（模式识别与智能系统专业论文）基于鱼体肌肉模型的虚拟仿鱼机器人优化设计与仿真研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文 摘要 仿鱼机器人是参照鱼类的游动推进机理，利用机械和电子手段以及功能材料 来模拟鱼游动作，从而实现高效的水下运动的一种机械装置。与传统螺旋桨推进 器相比，具有高效率、高机动性和低噪音等优点，故而成为近年来机器人研究的 热点。然而，传统的仿鱼机器人研究主要采用的是自下而上的研究模式，各相关 学科之间未能形成很好的交叉和互动。针对这一问题，本文尝试一种由上丽下的 仿鱼机器人研究模式。在对鱼类的游动机理进行深入探索的基础上，借鉴鱼类在 功能、结构以及游动机理等方面给我们的启发，在a d a m s 环境中设计并构建 了一条在结构和功能上能够逼真地模拟真实鱼类游动的虚拟仿鱼机器人，并利用 该虚拟仿鱼机器人进行了运动学、动力学仿真及优化设计等虚拟实验，为深入开 展仿鱼机器人研究打下了很好的基础，也为实现各相关学科之间的交叉与互动提 供了一个研究平台。 本文首先对国内外仿鱼机器入研究和发展现状进行了回顾和总结。接着，从 真实鱼类的结构和功能入手，在对其进行分析和综合的基础上，得到了进行仿鱼 机器人设计时应遵循的一些基本原则。 为了构建模拟真实鱼类游动的虚拟仿鱼机器入，本文对仿鱼机器入的运动学 模型进行了深入研究，提出了一种基于序列图像的鱼游运动机理分析方法，并运 用该方法对鱼游的运动机理进行了分析，探讨了相关的运动学建模问题。该方法 首先利用鱼体游动时相对于背景的运动，通过图像差分等运算剔除不需要的背 景、得到鱼体钓轮廓，然后利用能量函数自动抽取鱼体的体于曲线。在此基础上， 利用样条函数对抽取出来的体干曲线进行拟合运算以研究鱼体游动时体干曲线 的变化，得到了鱼体运动的相关基础数据和各种运动学参数。相比于传统方法， 本文所提出的方法无需对实验环境和对象加以限制，可以自动、有效和准确地获 取用于鱼体运动学建模的相关信息，避免了各种人为的测量误差。利用上述方法， 以中华鲟为实验对象对样本鱼的稳态游动、c 型起动、s 型起动、转弯、浮沉、 直线加速及制动等动作进行了分析，并据此构建了由该类鱼的各运动学模型组成 的亚鳕科鱼游运动基础动作库，为解决仿鱼机器人的运动学建模和控制问题奠定 中国科学技术大学博士学位论文 了理论基础。 为了从结构和功能上实现更接近于真实鱼类的仿鱼机器人，本文对鱼类的构 造和驱动方式进行了深入研究。结合鱼类生理学方面的研究成果，提炼出了鱼类 骨骼肌肉的规城模型和肌肉驱动的原理和准则。摆关成果对于在未来设计应力更 强、应变更大、效率更高的新型驱动器驱动器具有指导意义。此外，本文还对鱼 游运动基础动作库进行了动力学建模，从而使虚拟仿鱼机器人具备了进行诸如导 航、运动控制和路径规划等虚拟实验的能力。 在上述成果的基础上，本文在a d a m s 环境中构建了一条可以逼真地模拟 真实鱼类的虚拟仿鱼机器人该虚拟仿鱼机器人以鱼类肌肉模型为驱动器，具有 和实验用的真鱼一样的物理参数和运动学参数，可以像真鱼一样运动。利用该虚 拟仿鱼机器人，本文还对亚鳢科鱼游运动基础动作库中的各主要动作进行了运动 学和动力学仿真。仿真结果表明，所建立的鱼骑运动基础动作的数学模型能够准 确地描述相应的动作，可以被用于仿鱼机器入的运动控制环节。此外。仿真结果 还验证了我们所设计虚拟仿鱼机器人在结构和功能方面所表现出来的准确性、合 理性和有效性，它可以模拟真实鱼类，产生平滑的鱼体推进波从而保证优越的流 体动力学性能。 本文还讨论了基于虚拟仿鱼机器人的相关酶优化设计问题，得虱了在常用的 几种关节数情况下各关节长度的最优比例。这个结果可以用于指导实际仿鱼机器 人的设计。 关键词：仿鱼机器人；鱼游运动基础动作库；体于曲线；肌肉模型；仿生学；运 动学仿真；动力学仿真：虚拟实验；优化设计 中国科学技术大学博士学位论文 a b s t r a c t f i s h - l i k er o b o ti sa1 3 t e ws 钾l ea u t o n o m o u , su n d e r w a t e rr o b o tt h a tm i m i c sf i s h s s w i m m i n gm o t i o n sb ye l e e 臼o m e e h a n i e a l8 1 1 u c t l l 圯$ o ri n t e l l i g e n tm a t e r i a l s c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a la i r s e r e wp r o p u l s o r s , i th a sf e a t u r e so fh i ；啦e f f i c i e n c y , h i 曲 m a n e u v e r a b i l i t ya n dl o wn o i s ee t e t h e r e f o r ei t h a sb e e n0 1 3 eo ft h eh o t s p o t si nt h e r o b o t i c sr e s e a r c hf i e l di nr e c e n ty e a r s b u tt h et r a d i t i o n a lr e s e a r e l a e sm a i n l ya d o p tl t t b o t t o m - u pr e s e a r c hm o d e i nw h i c ht h e r e 雠n og o o di n t e r e r o s s i n g so fi n t e r a e t i o m b e t w e c ne a c hs u b j e c ti nf i s h - l i k er o b o tr e s e a r c hf i e l d m o t i v a t e db yt r y i n gan e w t o p - d o w nr e s e a r c hm o d e ，b a s e do nt h ea n a l y s i s o ff i s hs w i m m i n gl o c o m o t i o n m e e h a m s ma n dt h ei n s p i r a t i o no ft h es w i m m i n gr e l a t e ds l z u c 咖sa a df u n c t i o n so f f i s hp h y s i o l o g y , av i r t u a lf i s h - l i k er o b o ti sb u i l ti na d a m sb yi m i t a t i n gar e a lf i s ha q r e a l i s t i c a l l y 鹪p o s s i b l es l r u e t u r a u ya n df u n c t i o n a l l y , b yu s i n gt h a tm a n yv i r t u a l e x p e r i m e n t ss u c ha sk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c ss i m u l a t i o n sa n do p t i m u md e s i g na p e r f o r m e d f u r t h e r m o r e ，t h ev i r t l 】a lf i s h - l i k er o b o tc o u l ds e r v e 嬲ap l a t f o r mf o rt h e i n t e r e r o s s i n ga n di n t e r a c t i o n sb e t w e e ne a c hs u b j e c ti nf i s h - l i k er o b o t r e 巷e a r e l af i e l d t h eg e n e r a ls i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to ff i s h - l i k er o b o tr e s e a r c ha th o m ea n d a b r o a dl t l er e v i e w e da n di n l z o d u e e da tf i r s t t h e nt h es t r u c t u r e sa n df u l l c l i o n so f f i s h s s w i m m i n ga p p a r a t u s e sf i l ed i s c u s s e da n ds e v e r a lb a s i cp r i n c i p l e sw h i c ha 呲n 聪t h e h i g hq u a l i t yo f f i s hs w i m m i n g a l ee x t r a c t e dt og u i d et h ed e s i g no f f i s h - l i k er o b o t i no r d e rt ob u i l dav i r t u a lf i s h - l i k er o b o tt h a tc a nm i m i cs w i m m i n gm o t i o n so f r e a l 丘s l a , w ei n v e s t i g a t et h el o c o m o t i o nm e c h a n i s mo ff i s hs w i m m i n g 嬲w e l l1 t 8i t s k i n e m a t i cm o d e lb ，u s i n ga na n a t y t i c a lm e t h o db a s e d0 1 3 i l l m g es e q u e n c e sp r e s e n t e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s tt h es i l h o u e t t eo faf i s hb o d yi se x t r a e t 畦a n dt h e na ne n e r g y f u n c t i o ni se m p l o y e dt oo b t a i nt h es k e l e t o no f t h ef i s hb o d ya u t o m a t i c a l l y b yu s i n ga s p l i n eb a s e dc u r v cf i t t i n gt e c h n i q u e t of i tt h ed a t aa b o v e ，w ec 趾f i n do u tt h e l o c o m o t i o nm e c h a n i s mo ff i s ha n de s t a b l i s hf i l la e m l r a t ea n dp r a c t i c a lm a t h e m a t i c a l m o d e lo ff i s hk i n e m a t i c s t h em e t h o dc a l lo b t a i nm o 坞p r e c i s ed a t aw i t h o u ta n y h u m a ne l t o ro ra d d i t i o n a lr e s t r i c t ss u c h 舔e n v i r o n m e n to ro b j e c tc o m p a r e dw i t h i l l 中田科学技术大学博士学位论文摘要 l r a d i t i o n a lm e t h o d i nt h ee x p e r i m e n tw em e a s u r e da n da n a l y z e db o t hs t e a d ya n d t r a 地i e n ts w i m m i n gm o t i o n so fac h i n e s es t u r g e o n “c p e n $ e ，s i n e n s i s ) ，i n e l u d i 蚜 s t e a d ys w i m m i n g , c - s t a r t s , s - s t a r t s ，f u m i n g ，u p - d o w nm o t i o l a s , a c c e l e r a t i n g a n d b r a k i n g m a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h e s em o t i o n s 撒e s t a b l i s h e db a s e do nt h ed a t a o b t a i n e db yo u rm e t h o d t h u sas w i m m i n gk i n e m a t i c sl i b r d r rt h a te o m i s t so fa l lt h e f u n d a m e n t a ls w i m m i n gm o t i o n si sb u i l t , w h i c hc o u l db eu s e di nt h el e a r n i n ga n d t r d i n i n gp r o g r a mf o rt h ef i s h - l i k er o b o ta n di t sc o n t r o l l e rt og e n e r a t et h es w i m m i n g m o t i o n sl i k ear e a lf i s ha sm u c h 勰p o s s i b l e t oa 耻n l t h ev i r t l l a lf i s h - l i k er o b o tb ec l o s et oar e a lf i s ha sr e a l i s t i c a l l y 勰 p o s s i b l es t r u e t u r a u ya n df u n c t i o n a l l y , t h ea c t u a t i o ns y s t e mo fr e a lf i s hi ss t u d i e di n t h i sp a p e r 曰硷m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff i s h ss k e l e t a lm u s c l e sf i r ei n v e s t i g a t e d , a n d t h em u s c l em o d e li se s t a b l i s h e d f u r t h c r n l o r e , t h ep r i n c i p l e so fl t c t i ：l a t i o l li nt h e m u s e u l n rs y s t e mo f f i s af i l ee x t r a c t e dt og u i d et h ed e v e l o p m e n to f n e ws t y l ea c t l l a t o l s a n di n c r e a s et h ec a p a c i t yo ft h ef i s h - l i k er o b o t b e s i d e s ，t h ed y n a m j e sm o d e l so ft h e f u n d a m e n t a ls w i m m i n gm o t i o n si nt h es w i m m i n gk i n e m a t i c sl i b r a r ya e s t a b l i s h e d t h e r e f o r et h ev i r t u a lf i s h - l i k er o b o tc 雅b eu s e dt od ov i r t u a le x p e r i m e n t ss u c ha s a u t o n o l l l o i l sn a v i g a t i o n , m o t i o nc o n t r o l ，a n dr o u t ep i a n n i n ge r e b a s e do nt h ea c h i e v e m e n t so b t a i n e da b o v e ，w eb u i l tav i r t u a lf i s h - l i k er o b o ti n a d a m sb yi m i t a t i n gar e a lf i s h 鹪r e a l i s t i c a l l y 鹤p o s s i b l es t r u c t u r a l l ya n d f u n c t i o n a l l y mv i l t l 】a l f i s h - l i k er o b o ta c t u a t e db yf i s h ss u p e r f i c i a lr e dm t t s e l e m o d e li l a st h ef l a m ep h y s i c a la n dk i n e m a t i cp a r a m e t e r sa st h es p e e i m e r io fc h i n e s e s t u r g e o n , s oi tc 觚s w i ml i k ear e a lf i s h b yu s i n gt h ev i r t u a lf i s h l i k er o b o t t h e k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c ss i m u l a t i o n so ft h ef u n d a m e n t a lm o t i o n sw e r ec o n d u c t e di n a d a m s ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e dn o to n l yt h ea c c u r a c yo ft h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h ef u n d a m e n t a lm o t i o n si nt h ek i n e m a t i c sl i b r a r ya sw e l la s a v a i l a b i l i t yt ot h em o t i o nc o n t r o lo ff i s h - l i k er o b o ts y s t e m , b u ta l s ot h ev e r a c i t y , r a t i o n a l i t y , a n dv a l i d i t yo ft h ed e s i g no ft h ev i l t u a lf i s h - l i k er o b o ts l r u e t u r a l l ya n d f u n c t i o n a l l y i na d d i t i o n , w eo p t i m i z et h ed e s i g no ft h ev i r t u a lf i s h - l i k er o b o ta n do b t a i nt h e i v 中国科学技术大学博士学位论文 摘要 o p t i m a lr a t i o so f e a c hl i n k sf o rs e v e r a lm o s tu s e dt y p e so fb a c k b o n e s ，w h i c h 啪b e u s e dt o 伊i d et h er e - - o no f a c t u a lf i s h = l i k er o b o t k e yw o r d s ：f i s h - l i k er o b o t ；s w i m m i n gk i i 圮m a 6 c sl i b r a r y ；s k e l e t o n ；m u s c l em o d e l ； b i o n i c s ；k i n e m a t i c ss i m u l a t i o n ；d y n a m i c ss i m u l a t i o n ；v i r t u a le x p e r i m e n t ； o p t i m u md e s i g n v 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 尽管生活在地球上的动物种类超过1 0 0 万种，但它们所具有的身体结构与 功能却各不相同，近1 0 亿年的进化和自然选择保证了这些结构和功能相对于其 生活环境与习性几近完美。“鹰击长空，鱼翔浅底”，这些动物的运动天赋不仅令 人叹为观止，而且自古以来就是人类竞相模仿和学习的对象。比如，中国传统武 术中就有以模仿动物动作特征和搏击特长为特点的象形拳法，如猴拳、蛇拳、螳 螂拳等。如今仿生学更是发展成为- - f - 由生命科学与工程技术科学相互渗透、相 互结合而成的综合性边缘学科，包括生物、机械、信息科学、控制理论、力学等， 其主要目的是通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及 控制机制，来改造现有的技术装置，创造新型的技术系统( 林良明，1 9 8 9 ；张秀丽 e t a l ，2 0 0 2 ) 。而鱼类在水中所展现的非凡的游动能力以及人类对海洋资源的热切 渴望使得仿鱼机器人的研究成为仿生学领域中一个重要的研究方向。 1 2 仿鱼机器人研究的意义及面临的科学问题 随着陆地资源的日益枯竭，人类不得不将目光转向其它地方。而占地球总面 积高达7 1 的海洋不仅蕴藏了巨大的能源与矿藏，而且相比于向其它星球要资 源，向海洋要资源更为实际，也更为有效。因此，大规模地开发和利用海洋的各 种资源将是人类2 l 世纪最伟大的事业之一。由于海洋不适宜人类的生存，故而 开发能够代替人类在水下活动的人造航潜器和水下机器人将是一个必须的途径。 目前的人造航潜器和水下机器人多采用螺旋桨以及基于喷流回转原理和叶 轮原理的常规推进器，并多以电磁马达或液压马达作为原动力( a l a i n ，1 9 9 6 ) 。 这些常规推进器存在能源利用率低、结构尺寸和重量大、对环境扰动大、噪音大 和可靠往差等诸多缺点。并且，以常规推进方式驱动的水下运动装置存在起动、 加速和机动性能差以及隐蔽性能差等缺点。而对微小型航潜器和水下机器人而 言，由于受承载空间和承载能力的限制不可能在其上加载太多的能源，这就造成 它们具有作业时问短、作业范围小等缺点，从而限制了它们在实际中的应用( 刘 中国科学技木大学博士学位论文 第一章绪论 军考，2 0 0 1 。 反观鱼类在水中穿梭自如的运动，一方面巧妙地利用了流体力学原理，从而 获得了惊人的巡游性能和机动性能。例如，海豚的巡游速度高达2 0 节，黄鳍金 枪鱼的爆发速度可达4 0 节，白斑狗鱼的加速性毖可达2 0 倍重力加速度。大型海 洋动物的巡游推进效率能接近9 0 。鱼的转弯半径一般只有o 1 4 ) 3 倍体长，转 弯时不需要提前减速；而船的转弯半径要高一个数量级，且通常在转弯之前要减 速一半。此外，鱼还能利用一切可以利用的水流中的能量，如波浪、涡流等，来 提高推进效率。例如，海豚喜欢跟在船的尾涡中游动，毫不费劲地欢腾跳跃；鱼 类长距离迁徙时经常结集成鱼群，这样的游动可以比单个鱼游动更省力。可见， 鱼类善于利用水流的特性，通过鱼体、尾鳍和胸鳍的协调动作，对水流进行控制， 从而改善周边的流动结构，提高推进效率、减少能量损耗。另一方面，为了捕食 避敌、生殖繁衍和集群活动等生存需要，经过漫长的环境适应和进化过程，鱼类 发展了各具特色的水中运动能力及与之相适应的鱼体外观形态。例如，擅长加速 的鱼类( 如白斑狗鱼等) 具有流线形体形，背鳍和臀鳍较大，且位置靠后接近尾 鳍：擅长机动的鱼类( 如刺蝶鱼等) 则具有较短的菱形的身体和较高的背鳍和臀 鳍，这为较小的转弯半径提供了可能；而对于能够在泥浆、水草、珊瑚礁等复杂 秘环境中自由穿梭镪鱼类( 如鳗鱼等) ，其身体缨长柔韧，不但能向前游动，而 且具有倒游的特长( 胡文蓉，2 0 0 4 ) 。 由此可见，鱼类对进行人造航潜器和水下机器人的研究具有广泛的借鉴和指 导意义，将有助予我们实现具有高效率、高速度及加速度、高机动性和低噪音以 及能够长时问、大范围进行水下作业的仿鱼机器人。先此，必须首先破解鱼类的 游动机理。所面临的科学问题主要包括： 1 鱼类游动的随意性很强，不受人的控制，这给鱼游观测实验及相关的鱼 游运动基本动作的理论分析造成了很大的困难。如何在鱼进行自主游动 的条件下利用鱼游观测实验完成对鱼体运动参数的测量并进而完成对 鱼游运动基本动作的解析是一个非常具有挑战性的问题。 2 鱼类游动时其身体常伴随着很大的变形。特别是鱼在作机动运动时更是 如此。因此，如何对变形大、时间短这样一类具有爆发性的鱼游动作进 行解析，准确、高效地获取鱼体游动时的体干曲线是关键。这一问题的 2 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 圆满解决对于仿鱼机器人的设计与控制而言极其重要。 3 鱼体的运动是由神经系统控制的肌肉的收缩所产生的。产生肌肉收缩运 动所需的能量则由鱼体内贮藏的化学物质经过生化过程产生的生化能 所供应。如何对其准确建模，并将所构建的模型用于指导仿鱼机器人新 型驱动元件的开发是一个极具挑战性的问题； 4 鱼体是一个非常复杂的生物体。其中，仅仅是与鱼游运动相关的肌肉系 统、骨骼系统和神经系统的复杂程度对仿鱼机器人的工程实现而言都是 难于想象的，如何在保证能够最大程度地模拟真实鱼的情况下对仿鱼机 器人进行最优化设计是仿鱼机器人研究的核心问题之一； 5 鱼作为有生命的生物体，其运动并不是简单的机械运动，它具有自主调 节、自主适应和主动控制的功能，如何让仿鱼机器人也具有类似的功能 从而提高其在长时间、大范围水下作业时的鲁棒性具有非常重要的现实 意义。 1 3 仿鱼机器人的定义及分类 仿鱼机器人的研究是模仿自然界鱼类游动的高效性、快速性、高机动性、低 噪声以及鱼类与周围流体相互作用的涡流控制机制。如前所述，经过近l o 亿年 的进化和自然选择，鱼类的形体几何参数、组织系统结构和皮肤构造机理符合流 体力学特性，能很好的适应水生环境，其整体性能接近最优。故无论是结构仿生 还是功能仿生，在当前的研究模式下，目前的仿鱼机器人只能部分复现或接近鱼 类的部分特征。 仿鱼机器人( 又名仿生机器鱼，人工鱼或机械鱼) ，顾名思义，即参照鱼类 的游动推进机理，利用机械和电子手段以及功能材料来模拟鱼游动作，从而实现 高效的水下运动的一种机械装置。 目前仿鱼机器人可根据其采用推进模式的不同主要分为三类：身体波动式仿 鱼机器人、鲣科加月牙尾模式仿鱼机器人以及胸鳍推进模式仿鱼机器人；按仿鱼 机器人的体积来划分，可分为常规仿鱼机器人和微小型仿鱼机器人；按其采用的 驱动元件的不同来分主要有采用液压、电磁马达等常规驱动元件驱动的仿鱼机器 中田科学技术大学博士学位论文第一章绪论 人，以及采用形状记忆合金、人造肌肉等功能材料驱动的特种仿鱼机器人。 1 4 仿鱼机器人及相关领域的研究概述 基于仿鱼机器人诸多的优越性及广泛的应用前景，国内外学者很早就进行了 该新型水下机器人的研究与开发，且重视程度日益增加。最早的关于鱼类的科学 性研究可以追溯到希腊学者亚里士多德( 秦伟。2 0 0 0 ) ，而真正意义上的仿鱼机器 人的出现只是近l o 年的事。由于仿鱼机器人的研究包含了水动力学控制和机器 人技术等多学科问题，其发展有赖于多学科的交汇融合、协同努力，只有在各相 关领域均趋于成熟时，仿鱼机器人才能够真正的用于实际应用中。 1 4 i 鱼游的生物外部流体力学研究概述 鱼类及鲸豚类具有高超的游泳技巧，其在游动中表现出来的持久的速度、谜 一般的效率和巨大的推重比，远非人类现有的航海技术所能企及，而它们流线型 身体，以及对周边水流的控制能力更是接近或达到了流体力学分析所能得出的最 佳性能。1 9 3 6 年，英国生物学家j a m e sg r a y 就提出了一个疑题，他测得海豚在 游动时肌肉所消耗的能量仅仅是以相同速度拖动刚体海豚模型所需能量的七分 之一。其推理是活海豚必然存在很重要的减阻机制有待揭示，入们将他对海豚的 减阻之谜推广到整个鱼类，称为g r a y 疑题。尽管g r a y 疑题至今仍悬而未决，却 推动了人类对鱼类减阻机制和推进机制的研究。 为了探索活鱼减阻之谜，除了鱼类本身具有低阻力外形之外，人们还从以下 几方面开展了研究，包括鱼体表皮的柔顺壁减阻( k r a m e r , 1 9 5 7 ) 、边界层的流动 控制( l a n g & d a y b e l l ，1 9 6 3 ) 和鱼体表面粘液的减阻( h o y t , 1 9 7 5 ) 等。但这些减 阻机制一般说来减阻的幅度不大，并不能作为解开 r a y 疑题的普遍性答案。 1 9 9 9 年，麻省理工学院的m t r i a n t a f y l l o u 研究组将机器金枪鱼r o b o t u n a 放 在拖曳水池中做模拟活鱼阻力实验，借以检验活鱼和死鱼的阻力差异。实验结果 表明：鱼类游动的高效、高速源自涡控制。如果机器鱼处于低推进效率时，“活” 鱼的阻力会比死鱼大的多；只有当机器鱼的波状游动处于最佳推进效率范围内， “活”鱼才会大大减阻，相对于死鱼可减阻5 0 0 以上。减阻的原意在于鱼类善于利 4 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 用尾鳍进行涡控制，从而达到理想的推进效率。对拍动翼的推进性能研究发现， 影响其推进性能的参数主要有5 个：( a ) 沉浮振幅与翼弦长度之比；( b ) 名义 攻角；( c ) 沉浮与俯仰两种振动的相位差；( d ) 无量纲频率( 斯德鲁哈尔数 s t ) ；( e ) 俯仰轴在翼弦上的相对位置。从游动显示的尾迹形态来看，当尾迹呈 现反向卡门涡街形态时，推进效率将会上升。k e l l e r & w u ( 1 9 7 7 ) 也曾经指出 生物自主游动的流场和非自主游动( 受外力作用下的游动) 的流场是完全不同的， 自主游动可以有效地减小阻力。 鱼类推进机制是仿鱼机器人研究的基础，国外学者很早就致力于这方面的研 究工作，并取得了长足的进展( 胡文蓉，2 0 0 4 ) 。 在理论工作方面，t a y l o r ( 1 9 5 9 ) 采用“静态流体理论”通过准静态逼近的方 法建立了一种“抗力水动力学模型”来分析、计算流体力。这种方法由于忽略了惯 性力以及对鱼体和尾鳍运动及鱼身体形状的变化过分简化，只适用于雷诺数比较 低的情况( t a y l o r , 1 9 5 2 ) ：l i g h t h m ( 1 9 7 0 ) 提出了准定常的细长体理论，分析了 细长形鱼类运动的鳗鲡模式和鳕科模式，同时运用二维非定常刚性平板翼理论研 究了月牙尾的推进运动，但在细长体理论中假设流动在横截面为二维流动，此假 设与w o l f g a n g ( 1 9 9 9 a ) 三维测量和计算结果所发现的流动是在纵向水平面而非 横截面呈现出的二维特征的结论相矛盾；吴耀祖( w u ，1 9 7 t ) 提出了非定常二 维波动板理论，进一步分析了扁平月牙尾鱼类的游动及其优化方式；此后，童秉 纲、庄礼贤和程建字建立了一种半解析、半数值的三维波动板理论( c h e n ge t a l ， 1 9 9 1 ；t o n g e t a l ，1 9 9 3 ；童秉纲和庄礼贤，1 9 9 8 ) ，给出了定量的三维非定常理 论描述，揭示了鱼类外形演化与游动方式之间的形态适应关系，并锝出了在某秘 条件下波状游动能减弱三维效应的结论。最近吴耀祖( w h ，2 0 0 1 a ，b ) 全面评 述了相关的理论研究工作。 在实验工作方面，鱼游的实验研究可以分为活鱼游动观测实验和模型实验， 活鱼游动观测实验包括鱼游运动参数测量和动力学参数测量。早期生物学家用高 速摄影方法对活体鱼运动进行了大量的运动学观察实验( w 曲b ，1 9 8 8 ，g i b b ， 1 9 9 4 ) ；近年来曾理江等( z e n g ，1 9 9 8 ：w a n g ，2 0 0 2 ) 把现代光学测量中的投影 光栅技术和条纹跟踪原理用于鱼的运动学参数测量，定量的获得了各种运动学参 数和鱼体变形数据；到上世纪9 0 年代末，由于数字成像速度仪( d p i v ) 的出现， 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 使得定量测量鱼游周围的速度场成为可能。例如a n d e r s o n ( 1 9 9 6 ) 和m t t l l e r 等 ( 1 9 9 7 ) 认为鱼通过对尾迹涡的控制从而获得较高的推进效率；尹协振研究组( l i c t a l ，2 0 0 2 a , b ) 在水洞中定量测量了活体鱼尾迹的速度场和涡量场，并初步分析 了高效推进的流体力学机理。而模型实验包括模拟整体鱼游动的实验和模拟鱼局 部特征的部件实验。例如m t r i a n t a f y l l o u 研究组( 1 9 9 1 ，1 9 9 3 ) 通过振荡翼型研 究发现当斯德鲁哈尔数( s t ) 在0 2 5 - 0 3 5 之间时，能获得最佳的推进效率；c h e n g 等( 1 9 8 4 ) 研究了有限展弦比机翼的运动，发现当振动频率增加时，三维效应减 弱。 随着计算机科学和计算方法的发展，使得用数值方法研究鱼类运动成为可 能。从上世纪9 0 年代开始，l i u 等( 1 9 9 6 ，1 9 9 7 ) 用n - s 方程模拟了蝌蚪的游 动，并分析了蝌蚪前体对涡流场的影响；r a m a m u r t i 等( 2 0 0 2 ) 数值模拟了隆头 鱼胸鳍拍动过程中形成的流场和作用力；w o l f g a n g 等( 1 9 9 9 ) 和z h u 等( 2 0 0 2 ) 用面元法分析了金枪鱼的游动特征，并研究了尾迹中的旋涡干扰及其旋涡控制； c a r l i n g ( 1 9 9 8 ) 研究了鳗鱼的自由游动，求解了流体动力学和鱼体动力学的耦合 问题。 上述研究工作都是针对鱼类巡游进行的。众所周知，机动能力的强弱在鱼类 物种的选择和进化上起着关键作用，也是仿鱼机器人相对于常规人造航潜器和水 下机器人最主要的优越性之一。正如t r i a n t a f y l l o u 等( 2 0 0 0 ) 在美国流体力学 年鉴上关于鱼游运动力学综合评论所指出的，鱼类游动机理研究的发展趋势已 逐步从巡游的力学机理研究转向机动运动机理的研究。然而迄今为止，人们对鱼 类机动性的研究仍然处于现象观察和定性描述阶段，缺乏定量的实验测量、数值 计算和力学机理分析。有关快速起动的行为学( w a r e ，1 9 7 1 ；n u r s a l l ，1 9 7 3 ； c a n f i e l d & r o s e ，1 9 9 3 ) 、运动学( h a r p e r & b l a k e ，1 9 9 1 ：d o m e n i e i & b l a k e ， 1 9 9 l ，1 9 9 3 a b ；f r i t h & b l a k e ，1 9 9 5 ：w e b be w ，2 0 0 1 ，2 0 0 2 ) 、能量消耗( h a r p e r & b l a k e ，1 9 9 8 ；f r i t h & b l a k e ，1 9 9 5 ：w a k e l i n g & j o h n s t o n ，1 9 9 8 ) 、肌肉组织( j a y n e & l a u d e r ，1 9 9 3 ) 和神经控制系统( f o r e m a n & e a t o n ，1 9 9 3 ；h a l e 。2 0 0 2 ) 等已 经开展了大量的实验研究工作。结果表明，鱼类的加速度、转弯的半径、角度和 速率与鱼的种类、体长、肌肉组织形态及神经控制系统有关。此外，胸鳍在机动 过程中所起的作用也不容忽视( d r u c k e r & l a u d e r ，2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) 。 6 中嗣科学技术大学博士学位论文第一章绪论 已有的活鱼机动运动观测实验( d o m e n i c ie t a l ，1 9 9 7 ) 表明，鱼类在做快 速起动时，根据身体弯曲的形状一般可分为c 型和s 型起动，前者主要为了选 逸，而后者主要为了攻击。w b i l 塔( 1 9 7 3 ) 将快速起动分为了三个阶段，分别为 准备阶段、推进阶段及后续阶段。v i d e l e r ( 1 9 9 3 ) 通过实验观测到，白斑狗鱼是 擅长于加速的鱼类，在s 型快速起动中，几乎沿直线快速加速，通常只维持 1 0 0 - 2 0 0 m s ，h a r p e r 和b l a k e ( 1 9 9 1 ) 根据其加速过程中摆动次数的不同，将s 型起动分为四类，并且发现摆动次数不同，加速的距离也不相同。w e b b ( 1 9 7 8 ) 对七种硬骨鱼快速起动的研究发现它们快速起动的运动是相似的，起动的时间、 最大速度和起动距离都与体长有关，但是加速度与之无关。鱼类c 型快速起动 通常是在水平面中运动的，只有少数鱼类有俯仰、滚转等三维空间的运动 ( d o m e n i c i ，1 9 9 7 ) 。鱼的尺寸与逃逸过程的时间长短无关( d o m e n i c i & b l a k e ， 1 9 9 3 b ) ，但与转弯半径线形相关。 在理论和数值研究方面，w e i h s ( 1 9 7 2 ，1 9 7 3 ) 运用l i g h t h i l l 的准定常大摆 幅细长体理论研究了c 型和s 型起动，估算了作用在身体和鳍上的轴向力和横 侧力，并且发现尾鳍在推力产生中起主要作用；w o l f g a n g 等( 1 9 9 ) 分别用机 器鱼实验和面元法模拟了金枪鱼6 0 0 转弯的过程。研究发现转弯过程中头部和尾 部会形成相反的涡量，相互干扰，尾部摆动所脱落的尾涡在流场中形成有利的局 部射流，从而实现转弯；胡文蓉等( 2 0 0 3 ) 研究了鱼类单向机动游动，即倒退 游动、c 型和s 型快速起动，以及单向自由游动，并运用人工伪压缩方法求解二 维守恒型的非定常不可压缩流动的n s 方程，数值模拟了上述几种机动运动。 总体而言，关于鱼类机动游动的研究尚处于起步阶段，并已引起国际上许多 学者的关注。 1 4 2 仿鱼机器人研究和发展现状 世界上第一条真正意义上的仿鱼机器人是于1 9 9 4 年由美国麻省理工学院的 研究人员通过长时间观察金枪鱼的游动情况研制而成的仿生机器金枪鱼 r o b o t u n a ，此后，随着鱼类推进机理研究的深入和仿生学、机械学、电子学、材 料学及自动控制等机器人技术的新发展，又有许多研究组相继推出自己的仿鱼机 7 中匿科学技术大学博士学位论文第一章绪论 器人，表1 1 给出了仿鱼机器人研究领域里的一些主要的研究项目及成果。 表1 1 仿鱼机器人研究领域中主要的研究项目及成果 国家研究单位研究成果 第一条真正意义的仿鱼机器人r o b o u a t a ( 1 9 9 4 年) r o b o t t m a 改进版p i k e ( 1 9 9 5 年) 麻省理工学院 r o b o t t m a 最高版v c u u v ( 1 9 9 8 年) 拍动翼研究 仿生机器鳗鱼 东北大学海洋科学中心 仿生机器龙虾 美 波士顿大学仿鱼机器人推进建模 加州理工大学仿鱼机器人推进的传感与控制 新墨西哥大学鳗状游动研究( i e m 驱动) u n i v e r s i t yo fi l l i n o i s , u r b a n 盘 国 电子鱼研究项目 c h a m p a i g n u n i v e r s i t y o fc a l i f o r n i a 缸 仿鱼机器人c a l i b o t b e r k e l e y 佛罗里达大学s m a 驱动的微电子仿鱼机器人m e r i f 德州农工大学仿生驱动材料研究 赫尔博士研究组( 军方资助)青蛙活肌肉驱动的仿鱼机器人 人工胸鳍黑鲈 大阪大学k a t o 实验室被动柔性鳍 主动波动缱( f m a s ) 日 微型水下仿胸鳍模式浮游机器人( 压电陶瓷驱动) 名古屋大学 微型身体波动式水下推进器( s m a 驱动) 太 t a k a r a 公司仿鱼机器人，机器水母( 宠物鱼) = 蓦雷t 仿鱼机器人m i t s u b i s h i a n l m a t r o n i c s ( 宠物鱼) 运输省船舶技术研究所 p f - 3 0 0 ，p f - 6 0 0 ，s f p s e 2 0 0 ，p f - 7 0 0 ，u p f - 2 0 0 1 8 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 p f - 2 0 0 ( 上浮厂f 潜) ，p f - 5 5 0 ( 上浮厂f 潜) h e d o t - w a t t 大学f l a p s 项目 英国 e s s e x 大学e s s e x m t 系列 比利 v r i j e 大学 仿鱼机器人智能体研究 时