[发明专利]双体机器鱼

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是一种机器人，特别涉及一种无艏摇运动的仿生鱼机器人。

(二)背景技术

人类有关鱼类游动机理的现代研究最早是从二十世纪三十年代开始的。但从公开的文献表明，有关这方面的研究取得迅速进展是在过去的十五年，有关仿鱼推进机理的大量研究则开始于九十年代中、后期。Lighthill首先对水中动物的游动方式进行了分类和力学分析。根据鱼类推进运动的特征，水下推进器可划分为两种基本模式：一类是曲伸式(anguilliform)，如八目鳗等；另一类是摆尾式(carangiform)，如海豚和金枪鱼等。曲伸式(anguilliform)特点就是整个身体(或几乎整个身体)都参与了大振幅的波动，由于在整个身体长度上至少提供了一个完整的波长，所以使横向力相抵消，使横向的运动趋势减低到最小，很多采用曲伸式游动的鱼类通过改变波的方向能实现与向前运动一样的向后运动。曲伸式的推进效率主要与波的传播速度有关，波的传播速度越大，推进效率就越高，与摆尾式相比而言，身体波动式推进效率较低，主要适用于狭缝中的穿行。摆尾式(czrangiform)游动的特点是躯体前部几乎不动，仅仅摆动躯体的尾部和一个大展弦比的尾鳍来获得推力和机动控制力。海洋中游动速度最快的鱼类都采用摆尾式，在运动过程中尾鳍摆动，而身体仅有小的摆动或波动，甚至保持很大的刚性。其推进效率主要与下列参数有关：1)尾鳍的展弦比；2)尾鳍的后掠角和前端的曲率；3)尾鳍的刚度；4)尾鳍的形状；5)尾鳍的摆动规律。尾鳍摆动式推进具有很高的效率，适于长时间、长距离的游动，另外，还有一些鱼类通过这种游动方式的阻力很小、效率很高，特别适用于AUV和UUV的推进和机动控制。

日本东海大学N.Kat等人研究了黑妒鱼的胸鳍运动原理，初步分析了胸鳍动作状态与游动姿态的关系。N.Kat。从水下运动装置的机动性能出发主要分析了在水平面以及垂直面上的盘旋以及转向运动与鱼的胸鳍摆动之间的关系，并研制了试验样机，该样机可以用PC机来控制以实现类似于鱼类的运动。日本东芝公司的研究人员研制了无线控制的能象真鱼一样游动的仿鱼机器人，该仿鱼机器人长约60cm，重约6磅，该仿鱼机器人通过一台台式计算机控制它的一个尾鳍、两个胸鳍的运动，由于没有必要完全精确的复制海洋鱼类的驱动方式，所以采用弹性振动鳍制作了试验样机。日本东京工业大学研制了一艘1.75米海豚型潜器的自航试验模型，其尾部共有两个节点，第一个节点由发动机驱动，第二个节点以弹簧联结。日本国家海洋研究院(NMRI)也研制了UPF-2001等仿鱼机器人。

在国内，北航机器人研究所、哈尔滨工程大学、中国科学院自动化所、哈尔滨工业大学、中国科技大学、沈阳自动化研究所等单位开展了鱼类游动机理及水下机器人仿鱼推进理论研究工作。

机器鱼游动过程中，由尾鳍拍动产生侧向力导致的机器鱼的艏摇能够影响航行器的推进效率。这种不利影响表现在两个方面：首先，没有柔性机制的鱼体在艏摇的情况下增大了迎角，从而产生很大的阻力；其次，目前尾鳍的运动规律是以鱼体为参照系计算得到，并没有考虑鱼体晃动对于尾鳍运动状态的影响。Triantafylloul总结大量前人工作后指出，尾鳍高效推进游动有三个条件，其中之一就是尾鳍的攻角应在一定角度范围之内。而艏摇的存在，会使尾鳍攻角脱离设定的最佳范围，从而降低推进效率。目前国内外对机器鱼已经开展了大量的研究。理论工作方面，吴耀祖提出了非定常二维波动板理论，童秉纲、庄礼贤和程建宇建立了一种半解析、半数值的三维波动板理论，给出了定量的三维非定常理论描述；在模型试验方面，Cheng等研究了有限展弦比机翼的运动。但是，上述工作在艏摇对机器鱼稳定性影响方面做的针对性的研究很少，暂时还没有这方面比较成熟的研究结果，在解决机器鱼游动中艏摇的问题上也没有很好的解决方案。