机器海豚1长
游速为
中心大学正在研制一种微电子机器鱼19^=,-动系统完全由形状记忆合金构成1能真正实现无噪声驱动0
我们于
中国科学院机器人学开放研究实验室基金资助项目:国防基础科研项目(项目编号!.基金项目!
收稿日期!$##
万方数据
第B?卷第W期梁建宏等X水下仿生机器鱼的研究进展YZ
小型实验机器鱼的研制Y
BW$
系统研究!建立一套完整的机器鱼水动力学定性观察
线通讯方式#控制系统由C控制器和无线收发%机
模块三部分组成!控制器通过无线收发模块接收装在鱼体半圆球形头部内的摄像头的视频信号!同时向控制信号接收机发送控制命令!从而直接控制鱼体的运动#与控制器之间采C%机作为上位机系统!用串行通讯!通过人机交互接口实时显示接收到的视频图像!同时可以修改控制器发出的控制参数!间接控制鱼体的运动#
&小型实验机器鱼的总体构成’()*)+,-./+01/0+)23/4))56)+78)*/,-.9./)8:
小型实验机器鱼是一条具有刚性头部!柔性身体和刚性尾鳍的摆动推进器#总长度约;总高>!
度为$总重量为?鱼体头部是一个半圆$=>!@球!前部为圆柱形!尾部由直径渐变的圆柱面贴合而成!以形成整体流线型的外部形状!在尾部带有一个尾鳍!作为提供推进力的主要执行机构#鱼体的全部横断面都是圆形!最大横断面是一个直径AA=>>的圆面#鱼体外形如图A所示#小型实验机器鱼的总体结构如图B所示#整个系统由机器鱼本体和控制系统两部分组成!采用无
图A小型机器鱼的外形图#AFDE@>GHHIJKILE>IMNGHLOPOQERS
图B小型实验机器鱼的总体结构框图
#BTDE@IMILGHRNLUVNULIRVSI>GNEVOQNSIR>GHHIJKILE>IMNGHLOPOQERS
机器鱼本体部分由半圆球形头部
前腔是一个较长的铝制刚性圆筒!它的下表面开孔!用于安装声纳!可以进行多机器鱼的通讯#内部空间中除了安装视频发射模块以外!另外存放的是整个鱼体的电源#此外还有一个舵机及其接收装置用于控制胸鳍的俯仰!从而控制鱼体的上升和下潜#
万方数据
地上的接收机中!实时的提供鱼体周围的信息#鱼身
P4Q
机器人
P88P年6
月
!鱼体结构设计
3%+12.+21$
小型实验机器鱼的机械结构如图4所示5柔性身体部分共有6个关节7每一个关节相对于临近的部分立的5每一个关节由一个伺服舵机控制7可以实现本段和前段的相对转角位移5柔性身体的外形由
套在钢环上的黑色橡胶外皮构成7每隔一定的距离由一个骨板支撑7附着在鱼体上5这样鱼体外皮呈现的是一个波纹管的形状5鱼皮厚约8在摆动59::7
时波纹管状结构可以自然的张开7所以摆动时的附加阻力很小5
图4小型实验机器鱼的结构图
54>?;
整个柔性身体由内部的钢制骨架和舵机连接而成7圆形骨板定义了外表的形状7矩形的空间骨架为传递力和提供鱼皮的支撑提供了足够的刚度5前4
个舵机与下一节由单臂悬臂梁结构连接7这种结构使舵机轴同时承担连接和提供扭矩的作用7对舵机的运行有影响7但这种结构连接安装非常简单7而且由于在水中7鱼体的重力和浮力基本相等7垂直鱼体纵轴的力很小7不会造成转轴的偏压7影响舵机内齿轮的运动7另外比使用轴承方式有更大的空间5最后的两节舵机由于空间已经变小7所以换用较小的舵机7而且最后一节的舵机位置前置7采用了连接与提供扭矩装置相分离的结构7主要是为了提供足够的运动空间5同时由于最后两节舵机需要较大的扭矩7采用了钢齿轮电机5
在鱼身前腔的后部和柔性身体的前部7加装了配重5通过安装配重7鱼体可以完全沉入水中7并且保持足够的平衡5配重由两部分组成7上部的长圆筒用于将配重安装在鱼体中前部7中部的阻尼板用于提供足够的防摆阻尼7下部的配重棒可以提供足够的重力7配重棒的位置可调7重量也可以通过在棒上增加或者减少配重块予以调节5
尾鳍选用大展弦比的尾鳍5展长P弦长8Q毫米7
图N是联接尾鳍的6关节鱼体的照片546毫米5
R鱼体运动控制算法
30&U$0).)-)+&)(
鱼体运动按照摆幅逐渐放大的正弦行波规律7鱼体波形如图6所示5
在这里我们提出了相对波长V的概念7即鱼体摆动部分的波长与一个完整正弦波波长的比值5当相对波长V为W即鱼体摆动部分复现的形状XP时7是一个W相对波长V是鱼体运动的一个重要XP波5参数7当V很小时7摆动鱼体可以近似的看成是一个刚性直棒在摆动7几乎不产生推力5当V在某个参数范围内时7鱼体的摆动非常协调5波幅递增系数Y是一个表征振幅随身体纵向放大速度的系数5Y越大7沿鱼体纵向放大的就越快5运动频率Z描述了运动中鱼体摆动的速度7即单位时间内鱼体来回摆动的次数5当相对波长V和波幅递增系数Y确定后7某一时刻正弦波的形状随即确定5这样我们可以算出鱼
图N柔性鱼体的照片
5NO万方数据;
第UW卷第g期梁建宏等R水下仿生机器鱼的研究进展hi
小型实验机器鱼的研制h
Ug[
体每一节相对前一节需要的转角!并且通过计算机和遥控器发射给舵机接收机!从而控制舵机运动!复
现真实鱼体的运动
图#鱼体波形图
约XS最大转弯角速度RUTYV4
大约US遥控距离RTT2S摄像传输距离RZ#T2
图8鱼体仿真控制软件
图[外场实验环境和实验系统
.]3.1%2.(-,+474-.2
摆动频率的改变可以通过仿真控制软件来控制舵机脉冲的宽度实现
=小型实验机器鱼的实验研究>?@A@BCDEFG
PHE@AIBJJJ@KL@CFI@GHBJCMNMHOFAE
=
我们在某游泳馆进行了外场实验!估算了游动的速度和游动的机动性能
轴线以上#S鱼体吃水深度RT22S鱼体最大速度UT;2V4万方数据RS最小转弯半径RWT;2
鱼体运动和机动性都比较好
=
快速启动的鱼类具有优良的机动性
[f
动学的研究e指出快速鱼类的最大加速度超过!
U
鱼的身体以‘形或9形转弯后再于恰当的X#T2V4
时间释放!从而以很小的能量完成转向!同时其前进
速度几乎没有损失
+&%
机器人
+((+年’
月
实现!形运动的方法是将机器鱼的向前运动与转向运动结合进来
机器鱼有着出色的机动性
半径大约是体长的&倍左右
半径仅为体长的’而且转弯速度非常快
性能进行了测试
好的游动性能和出色的机动性#在进一步的研究工作中
参考文献
*
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+2
#XY:=.NN5:=445091Y4T3:90.Q68[9
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#268^56;NZ.069:9
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图%正在快速转弯的实验机器鱼#%2/0134567680.3095:;0
68=34f09=3R9=459:=069:Zs88.654:9
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>结论?H@ABCDEFGAB
本文介绍了我们最近研制的一条小型实验机器鱼#该机器鱼具有刚性头部柔性身体和月牙形尾鳍
作者简介a
梁建宏?男
类运动仿生#
上接第+?+k页H
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吴德昌等编译人体机能解剖学科学出版社##
生物医学材料学#天津科技翻译出版公司
*_%b年实用肛直肠外科治疗学#宁夏人民出版社
作者简介a
迟冬祥?男
智能微系统#种机器人
万方数据
第$&卷第*期$##$年+月
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水下仿生机器鱼的研究进展,-小型实验机器鱼的研制,
梁建宏
王田苗
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北京航空航天大学机器人研究所(
摘
要!本文介绍了自行研制的一条小型实验机器鱼0该机器鱼作为研究仿生机器鱼的流体力学性能的实验
平台1具有刚性头部2采用无线遥控0机器鱼体长/水中最大速度为$+关节的柔性身体和月牙形尾鳍13##441546最大转弯角速度为
好的游动性能和较高的机动性能0
关键词!仿生推进:流体力学:机器鱼:9形运动中图分类号!;$&
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金枪鱼和海豚等水生动物高超的游泳能力是目模仿前任何采用螺旋桨推进的船舶所不能比拟的0鱼类推进方式1鱼类仿生学家可能会为水下自动航行器设计出一种更好的动力装置0这种小型的无人驾驶航行器可用于复杂海洋环境下的海洋观测2军水下作业和水下救生等0事监视2
近年来仿生学2机器人学2流体力学2新型材料和驱动装置的进步促进了仿生机器鱼技术的发展0
陶瓷驱动的微型仿胸鳍模式的浮游机器人和89S
驱动的身体波动式水下推进器:0
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鱼一样游动0
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日本东京工业大学研制了0
一条自主驱动具有两个关节自推进的机器海豚1长
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中心大学正在研制一种微电子机器鱼19^=,-动系统完全由形状记忆合金构成1能真正实现无噪声驱动0
我们于
中国科学院机器人学开放研究实验室基金资助项目:国防基础科研项目(项目编号!.基金项目!
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万方数据
第B?卷第W期梁建宏等X水下仿生机器鱼的研究进展YZ
小型实验机器鱼的研制Y
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系统研究!建立一套完整的机器鱼水动力学定性观察
线通讯方式#控制系统由C控制器和无线收发%机
模块三部分组成!控制器通过无线收发模块接收装在鱼体半圆球形头部内的摄像头的视频信号!同时向控制信号接收机发送控制命令!从而直接控制鱼体的运动#与控制器之间采C%机作为上位机系统!用串行通讯!通过人机交互接口实时显示接收到的视频图像!同时可以修改控制器发出的控制参数!间接控制鱼体的运动#
&小型实验机器鱼的总体构成’()*)+,-./+01/0+)23/4))56)+78)*/,-.9./)8:
小型实验机器鱼是一条具有刚性头部!柔性身体和刚性尾鳍的摆动推进器#总长度约;总高>!
度为$总重量为?鱼体头部是一个半圆$=>!@球!前部为圆柱形!尾部由直径渐变的圆柱面贴合而成!以形成整体流线型的外部形状!在尾部带有一个尾鳍!作为提供推进力的主要执行机构#鱼体的全部横断面都是圆形!最大横断面是一个直径AA=>>的圆面#鱼体外形如图A所示#小型实验机器鱼的总体结构如图B所示#整个系统由机器鱼本体和控制系统两部分组成!采用无
图A小型机器鱼的外形图#AFDE@>GHHIJKILE>IMNGHLOPOQERS
图B小型实验机器鱼的总体结构框图
#BTDE@IMILGHRNLUVNULIRVSI>GNEVOQNSIR>GHHIJKILE>IMNGHLOPOQERS
机器鱼本体部分由半圆球形头部
前腔是一个较长的铝制刚性圆筒!它的下表面开孔!用于安装声纳!可以进行多机器鱼的通讯#内部空间中除了安装视频发射模块以外!另外存放的是整个鱼体的电源#此外还有一个舵机及其接收装置用于控制胸鳍的俯仰!从而控制鱼体的上升和下潜#
万方数据
地上的接收机中!实时的提供鱼体周围的信息#鱼身
P4Q
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P88P年6
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!鱼体结构设计
3%+12.+21$
小型实验机器鱼的机械结构如图4所示5柔性身体部分共有6个关节7每一个关节相对于临近的部分立的5每一个关节由一个伺服舵机控制7可以实现本段和前段的相对转角位移5柔性身体的外形由
套在钢环上的黑色橡胶外皮构成7每隔一定的距离由一个骨板支撑7附着在鱼体上5这样鱼体外皮呈现的是一个波纹管的形状5鱼皮厚约8在摆动59::7
时波纹管状结构可以自然的张开7所以摆动时的附加阻力很小5
图4小型实验机器鱼的结构图
54>?;
整个柔性身体由内部的钢制骨架和舵机连接而成7圆形骨板定义了外表的形状7矩形的空间骨架为传递力和提供鱼皮的支撑提供了足够的刚度5前4
个舵机与下一节由单臂悬臂梁结构连接7这种结构使舵机轴同时承担连接和提供扭矩的作用7对舵机的运行有影响7但这种结构连接安装非常简单7而且由于在水中7鱼体的重力和浮力基本相等7垂直鱼体纵轴的力很小7不会造成转轴的偏压7影响舵机内齿轮的运动7另外比使用轴承方式有更大的空间5最后的两节舵机由于空间已经变小7所以换用较小的舵机7而且最后一节的舵机位置前置7采用了连接与提供扭矩装置相分离的结构7主要是为了提供足够的运动空间5同时由于最后两节舵机需要较大的扭矩7采用了钢齿轮电机5
在鱼身前腔的后部和柔性身体的前部7加装了配重5通过安装配重7鱼体可以完全沉入水中7并且保持足够的平衡5配重由两部分组成7上部的长圆筒用于将配重安装在鱼体中前部7中部的阻尼板用于提供足够的防摆阻尼7下部的配重棒可以提供足够的重力7配重棒的位置可调7重量也可以通过在棒上增加或者减少配重块予以调节5
尾鳍选用大展弦比的尾鳍5展长P弦长8Q毫米7
图N是联接尾鳍的6关节鱼体的照片546毫米5
R鱼体运动控制算法
30&U$0).)-)+&)(
鱼体运动按照摆幅逐渐放大的正弦行波规律7鱼体波形如图6所示5
在这里我们提出了相对波长V的概念7即鱼体摆动部分的波长与一个完整正弦波波长的比值5当相对波长V为W即鱼体摆动部分复现的形状XP时7是一个W相对波长V是鱼体运动的一个重要XP波5参数7当V很小时7摆动鱼体可以近似的看成是一个刚性直棒在摆动7几乎不产生推力5当V在某个参数范围内时7鱼体的摆动非常协调5波幅递增系数Y是一个表征振幅随身体纵向放大速度的系数5Y越大7沿鱼体纵向放大的就越快5运动频率Z描述了运动中鱼体摆动的速度7即单位时间内鱼体来回摆动的次数5当相对波长V和波幅递增系数Y确定后7某一时刻正弦波的形状随即确定5这样我们可以算出鱼
图N柔性鱼体的照片
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第UW卷第g期梁建宏等R水下仿生机器鱼的研究进展hi
小型实验机器鱼的研制h
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体每一节相对前一节需要的转角!并且通过计算机和遥控器发射给舵机接收机!从而控制舵机运动!复
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图#鱼体波形图
约XS最大转弯角速度RUTYV4
大约US遥控距离RTT2S摄像传输距离RZ#T2
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图[外场实验环境和实验系统
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摆动频率的改变可以通过仿真控制软件来控制舵机脉冲的宽度实现
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PHE@AIBJJJ@KL@CFI@GHBJCMNMHOFAE
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我们在某游泳馆进行了外场实验!估算了游动的速度和游动的机动性能
轴线以上#S鱼体吃水深度RT22S鱼体最大速度UT;2V4万方数据RS最小转弯半径RWT;2
鱼体运动和机动性都比较好
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快速启动的鱼类具有优良的机动性
[f
动学的研究e指出快速鱼类的最大加速度超过!
U
鱼的身体以‘形或9形转弯后再于恰当的X#T2V4
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机器人
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实现!形运动的方法是将机器鱼的向前运动与转向运动结合进来
机器鱼有着出色的机动性
半径大约是体长的&倍左右
半径仅为体长的’而且转弯速度非常快
性能进行了测试
好的游动性能和出色的机动性#在进一步的研究工作中
参考文献
*
?HJKLKMKBCKF
+2
#XY:=.NN5:=445091Y4T3:90.Q68[9
&2
#268^56;NZ.069:9
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图%正在快速转弯的实验机器鱼#%2/0134567680.3095:;0
68=34f09=3R9=459:=069:Zs88.654:9
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本文介绍了我们最近研制的一条小型实验机器鱼#该机器鱼具有刚性头部柔性身体和月牙形尾鳍
作者简介a
梁建宏?男
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吴德昌等编译人体机能解剖学科学出版社##
生物医学材料学#天津科技翻译出版公司
*_%b年实用肛直肠外科治疗学#宁夏人民出版社
作者简介a
迟冬祥?男
智能微系统#种机器人
万方数据