仿生机器鱼玩具的机构设计_仿真与实现

仿生鱼机器人设计说明书

仿生鱼机器人设计说明书

目录 第一章绪论 (3) 1.1目的及意义 (4) 1.2研究现状 (4) 1.3本文的主要工作 (4) 第二章概述 (5) 2.1 整体构思 (5) 2.2 仿生依据 (5) 第三章机械结构设计 (7) 3.1机械设计思路及建模 (7) 3.2创新点 (8) 3.3 零件明细 (9) 第四章仿真分析 (10) 第五章电路设计 (12) 第六章控制系统 (13) 第七章总结 (17) 7.1优势及创新点 (17) 7.2主要关键技术 (17) 7.3 应用前景与趋势 (18) 7.4 不足与改进 (18)

仿生鱼机器人设计说明书 第一章绪论 1.1目的及意义 21世纪是海洋的世纪，占全球71%面积的海洋将是下一个世纪，也是未来人类赖以生存的资源海洋，对于人类的发展和社会的进步将起到至关重要的作用。在民用上，海洋蕴藏着丰富的矿物资源、海洋生物资源和能源，是人类社会可持续发展的重要财富。因此，对于海洋的开发和争夺成了很多发达国家的战略重点，而且愈演愈烈。在各种海洋技术中，作为用在一般潜水技术不可能到达的深度或区域进行综合考察和研究并能完成多种作业使命的水下机器人使海洋开发进入了新时代。随之“蓝色经济”越来越成为各沿海地区经济发展的“正能量”，大规模的开发探测和利于海洋资源，已经成为我们21 世纪要面对和必须解决的现实问题。另外，军事方面对其需求也日益增加，为了适应这种需求，研究和开发潜水器和水下机器人成为了极佳的选择。鱼类经过长期的自然选择，具备非凡的游动能力，近年来随着仿生技术的进步，人类纷纷模仿自然界中鱼类的运动方式和运动器官，即各种各样的水下机器人。世界上第一台水下机器人“Poodle”诞生于1953 年。近20 年来，水下机器人有了很大的发展，它们既可军用又可民用。到目前为止，全世界大约共建造了6000 多台各种各样的水下机器。水下机器人有广泛的应用空间，民用和军用均可，不仅可以代替潜水员在深水长时间工作，降低工作风险，提高工作效率，而且还可以检测水污染状况，监测鱼类生长状况，探测海底火山活动状况;在军事方面，可以用于跟踪敌人的船舰和潜艇，捕获地方军事信息，也可以降低敌人对我军的探测几率，甚至可以携带炸药至敌人军舰处，炸毁敌方舰艇的动力系统，摧毁敌方舰队。此外，仿鱼形水下机器人还可以应用于海洋动物园。仿鱼形水下机器人是一种集机械、智能控制与一体的高科技设备，在民用、军事、科学研究等领域体现出了广阔的应用前景和巨大的潜在价值。

仿生机器鱼的研究与开发(1)

自动化理论、技术与应用 ２．３仿生机器鱼的研制 图１ＤＲＡＰＥＲ实验室的ＶＣＵＵＶ 第一条仿生机器鱼是ＭＩＴ海洋工程系的Ｔｒｉａｎｔａｆｙｌｌｏｕ研究组研制的ＲｏｂｏＴｕｎａ：Ｃｈａｒｌｉｅ．Ｉ，该机器鱼是一条长约１．２米，由２８４３个零件组成的机器金枪鱼，由６个驱动电机驱动，能够像真鱼一样游动【３０１。１９９８年，ＤＲＡＰＥＲ实验室基于ＲｏｂｏＴｕｎａ完成了ＶＣＵＩⅣ。 美国东北大学海洋科学中心利用形状记忆合金（ＳＭＡ）和链杆机构开发了波动推进的机器鳗鱼。美国新墨西哥大学ＭｅｔｈｒａｎＭｏｊａｒｒａｄ研究小组将高分子电解质离子交换膜（ＩＥＭ）镀在金属薄片上，通过外加电场实现人工合成肌肉的运动，产生鳗鱼的游动方式。日本名古屋大学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和压电陶瓷驱动的双鳍鱼型微机器人。日本运输省船舶技术研究所（ＮＭｍ）研制的一系列机器鱼中的ＵＰＦ－２００１，旨在研究机器鱼的高性能和多用途。日本东海大学Ｋａｔｏ实验室为了研究人工胸鳍机动性和推进性能而研制的测试平台：人工胸鳍黑鲈鱼。三菱重Ｉ（ＭＨＩ）开始生产面向市场的机器腔棘鱼和用于观赏的金色鲤鱼外形机器鱼。 图２三菱公司的机器腔棘鱼 中国科学院自动化研究所与北京航空航天大学机器人研究所联合开展了“多微小型仿生机器鱼群体协作与控制的研究”，研制了多种类型的仿生机器鱼。北京航空航天大学机器人研究所成功使用仿生机器鱼ＳＰＣ．ＩＩ对福建东山县郑成功战舰遗址５０００平方米的海域进行水下探测口¨。 图３ＳＰＣ—ＩＩ仿生机器鱼 ３ＣＡＳＩＡ仿生机器鱼研制进展

仿生机器鱼的研究与开发 中科院自动化所在仿生机器鱼方面开展了仿鱼水下运动控制理论、多机器鱼协调控制、自主避障控制、上浮下潜控制、视觉导航控制等多方面开展工作。 ３．１仿生机器鱼运动控制与协调方法 针对公式（１）所示的鳇科鱼类推进模型进行了仿生机器鱼的控制算法设计。 ｙ幻咖（ｘ，ｆ）警￡（ｃ１戈＋ｃ２碧镎如【意域ｌｚ＋ｃ谢）】（１） 。Ｌ 通过将上式在一个运动周期内进行离散化，然后根据不同时刻给出相应的步态控制值。按照由此形成的一组步态控制量完成机器鱼一个周期的运动。不断重复这一过程就形成类鱼的波动运动过程。这一过程只是对鱼类运动时形态变化的模拟，但是没有对相应的复杂的水下动力学进行考虑。 由于对水动力学影响的估计比较困难，在鱼类游动机理基础上，需要通过反馈来实现机器鱼的点到点控制。因此，建立全局视觉系统来完成机器鱼的定位，并基于图像给出的定位信息实现机器鱼的位置控制。在考虑到水中运动畦水动力学影响的不确定性时，机器鱼到距离目标点还有一小段距离时就停止运动，并利用水动力学的作用缓慢运动到目标点。 对于真实鱼类而言，其身上所具有的感知器官使其能够自由地在水中游动，躲避各种障碍。机器鱼如果要如真鱼般灵活地躲避各种障碍就必须装备必要的传感设备。为亍实现机器鱼反应式的自主游动，在机器鱼上装备了红外传感器，并由多个红外传感器组成的网络来辅助机器鱼实时获取水下的障碍信息，并采取相应的避障策略。在避障控制中，采用基于规则的控制系统来实现。针对当前的速度、方向和传感器输入，根据规则确定下一步运动的速度和转向，进而实现水下的自由运动和自主避障。 在实际工作中，视觉对于水下观测、检测是至关重要的，所以在机器鱼上装备视觉传感器是有极大的实际意义的。基于视觉传感器获取的水下图像，开展了基于视觉的导航控制研究。在黑暗的管道环境中，通过在不同的拐角设立不同的色标作为路标，机器鱼通过视觉传感器获得这些信息，并进行快速处理这些路标，一方面可以构建环境的拓扑地躅，另一方面能够很好地完成导航任务。 对于仿生机器鱼研究的另一部分是进行多仿生机器鱼协调控制的研究。基于全局视觉系统，可以很好地实现基于位置的多仿生机器鱼协调控制。为了完成不同的协调任务，设计了基于角色的协调控制方法和基于领航员的协调控制方法。在基于角色的方法中，机器鱼在不同的角色中进行切换，不同的角色对应着完成不同任务的能力，不同机器鱼按各自获取的环境信息决定自身的角色，从而实现协调控制。在基于领航员的方法中。多条机器鱼均具有一个行为集合，领航员机器鱼选择从自己的行为集合中选择适当的行为并发送协作信息给其他机器鱼，其他机器鱼根据自身获取的信息和领航员机器鱼下达的协作信息从自身的行为集合中选取适当的行为来执行以实现协作。 ３．２仿生机器鱼系统 图４多仿生机器鱼协调控制系统－ａ 在图４中，给出了一个多仿生机器鱼系统，其中ｌ是控制主机，２是控制命令发送装置，３是支撑架，４是摄像机，５是鱼池，６’为日标，７是机器鱼本体。ｔ摄像头采集水中机器鱼的图像用于机器鱼的定位，

仿生机器人的应用及发展

仿生机器人的应用及发展 1、仿生机器人发展概述 首先，模仿某些昆虫而制造出来的机器人并非简单。比如，国外有的科学家观察发现，蚂蚁的大脑很小，视力极差，但它的导航能力高超：当蚂蚁发现食物源后回去召唤同伴时，是把这一食物的映像始终存储在它的大脑里，并利用大脑里的映像与眼前真实的景像相匹配的方法，循原路返回。科学家认为，模仿蚂蚁这一功能，可使机器人在陌生的环境中具有高超的探路能力。 其次，不论何时，对仿生机械（器）的研究，都是多方面的，也就是既要发展模仿人的机器人，又要发展模仿其他生物的机械（器）。机器人未问世之前，人们除研究制造自动偶人外，对机械动物非常感兴趣，如传说诸葛亮制造木牛流马，现代计算机先驱巴贝吉设计的鸡与羊玩具，法国著名工程师鲍堪松制造的凫水的铁鸭子等，都非常有名。 在机器人向智能机器人发展的时程中，就有人提出“反对机器人必须先会思考才能做事”的观点，并认为，用许多简单的机器人也可以完成复杂的任务。20世纪90年代初，美国麻省理工学院的教授布鲁克斯在学生的帮助下，制造出一批蚊型机器人，取名昆虫机器人，这些小东西的习惯和蟑螂十分相近。它们不会思考，只能按照人编制的程序动作。 几年前，科技工作者为圣地亚哥市动物园制造电子机器鸟，它能模仿母兀鹰，准时给小兀鹰喂食；日本和俄罗斯制造了一种电子机器蟹，能进行深海控测，采集岩样，捕捉海底生物，进行海下电焊等作业。美国研制出一条名叫查理的机器金枪鱼，长1.32米，由2843个零件组成。通过摆动躯体和尾巴，能像真的鱼一样游动，速度为7.2千米/小时。可以利用它在海下连续工作数个月，由它测绘海洋地图和检测水下污染，也可以用它来拍摄生物，因为它模仿金枪鱼惟妙惟肖。有的科学家正在设计金枪鱼潜艇，其实就是金枪鱼机器人，行驶速度可达20节，是名副其实的水下游动机器。它的灵活性远远高于现有的潜艇，几乎可以达到水下任何区域，由人遥控，它可轻而易举地进入海底深处的海沟和洞穴，悄悄地溜进敌方的港口，进行侦察而不被发觉。作为军用侦察和科学探索工具，其发展和应用的前景十分广阔。 同样，研究制造昆虫机器人，其前景也是非常美好的。例如，有人研制一种有弹性腿的机器昆虫，大小只有一张信用卡的1/3左右，可以像蟋蟀一样轻松地跳过障碍，一小时几乎可前进37米。这种机器昆虫最特殊的地方是突破了“牵动关节必须加发动机”的观念。发明家用的新方法是：由铅、锆、钛等金属条构成一个双压电晶片调节器。当充电时，调节器弯曲，充完电了它又弹回原状，反复充电，它就成了振动条。在振动条上装有昆虫肢体，振动条振动就成了机器昆虫

仿生鱼科技整理

“仿生鱼”科技技术 1.概念 仿生机器鱼是一种按照鱼类游动的推进机理，利用机械、电子元器件或智能材料来实现水下推进的装置。仿生机器鱼 可以进行长时间、大范围、工况较 复杂的水下作业，可以用于机动性 能要求较高的场合，进行海洋生物 考察、海底勘探和海洋救生等等许 多场合。最近几年来，国内外许多 研究机构和高等院校对仿生机器鱼 （图片来源于维基百科） 行了大量的研究，并且在各个领域中得到了实际运用。英国埃塞克斯大学的研究人员向泰晤士河投放专门设计的仿生机器鱼，用于探测水中的污染物，并绘制河水的3D污染图。日本三菱重工也已经将研究的仿生机器鱼玩具批量生产。中国北京航空航天大学和中国科学院研制的SPC-II仿生机器鱼也成功地用于水下考古探测。 2. 原理 仿生机器鱼主要是模仿机器鱼的外形和运动规律，尽心环境数据收集。其模仿鱼类外形和运动规律的目的是为了实现鱼类高效的游动效率和良好的机动性。所以在仿生方面尤其注意鱼体和鱼鳍的模仿和控制。鱼主要有背鳍、胸鳍、腹鳍、臀鳍和尾鳍。 胸鳍：它的基本功能为运动、平衡和掌握运动方向。 腹鳍：主要协助背鳍、臀鳍维持鱼体的平衡，并有辅助鱼体升降和拐弯功能。 尾鳍：有平衡、推进和转向的作用，尾的扭曲和伸直使鱼体产生前进运动。 鱼类的运动方式主要为波浪式运动，或称游泳。借助于连续的肌节收缩与舒张，从头部开始的收缩在身体两侧交替进行，形成波浪式的传递，使收缩波传向尾部，身体则向收缩的一侧弯曲使成S型。收缩在尾部结束，尾部将收缩的力传给水，这个力被水以同等大小、但方向相反的反作用力作用于尾部。这个力向前的分力是鱼体向前运动的主要推进力。

目前各个研究单位研究的仿生机器鱼的结构不尽相同，但是都主要通过模仿和控制鱼鳍的运动来达到运动目的。典型仿生机器鱼的结构如下图所示，主要有视频模块、导航模块、 （图片来源于维基百科） 任务调度模块、运动控制模块、通讯模块、电源模块和尾鳍模块。 仿生机器鱼的推进方式主要有两种：摆动式和波动式。波动式是指在游动过程中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，身体波动式推进效率较低，但机动性较好。而尾鳍摆动式具有很高的推进效率，适于长时间、长距离巡游，不足之处是机动性较差。 目前大多数的仿生机器鱼都采用了摆动推进方式。使用伺服电动机经过换向齿轮组换向，带动摆杆摆动，摆杆末端的销轴推动一端固定于机器鱼骨架上另一端自由的弹性薄板往复摆动。通过控制系统控制弹性薄板的摆动方式的不同，控制机器鱼的游动方式不同。摆杆左右对称的摆动，机器鱼前进，改变摆幅和频率可以控制机器鱼前进的速度；摆杆偏在半边

仿生机器鱼高效与高机动控制的理论与方法

1、仿生机器鱼高效与高机动控制的理论与方法 来源：中国科技网 2014年03月28日16:13 由中国科学院自动化研究所完成 该成果属于机器人学、信息科学与仿生学的交叉领域。成果系统深入研究了鱼类高效、高机动运动所蕴含的科学问题和关键技术，提出了仿生机器鱼的智能控制理论和方法，为兼具效率和机动性的水下航行器开发与应用提供了理论基础。其主要发现点包括：1．首次提出了描述鱼体周期性形变运动的“基波”概念，建立了仿生机器鱼高效运动的鱼体波模型，提出了多关节仿生机器鱼稳定三维游动的控制方法，并利用研制完成的仿生机器鱼验证了鱼类高效推进机理。 2．率先提出基于C曲线的动态轨迹法来实现仿生机器鱼的高机动转弯运动，构建了仿生机器鱼三维空间复杂机动运动的智能控制方法体系框架，在国际上首次实现了机器海豚的滚翻和跃水等高机动运动。 3．创新性地提出了仿生机器鱼的多连杆机构优化指标设计方法，推导了仿生机器鱼稳态游动下的受力描述，提出了基于时滞神经网络模型的机构优化方法并证明了该方法的全局指数稳定条件，通过机构优化提升了仿生机器鱼的游动性能。 4．系统地构建了多仿生机器鱼系统基于局部信息感知和有限通讯的协作框架和协调机制，提出了分布式鲁棒自适应神经网络控制方法，证明了有限通讯条件下系统达到一致状态的充要条件，实现了多仿生机器鱼系统协作完成编队、搬运、监控等作业。 该成果发表SCI论文114篇，SCI他引552次，撰写图书3部，获授权发明专利18项，获中国科学院优秀博士论文1次、北京市优秀博士论文1次。 该成果通过多个学科诸如仿生学、机器人学、信息科学等的交互、融合，使鱼类基础理论研究与仿生机器鱼系统研究之间形成相互依托、创新发展的路径，不仅对于鱼类运动学、动力学、感知机制等的研究具有重要的科学意义，而且对于仿生机器鱼的高效、高机动、环境适应等设计具有重要的参考和应用价值。

仿生机械鱼研究新进展

“如果看到一只游动的鱼，你会想到什么？”如果有人问起这个问题，按照笔者的思维，准是会回答：“清蒸的的话会是非常的鲜美，红烧的的话口感应该会更加香。”而带着同样的问题，笔者走进仿生机器鱼课题组，组员们给出的答案却超出了日常生活，他们的回答是：“看见尾鳍的一摆一动，勾起我们的是如何能进一步改进控制算法，在仿生鱼身上更完美地实现鱼类的波动推进方式。” “用智能算法来理解鱼之乐” 按预约的时间，笔者来到了仿生鱼课题组所在的办公室——自动化大厦9层906室。课题组成员王硕研究员热情地将我们请到了十三层咖啡厅，点上一壶茶水，在茶叶的沉落之间，为我们一一讲述关于仿生机器鱼的话题。 仿生机器鱼的研究工作由复杂系统控制与管理国家重点实验室的谭民研究员组织和指导，多名研究员、副研究员和在读博士生、硕士生共同合作开展。 一边品茶，王硕一边回忆起课题组的情况。顺着时间的脉络，他将课题组的情况进行了简要的回顾。 王硕告诉笔者：“仿生鱼作为课题组的研究内容，已经长达十余年之久。最早是在2001年，谭民老师和北京航空航天大学王田苗教

授交流时，谈到是否可以将研究所智能控制算法应用于工业设计中。受其启发，课题组开始了仿生鱼的研究。”2001年算是探索起步阶段，这一时期主要是对鱼类的跟踪模仿。 到2003年前后，课题组的研究进入到一个新的阶段：三维仿生运动阶段。为了提高任务的环境适应性，需要机器鱼具有水中的三维运动能力，也就是需要机器鱼除了推进外还要能够上浮下潜，甚至维持某一深度。课题组在已有多关节仿生机器鱼的基础上，总结设计了一种新型机器鱼，基于改变胸鳍攻角法，完成仿生机器鱼的俯仰和浮潜运动，设计的机器鱼既可实现俯仰和浮潜，响应迅速，动态特性好。 到2004年，课题组提出一种基于重心改变法的仿生机器鱼俯仰姿态与深度控制方法,用于实现机器鱼水中的浮潜运动。据介绍，这种方法利用一种可调整位置的配重块结构，以改变机器鱼的重心位置，进而实现机器鱼俯仰姿态的调节。 2005年之后，课题组开始了仿生机器鱼转身、快速起动、运动中变速和转向、倒游、定深、制动等高机动控制研究。 经过十多年的坚持和攻坚，课题组在对鱼类深入观察的基础上，结合仿生学、机器人学、材料学、机械学和智能控制，深入探讨了鱼类游动的机制，形成了身体/尾鳍推进、胸鳍推进、子母式、长鳍、两栖、海豚式推进等多个系列，聚焦高机动、高游速两大指标，目前已实现利用多模式控制技术将多种性能集成到高性能机器鱼平台。课

浅谈仿生机器人的发展

《学科前沿》论文 浅谈仿生机器人的发展 机器人技术作为一门新兴学科，在工业飞速发展的今天扮演着非常重要的作用，而其发展与机械电子、机电一体化、控制原理等多学科的发展息息相关。仿生机器人作为机器人领域的一大分支，可以说是本世纪一个不可忽视的领域，也将是机器人日后发展的大方向。 仿生学是20世纪60年代出现的一门综合性边缘学科,它由生命科学与工程技术科学相互渗透、相互结合而成。它在精密雷达、水中

声纳、导弹制导等许多应用领域中都功不可没。仿生学将有关生物学原理应用到对工程系统的研究与设计中,尤其对当今日益发展的机器人科学起到了巨大的推动作用。当代机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业中走出来,向航空航天、星际探索、军事侦察攻击、水下地下管道、疾病检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展.未来的机器人将在人类不能或难以到达的已知或未知环境里为人类工作。人们要求机器人不仅适应原来结构化的、已知的环境,更要适应未来发展中的非结构化的、未知的环。除了传统的设计方法,人们也把目光对准了生物界,力求从丰富多彩的动植物身上获得灵感,将它们的运动机理和行为方式运用到对机器人运动机理和控制的研究中,这就是仿生学在机器人科学中的应用。这一应用已经成为机器人研究领域的热点之一,势必推动机器人研究的蓬勃展。 自然界生物的运动行为和某些机能已成为机器人学者进行机器 人设计、实现其灵活控制的思考源泉，导致各类仿生机器人不断涌现。仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人 系统。仿生机器人的类型很多,按其模仿特性分为仿人类肢体和仿非人生物两大类。由于仿生机器人所具有的灵巧动作对于人类的生产和科学研究活动有着极大的帮助,所以,自80年代中期以来,机器人科学家们就开始了有关仿生机器人的研究。仿人型步行机器人是目前机器人技术的前沿课题,是具有挑战性的技术难题之一。日本本田公司和大阪大学联合推出的P2和P9型仿人步行机器人代表了当今世界的最高水平。仿非人生物机器人的研究近二十年来一直是一个非常活跃的

机器鱼论文

仿生机器鱼国内外研究现状及分析 摘要：介绍了鱼类推进模式的分类及特点，分析了仿生机器鱼的特点。介绍了国内外仿生机器鱼研制的成果和现状，在此基础上分析了仿生机器鱼研究面临的几个主要问题。 关键词：机器鱼；推进模式；升潜模式；现状 引言 长期生活在水下的鱼类，经过多年的进化，形成了十分完备的游动性能和器官。水下推进器的设计目标希望具有效率高、速度快、灵活性好等优点，而鱼类游动恰好具有这些优点，从而在世界范围内兴起了仿生机器鱼研究的热潮。由于其具有的特点，从而在军事等各个方面都有广泛的发展前景。 1)要求作业时间长、范围大，但本身承载能力或承载空间有限、不能加载太多能源的场合； 2)要求机动性能高的场合，如管道检测，管道内部结构复杂，采用微小型机器鱼可较好地完成作业任务； 3)海洋生物观察．常规螺旋桨推进器噪声大，对环境的扰动大，使水下运动装置很难接近所要观察的海洋生物，采用微小型机器鱼有望解决这一问题； 4)海底勘探及海洋救捞等。采用仿生推进方式可以容易地进入环境复杂的海洋空间，如沉船内部，珊瑚礁群，完成常规潜器所不能完成的作业任务； 5)军用方面。由于机器鱼噪声低、对环境扰动小、不易被声纳发现、易于隐蔽，它不仅为人们研制新型高效、低噪声、机动灵活的柔性潜艇提供了新的思路，而且可直接进行水下侦察，发现敌方雷区，跟踪及摧毁敌方潜艇。 鉴于仿生机器鱼的诸多优点，国内外学者越来越重视新型仿生机器鱼的研究与开发，取得了很多阶段性的成果，设计了各种各样的机器鱼样机，机器鱼的理论和实验研究已渐显规模。 1、仿生机器鱼的分类及特点 1.1、鱼类推进模式分类 1）喷射式。乌贼、鱿鱼、水母等依靠身体躯干的特殊构造，它们由身体内部的特殊部位向后挤压水流产生后向推力，利用动量守恒定理向前推进。 2）鳗鲡模式。即鳗行式，如鳗鱼、水蛇等，如图1所示，它们的游动犹如正弦波形的前进一样，把身体当作推进器，用从头到尾波动身体来游动。 3）醪科模式。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模式高，在速度、加速度和可控性三者之间有最好的平衡。

仿生机器鱼的控制系统设计与实验研究

工学硕士学位论文 仿生机器鱼的控制系统设计与实验研究 戴 坡 哈尔滨工业大学 2006年6月

图书分类号：TJ610.2 U.D.C.: 681.14 工学硕士学位论文 仿生机器鱼的控制系统设计与实验研究 硕士研究生：戴 坡 导师：陈维山 教授 申 请 学 位：工学硕士 学科、专业：机械电子工程 所在单位：机电工程学院 答辩日期：2006年6月 授予学位单位：哈尔滨工业大学

Classified Index：TJ610.2 U.D.C.: 681.14 Dissertation for the Master Degree in Engineering CONTROL SYSTEM DESIGN AND EXPERIMENTAL STUDY ON FISH-LIKE ROBOT Candidate：Dai Po Supervisor：Prof. Chen Weishan Academic Degree Applied for：Master of Engineering Specialty：Mechatronics Engineering Affiliation：School of Mechatronics Engineering Date of Oral Examination：June, 2006 University：Harbin Institute of Technology

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 长期以来，仿生机器鱼一直是仿生科研领域的一个研究热点，其中一个研究分支是模仿金枪鱼等鯵科加新月形尾鳍推进模式的仿生机器鱼，其特点是能源利用率高，推进速度快，适于长时间、大范围的水下作业。仿生推进技术对海洋考察、救生以及军事领域具有很高的应用价值。本课题依托国家自然基金项目“仿鱼鳍水下推进器的理论与实验研究”在前人机器鱼研究的基础上，开展了对鯵科加新月形尾鳍的仿生机器鱼的系统总体研究。 通过对鯵科加新月形尾鳍推进模式鱼类的仿生学研究，设计了单电机驱动两关节联动的尾鳍推进仿生金枪鱼，以胸鳍作为升降舵实现机器鱼的上浮和下潜，还可实现惯性前进转弯和静止转弯。建立了参数化的两关节尾鳍推进模式的数学模型，并对推进过程进行了运动学和动力学分析。 针对仿生机器鱼的运动特点，设计了基于C8051单片机的机器鱼硬件控制系统，建立整个推进系统的硬件控制平台，并进行了基于C语言的下位机嵌入式控制软件的开发,完成了控制程序的编写和调试。 进行了遥控控制机器鱼实现加减速、转弯、升潜三维动作的水下试验。加减速试验论证了尾鳍摆动频率、尾鳍后缘最大摆幅以及尾鳍的最大击水角度对鱼体速度的影响；转弯试验测得了机器鱼惯性前进转弯和静止转弯时的转弯半径；在机器鱼的升潜试验中论证了胸鳍不同转角对升潜运动的影响。 关键词仿生机器鱼；PWM；运动学分析；C8051 - I -

仿生学在机械方向的应用

仿生学在机械方向的应用 仿生学，可以使用到很多的领域和行业。在机械设计上，它的实际效果和设计理念也是表现得很明显的，其作用在机械设计上将会极大的强化机械的实际操作性，对于机械的研发改革是有很大的指导意义的。 机械仿生设计的角度分为很多，如机械功能结构、机械运动性、机械材料、机械控制性能等。 机械功能结构的仿生设计，是整个设计过程的中心内容，只有这样的才可以将生物身上的功能性优势展现在机械身上去，这两者的结合是和不容易的。自然界的生物是历经种种修炼和磨合，使得可以很好的适应自然环境，在这样的过程中无论是自己的形态，还是其结构都发生了很大的变化，这就是适应自然的结果。我们就是要利用生物身上这样的优势结构，将其使用到我们的器械的设计理念里。 对于机械的运行性能的研究就要对仿生学的运动技能展开深入的研究，要想充分的了解动物的运动机制，我们就要从多方面的内容着手，无论是其形态组成，还是其功能实现都要进行仔细的研究，确保形成全面的研究体系。在运动性上，我们关注的对象是仿生机器人的设计。我们关注一些有着运动性的机械设计，比如杯状饮料机械的手的设计，使用的是双曲结构，可以保证收到灵活性，可以满足现实的种种需要。还有就是生物肌肉的反应几乎是跟我们的实际的肌肉的反应速度是一样的，这就是对于其运动性的充分利用。 在仿生种类中还有一种仿生，其应用的范围十分的广泛，无论是生物的组成，还是其结构流程，都可以很准确的把握，并且以此来开展材料的设计，这就是为了更好的使用机械。天然材料的结果组织，微型纤维的研究，有利于我们开展复合材料的设计，这样的话以高仿生材料来代替本身有着缺陷的材料，这对于机械来说可以极大的强化其使用的价值，将最好的仿生材料应用的这样的环境是很有利于我们的机械设计的。 现代机器系统很多的都是采用机电合一的，是为了保证对于机械的智能控制，这是未来机械的发展趋势也是现在的机械不断发展的动力源泉。为了实现对于机械的控制更加的人性化和智能化，就会对于生物的控制展开研究，这样的话就会不断的增加我们在机械控制能力上的尝试，比如智能机器人的有效控制，在于农业方面表现的更加的明显。日本和美国都在农业领域展开智能化操作，其操作的主体就是对于机械控制性能上的仿生原理的使用，其在与定位，在于导航方面都

仿生机器鱼研究进展及发展趋势_王扬威

第27卷第2期2011年4月机械设计与研究M a c h i n e D e s i g n a n dR e s e a r c h V o l .27N o .2 A p r .,2011 收稿日期:2010-05-10 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50775049);机器人技术与系 统国家重点实验室(哈尔滨工业大学)自主资助研究课题(S K L R S 200805C ) 文章编号:1006-2343(2011)02-022-04 仿生机器鱼研究进展及发展趋势 王扬威,王振龙,李　健 (哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨　150001,E -m a i l :w y w k l y @126.c o m ) 摘　要:随着海洋资源开发和利用的深入,仿生机器鱼已成为水下机器人研究的热点问题。文中介绍了仿生机器鱼的分类,分析了各类型的游动特点。对鱼类游动机理和仿生机器鱼的研究现状进行了综述,总结了仿生机器鱼研究的关键技术和未来发展趋势。 关键词:海洋资源;水下机器人;仿生机器鱼中图分类号:T P 242.3 文献标识码:A R e s e a r c hD e v e l o p m e n t a n dT e n d e n c y o f B i o m i m e t i c R o b o t F i s h W A N GY a n g -w e i ,W A N GZ h e n -l o n g ,L I J i a n (S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f R o b o t i c s a n d S y s t e m ,H a r b i nI n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ,H a r b i n 150001,C h i n a ) A b s t r a c t :B i o m i m e t i c r o b o t f i s h h a s b e c o m e a r e s e a r c h f o c u s i n u n d e r w a t e r r o b o t d o m a i n w i t h t h e e x p l o i t a t i o n a n d u t i l i z a t i o n o f o c e a n i c r e s o u r c e s .T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e c a t e g o r i e s o f b i o m i m e t i c r o b o t f i s ha n da n a l y s e s t h ec h a r a c -t e r i s t i c s o f t h e v a r i o u s s w i m m i n g t y p e s f i r s t l y .T h e n t h e r e s e a r c h s t a t u s i nq u o o f f i s hs w i m m i n g t h e o r y a n d b i o m i m e t i c r o b o t f i s h i s r e v i e w e d .A t l a s t t h e k e y t e c h n o l o g i e s a n d t h e d e v e l o p i n gt e n d e n c y o f b i o m i m e t i c r o b o t f i s h i s d i s c u s s e d . K e y w o r d s :o c e a n i c r e s o u r c e s ;u n d e r w a t e r r o b o t ;b i o m i m e t i c r o b o t f i s h 伴随着人类文明的发展,可开采和利用的陆地资源正日益减少和枯竭。海洋面积占地球面积的71%,海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源。21世纪是海洋的世纪,人类开发海洋和利用海洋的脚步,随着科技的发展逐渐加快。具有海洋勘测、海底探查、海洋救捞、海底管道检测、以及水下侦查和跟踪功能的水下机器人,已成为探索海洋、开发海洋和海洋防卫的重要工具。 采用传统螺旋桨推进器的水下机器人,在螺旋桨旋转推进过程中会产生侧向的涡流,增加能量消耗、降低推进效率,且有噪声。海洋生物中的鱼类,种类繁多、形态各异,经过亿万年的进化,使其具有了非凡的游动能力。鱼类通过身体运动推动周围的水,以此来获得推进力,对于涡流的精确控制使得鱼类游动推进效率高、机动性好。模仿鱼类的游动推进模式,研制出高效低噪、灵活机动的仿生机器鱼,用以进行水下复杂环境作业,已经成为研究人员追求的目标。 随着机电一体化技术、计算机技术、流体力学和仿生学等相关学科的发展,研究人员研制出了多种仿生机器鱼。现有的机器鱼已经可以模仿鱼类的多种运动模式。但是,现有的仿生机器鱼还难以满足实用性的要求。仿生机器鱼难以实现完全柔性的推进运动,推进效率难以与鱼类媲美,机动性和稳定性还存在不足,操纵性、智能控制、通讯等问题还有待解决。 1　仿生机器鱼的分类及特点 仿生机器鱼是通过模仿鱼类的游动方式来实现推进的,其分类可以依据鱼类游动分类方式进行划分。根据鱼类游动使用的身体部位不同可以将鱼类游动分为身体和/或尾鳍推进(B o d y a n d /o r c a u d a l f i np r o p u l s i o n ,B C F )模式及中鳍和/或对鳍推进(M e d i a a n d /o r p a i r e d f i np r o p u l s i o n ,M P F )模式(见图1),每种模式又可分为几个小类[1]。纯波动是指游动时推进波波数不少于1,而纯摆动小于0.5。B C F 模式和M P F 模式均包括了从纯波动到纯摆动的推进方式。 B C F 模式通过波动身体的某部分和尾鳍,形成向后的推进波,包括鳗鲡模式、亚鲹科模式、鲹科模式、鲔科模式和箱鲀科模式。大多数鱼类,都采用这种推进方式。B C F 模式可实现连续、快速、高效率的游动。 多数鱼类的背鳍、臀鳍、胸鳍和腹鳍只用于辅助推进、调整姿态,但占鱼类总数约15%的M P F 模式的鱼类却以这些鳍作为主要推进部件。M P F 模式游动速度慢,但稳定性好、机动性高。 2　仿生机器鱼研究现状 鱼类是海洋和淡水中最常见的游动生物,其具有的低阻力外形和高效、灵活的游动方式是人类水下航行器设计的重要参考。鱼类游动机理的研究是仿生机器鱼设计研究的基础。对于鱼类游动机理的研究开展的较早,在观测和实验的基础上,相继建立了多种游动推进理论。20世纪90年代以后,随着相关技术的发展,研究人员研制出真正意义上的模仿鱼类游动模式的机器鱼。

仿生机械鱼研究新进展

“如果瞧到一只游动得鱼,您会想到什么？”如果有人问起这个问题,按照笔者得思维,准就是会回答:“清蒸得得话会就是非常得鲜美,红烧得得话口感应该会更加香。”而带着同样得问题,笔者走进仿生机器鱼课题组,组员们给出得答案却超出了日常生活,她们得回答就是:“瞧见尾鳍得一摆一动,勾起我们得就是如何能进一步改进控制算法,在仿生鱼身上更完美地实现鱼类得波动推进方式。” “用智能算法来理解鱼之乐” 按预约得时间,笔者来到了仿生鱼课题组所在得办公室——自动化大厦9层906室。课题组成员王硕研究员热情地将我们请到了十三层咖啡厅,点上一壶茶水,在茶叶得沉落之间,为我们一一讲述关于仿生机器鱼得话题。 仿生机器鱼得研究工作由复杂系统控制与管理国家重点实验室得谭民研究员组织与指导,多名研究员、副研究员与在读博士生、硕士生共同合作开展。 一边品茶,王硕一边回忆起课题组得情况。顺着时间得脉络,她将课题组得情况进行了简要得回顾。 王硕告诉笔者:“仿生鱼作为课题组得研究内容,已经长达十余年之久。最早就是在2001年,谭民老师与北京航空航天大学王田苗教授

交流时,谈到就是否可以将研究所智能控制算法应用于工业设计中。受其启发,课题组开始了仿生鱼得研究。”2001年算就是探索起步阶段,这一时期主要就是对鱼类得跟踪模仿。 到2003年前后,课题组得研究进入到一个新得阶段:三维仿生运动阶段。为了提高任务得环境适应性,需要机器鱼具有水中得三维运动能力,也就就是需要机器鱼除了推进外还要能够上浮下潜,甚至维持某一深度。课题组在已有多关节仿生机器鱼得基础上,总结设计了一种新型机器鱼,基于改变胸鳍攻角法,完成仿生机器鱼得俯仰与浮潜运动,设计得机器鱼既可实现俯仰与浮潜,响应迅速,动态特性好。 到2004年,课题组提出一种基于重心改变法得仿生机器鱼俯仰姿态与深度控制方法,用于实现机器鱼水中得浮潜运动。据介绍,这种方法利用一种可调整位置得配重块结构,以改变机器鱼得重心位置,进而实现机器鱼俯仰姿态得调节。 2005年之后,课题组开始了仿生机器鱼转身、快速起动、运动中变速与转向、倒游、定深、制动等高机动控制研究。 经过十多年得坚持与攻坚,课题组在对鱼类深入观察得基础上,结合仿生学、机器人学、材料学、机械学与智能控制,深入探讨了鱼类游动得机制,形成了身体/尾鳍推进、胸鳍推进、子母式、长鳍、两栖、海豚式推进等多个系列,聚焦高机动、高游速两大指标,目前已实现利用多模式控制技术将多种性能集成到高性能机器鱼平台。课题组成员

仿生机器鱼

未来奇兵仿生机器鱼 仿生技术的军事应用正在快速发展，各国都投入大量资金深入开展从空中的掌上飞机、地面的微型昆虫到水下的仿生机器鱼等方面的一系列理论和技术研究。其中，水下仿生机器鱼的发展更是如火如荼。 仿生机器鱼是模仿鱼类游动的推动机理，通过机械、电子机构或功能材料（形状记忆合金、人造肌肉等）来模拟鱼类的游动推进动作，在水中利用身体、尾鳍或胸鳍的摆动产生推进波，并作用于身体产生向前推力，从而实现运动的水下航行器。 三种模式 根据推进模式访生机器鱼的推进方式可分为三类：身体波动式，(鱼+参)科及(鱼+参)科加新月形尾鳍模式和胸鳍模式。 身体波动式是模仿鳝鱼等鳗鲡目鱼类的游动方式，整个身体都参与大振幅波动运动，推进波的速度大于鱼的游动速度，并与鱼的游动方向相反地在身体上传播产生推进力。此类仿生机器鱼多采用多关节机构，每个关节安装一个小型伺服电机配合作用进行扭转摆动推进。也可采用形状记忆合金做鱼身，采用电激励或其他形式激励，控制合金的温度变化从而产生形变带动身体摆动。其实人们所熟悉的机器蛇在水中若能浮起就变成了机器鱼。此类机器鱼由于身体细长，柔韧性好，所以机动性极好，但一般只能飘浮，无法进行沉浮。 (鱼+参)科及(鱼+参)科加新月形尾鳍模式是大部分鱼类（如海豚、鲨鱼、金枪鱼等）采用的推进模式。由于身体刚度较大，波动主要集中在身体后部分，推进力主要由具有一定刚度的尾鳍提供，其推进速度和推进效率比身体波动式高。(鱼+参)科模式的推进部分是鱼体的后2／3部分，而(鱼+参)科加新月形尾鳍模式身体刚度更大，推进部分为身体后1／3部分，侧向位移主要产生在后颈部和尾鳍，尾鳍产生90％的推进力，身体前2／3部分保持刚性。目前，(鱼+参)科及(鱼+参)科加新月形屋鳍模式的机器鱼研究较多，可以采用具有一定刚度的材

仿生蜘蛛机器人的设计与研究

毕业设计（论文）仿生蜘蛛机器人的设计与研究 姓名：寇艳虎 学号： 专业：机械工程与自动化 系别：机械与电气工程系 指导教师：孔繁征 2021年4月

摘要 本文总结了背景和目标,仿生蜘蛛机器人的简单介绍。通过研究机器人的六足仿生的运动,这种设计已确定脚结构,使用3自由度的分析实现向前运动,把运动的机器人。想象的组件和装配映射仿生蜘蛛机器人以与相关部件的检查,确保机械设计的可行性都包含在总设计。 关键词：仿生；机器人；机构

ABSTRACT The paper has summarized the background and the goal of its topic and has made the simple introduction of the bionic hexapod robot. Through the research of the motion of the six feet of the robot, This design has determined the foot structure，using the analysis of 3 degrees of freedom realizes the forward motion and turning motion of the robot . Picturing of the component and assembly mapping of the bionic hexapod robot as well as the inspection of related parts which ensures the feasibility of the machinery design are both included in the total design. KEYWORDS：bionics ；hexapod robot ；machinery

一种新型仿生机器鱼的机构设计与执行(翻译)

一种新型仿生机器鱼的机构设计与执行(翻 译) 一种新型仿生机器鱼的机构设计与执行 摘要 引入了一种机器鱼的机构设计方法。基于这种方法，设计一种带有胸鳍和尾鳍的自主三维运动机器鱼。胸鳍是三自度机器，使得机器鱼能够通过控制两个胸鳍来实现偏航和纵向运动。而尾鳍机构设计是基于拟合机器鱼波状与运动曲线。向前的速度可以通过改变尾部机构摆动频率来实现。最后给定机器鱼的物理执行机构和实验结果。 关键字：仿生，鱼体波形，机械，机器鱼，胸部，尾部0.介绍 许多机器人概念的设计源于自然界，因为自然选择已使得生物对环境有很好的适应性。一个典型的例子就是鱼推进机理的研究，这个研究可以提高水下航行器的性能。不同于传统的螺旋桨推进的水下航行器，鱼依赖于鳍和尾部的运动来提供向前的推力。对于真实鱼科学研究发现，这种推进方式能产生更高效率的推力并且产生的噪声很小。受这种发现的激发，许多学者已经开始致力于研究机器鱼，以具有高速和操纵性良好的小型水下航行器的发展提供更多的线索。 先前有关机器鱼发展的努力工作可以追溯到1991年

robotuna的triantafyliou等人的著作。装有柔性尾部和上下摆动薄片的机构能够产生额外的流体动力以产生推力，robotuna得出了这种方式的许多优点，包括能源的节约和长任务持续时间。在这个成功的例子之后，许多机器鱼被研究用于不同的目的。为了证实鱼胸鳍的作用，kato在1995年制作了“黑鲈鱼”号，这条“鱼”配备了胸鳍状机构。实验结果表明波状运动和一对胸鳍的引导共同决定了向前，向后，悬停和旋转运动。在20XX年，Guo等人呈现了一种类似鱼的水下微型机器人的原型。这种机器人有两个独立控制的尾鳍，一个体姿态调整器和一个浮力调整器。为了认识三自度的游动，一种离子控制聚合体薄膜激励被利用来作为伺服激励。在20XX年，koichi设计了一种机器鱼的原型。它的体长大概600mm并且它带有三个铰链连接的尾部，这些铰链的运动是通过两个带有初始链接结构的补助马达间接变速装置来激励的。Yu进一步发明了一种带有速度控制、四铰链连接的仿生机器鱼，它是使用柔性尾部和震荡薄片作为推进器的。机器鱼的游动速度是通过铰链连接震荡频率来调节的，它的方向是通过铰链连接的偏转差异来控制的。 必须说明的是上述所有的研究是基于体设计和尾鳍推进或胸鳍推进。然而，鱼可以展示不仅仅一种游泳模式，在不同的时间有不同的速度。中线和成对鳍常规的联合使用，以两者的不同贡献以提供推力，从而获得平滑的轨迹。此外，

仿生机械马的运动机构设计

仿生机械马的运动机构设计 0 引言 当前，由索尼公司研制的“爱宝”机器狗是当今四足步行机器人中最典型的代表，也是最受广泛关注的机器人。但是，众所周知，爱宝机器狗的售价相当高，不是一般的消费群体所能接受的。例如，索尼公 司在2003推出的AIBO机器狗ERS-7,售价就高达185000日元，合人民币12820元。索尼中鸣15自由度机器狗具有15 个自由度，即有15 个伺服电机驱动，其中四条腿，每条都有 3 个伺服电机，很多都是在关节处采用齿轮和电机驱动，导致步行时能量耗费很大，机器人的大部分能量并没有完全为步行运动做功，而是转换为热能损耗了。 为此，本次设计的目标就是用直流电机通过对传动机构的配合驱动来实现四足步行机器人前进，后退和左右转弯等功能，达到结构简单，成本低廉，功能可靠的目标。 1方案选择 仿生机械马的机械部分是机械马所有控制及运动的载体，其结构特点直接决定了机器马的运动学特征。其中，腿部结构形式是仿生机械马机械结构中重要的组成部分，也是机械设计的关键之一。因此，仿生机械马机构的分析主要集中在步行机构的分析上。步行机构不能太复杂，杆件过多的步行机构形式会引起结构和传动的实现困难，对腿部机构的基本要求有以下的方面：实现给定的运动要求；具有一定的承载能力；方便控制。 1.1方案的比较如上二种方案所示，均为凸轮驱动。只是二种方案的连杆机构不同。方案一，为平面四杆机构，凸轮 驱动竖直方向的连杆，实现小腿的抬升和着地；凸轮驱动水平方向的连杆，实现小腿的前跨和后收。该平面四杆机构具有缩放性，它可以将凸轮较小的竖直和水平方向的距离差转化为较大距离的小腿运动，从而实现仿生机械马的前进和后退，结构紧凑，功能稳定；方案二，为空间四杆机构，有二处为球铰接，可以较方便的实现仿生机器马的转向功能。在该机构中，凸轮分别驱动两竖直方向的连杆，较形像地模仿人的髋关节和膝关节的运动，实现小腿的前后运动。 1.2方案选定 对于步行机构，本课题设计选取第一种方案。平面四杆机构缩放系数比K 较易确定，结构紧凑，而空 间四杆机构要确定小腿的运动轨迹需用相关分析软件，在课题后期此方案可以考虑。 仿生机械马的机体选取平行四边形模型，该模型可以很方便地解决机械马在行进过程中产生的机架之间的角度变化问题，有效地防止机架之间的干涉。并且，关键的一点在于，四足行走机器人在行走时，机体首先要保证静态稳定，其运动的任一时刻至少应有三条腿与地面接触支撑机体，且机体的中心必须落在三足支撑点构成的三角形区域内。平行四边形模型可以很灵活地调节机械马在行进过程中的机身重心，保 证机体重心落在三足支撑点构成的三角形区域内 2仿生机械马步行机构设计分析 2.1 机械马运动步态步态