机器鱼 毕业论文 - 图文(2)

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录

5.2 实验结果 ............................................................................................................ 33 5.3 结论 ................................................................................................................... 34

参考文献 ...................................................................................................................... 35

IV

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论

1 绪论

1.1 概述

工程技术发展到今天，已经达到了相当高的地步。单一方向的技术发展越来越显现出它的局限性。因此，各种交叉科学异军突起，取得了许多不凡的成就。其中，就包括仿生学。

仿生学是上世纪六十年代出现的一种边缘交叉科学。它是由生命科学与工程技术相互交叉、相互结合而成。通过把生物学应用到工程系统中，仿生学对机器人学的研究与发展起到了巨大的推进作用，因此，越来越多的注意力被投到了仿生学上。例如波士顿动力公司在美国军方的支持下研制出一种机器狗，其稳定性以及方向感令人惊叹，可以处理战场上许多未知的挑战。又如近日，德国科技公司费斯托(FESTO)的科学家发明了一种叫做SmartBird的机器鸟，它可以自主地启动、飞翔和降落，灵活程度可以和真正的鸟相媲美。它精简的材料和结构使得资源和能源的消耗降到最低，飞行效率远高于螺旋桨机构。

对于鱼类的仿生同样早已开始，鱼类是水生生物，经过几亿年漫长的进化过程，形成了近乎完美的在水中行进的生理结构与运动模式。鱼类就像极其出色的流体力学专家，通过恰当的利用流体力学原理，鱼类获得了极高的推进效率和机动性能，远高于普通的螺旋桨推水机构。在推进效率方面，金枪鱼在速度高达80km/h的情况下，推进效率达到90%，而相比之下，普通螺旋桨推进系统只有40~50%。在机动性能方面，起动时，鱼类的加速度竟然可以达到50倍重力加速度，远高于螺旋桨机构。转弯时鱼类的转弯半径只有体长的10~30%，而普通螺旋桨推进系统要达到体长的3~5倍。由于鱼类的这些优越性，对于鱼类的仿生具有很大的研究与应用价值[1]。

在应用方面，主要在以下方面有比较好的应用前景[2]。

1. 军事方面，螺旋桨推进器在运行时会产生许多不必要的紊流，并产生许多空泡噪音、扰动噪音。由于仿生鱼类游动时有噪声低，尾流与真鱼相似的特点，不容易被对方声纳探测，使得仿生鱼具有较大的军事价值。

2. 环境检测方面，由于机器鱼运行效率高，在能源限制的情况下，以有限的能源能进行更大范围，更长时间的检测，如水质检测等。

3. 生物观察方面，由于机器鱼噪声小，外形与真鱼相似，更容易接近水生生物，进行近距离的科学观察，同时，机器鱼不具有类似螺旋桨的旋转机构，不容易被水草等障碍物缠住，更适合在水环境复杂的地方执行任务。

4. 狭窄环境探测方面，由于机器鱼有更高的机动性，可以在狭窄的环境如管道中和缝隙中执行探测任务。

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5. 娱乐方面，通过对外观进行包装，可以做出各种美丽的机器鱼，在水族馆中供人观赏，并且通过加入智能模块，实现自动巡游以及人鱼交互的功能，具有较大的娱乐与商业价值。

1.2 仿生机器鱼研究概况

国内外开展机器鱼的研究已经很长时间了，不过对于机器鱼实体的设计，还是从上世纪九十年代开始。随着电子技术与材料科学的发展，机器鱼的设计也越来越成熟，以下做一个简单的介绍[3]-[5]。

1.2.1 国外研究概况

1. 世界上第一条真正意义的机器鱼产生于麻省理工学院，名为Robotuna，是一条机器金枪鱼。该机器鱼长约1.25m，宽0.21m，高0.3m，由2843个零件组成。它由六台无刷直流伺服电动机驱动，在处理器控制下，通过摆动躯体和尾鳍，游动速度可达2m/s，推进效率可达91％。如图1.1和1.2

图1.1 MIT机器金枪鱼Robotuna

图1.2 MIT机器金枪鱼Robotuna结构图

1995年，为了研究鱼的机动性和静止状态下的加速性，麻省理工学院又设计了Robotuna的改进版RoboPike。鱼体长约0.81米，重约3.6kg。它的骨架由螺旋形玻璃纤维弹簧构成，这种柔性结构可以使抵抗游动时的撞击，而其强度又足以使其承受水压。该机器鱼具有良好的加速能力。如图1.3和1.4

图1.3 MIT机器金枪鱼RoboPike

图1.4 MIT机器金枪鱼RoboPike结构图

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机器金枪鱼的最新版本如图1.5所示，这个新原型拥有柔软的身体，体内只装有1台电机以及6个移动部件，使其能够在更大程度上模拟真实鱼的移动。由于身体完全由一整块柔软的聚合体材料制成，避免了水破坏脆弱内部零件的可能性。由于材料透明，可以完全看到鱼体内部结构。

图1.5 MIT最新机器金枪鱼

2. 日本国家海洋中心从1998年就开始设计机器鱼。2000年，为了研究机器鱼的转弯原理，他们设计了PF-300。该鱼长度约0.34米，鱼头部中有一个电池组与一个伺服电机。另一个伺服电机位于尾部。通过使用木头做成一个漂浮于水面的天线，可以与外界进行无线通信。如图1.6和1.7

图1.6 PF-300机器鱼

图1.7 PF-300机器鱼转弯效果图

2001年，他们设计出另一款机器鱼，PF-2001，主要面向高性能实验平台和多功能应用，如图1.8和1.9所示。UPF-2001长0.97m，最大速度为0.97m/s，有两个关节，使用升降舵实现上浮和下潜运动。该样机采取了模块设计的概念，分为以下几个模块:电源模块、动力模块、通信模块、控制模块，传动模块。

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图1.8 PF-2001机器鱼

图1.9 PF-2001机器鱼结构图

日本国家海洋中心的最新研究是PF-550，是为了研究快速上浮下潜运动而设计的。它采用了一种全新的上浮下潜原理，通过改变尾部的倾角方向实现矢量推进。该机器鱼长度约0.57米，尾鳍可以旋转角度达到90度。如图1.10和1.11

图1.10 PF-550机器鱼

图1.11 PF-550机器鱼结构图

3. 英国Essex大学机器鱼课题组于2003开始研制一系列的机器鱼，主要工作集中在实现仿鱼游动，特别是非稳定游动方面。该课题组的机器鱼主要集中在两个系列：G系列和MT系列。其中G系列均是采用多电机—多关节的尾部结构，通过对多个电机进行协调控制，该机器鱼游动姿态和真鱼极其相似。图1.12为他们所设计的最新版机器鱼G9的实物图。

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