譚進波，王揚威，顧寶彤，趙東標(biāo)

(南京航空航天大學(xué)，南京210016)

0 引 言

隨著對海洋資源開發(fā)利用的不斷深入，海底勘探作業(yè)、海洋生態(tài)環(huán)境考察以及海洋軍事戰(zhàn)略等領(lǐng)域?qū)ψ灾魉聶C器人(AUV)的要求越來越高。作為自主水下機器人的一個分支，仿生水下機器人隨著水動力學(xué)、仿生學(xué)和自動控制等學(xué)科的發(fā)展及先進制造技術(shù)、智能材料的應(yīng)用，逐漸成為研究的熱點［1－3］。

仿生水下機器人是一類以水生生物為仿生原型，模仿其游動或推進模式而設(shè)計出的能夠?qū)崿F(xiàn)水下交互作業(yè)的機器人［4］，在眾多水生生物中，魚類因其非凡的水下運動能力以及游動時高效、低噪和高機動性的特點倍受各國仿生科研工作者的青睞。近幾十年來，各類性能優(yōu)異的仿生機器魚相繼問世，大大提高了仿生水下機器人的游動效率、機動性和應(yīng)對水下復(fù)雜環(huán)境的能力，充分展示了其廣闊的應(yīng)用前景和潛在價值。仿生機器魚根據(jù)其仿生原型游動方式的不同可分為兩類:身體/尾鰭(body/caudal fin，BCF)推進模式和中央鰭/對鰭(median/paired fin，MPF)推進模式［5］。BCF 推進模式仿生機器魚最早問世，經(jīng)過近二十年的研究發(fā)展，已取得眾多成果。MPF 推進模式仿生機器魚雖然出現(xiàn)較晚，但在低速游動下的推進效率、機動性和穩(wěn)定性較BCF 模式更為出色［6］，更加適應(yīng)水下勘測和偵察作業(yè)，其中鰩科模式(Rajiform)的胸鰭波動推進仿生機器魚具有優(yōu)異的游動性能，已成為仿生機器魚研究領(lǐng)域的新興熱點。近年來，科研人員已對胸鰭波動推進機理進行了相關(guān)研究，并研制出了各類仿生機器魚。

1 胸鰭波動推進模式特征

采用胸鰭波動推進模式游動的水生生物主要有軟骨魚綱中的鰩形目、鲼形目和烏賊等，依據(jù)對生物胸鰭波動運動的游動觀測結(jié)果和理論分析，胸鰭波動推進模式的游動特征可歸納為:

(1)胸鰭圍繞在身體兩側(cè)或周圍，得益于軟骨支撐結(jié)構(gòu)或肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu)，胸鰭能實現(xiàn)柔性的波動運動。

(2)胸鰭波動運動呈近似正弦波的形式，波動運動的幅度、頻率和傳播方向根據(jù)運動方式不同而各異，單側(cè)胸鰭上呈現(xiàn)至少一個完整的推進波。

(3)通過雙側(cè)胸鰭的同步或異步波動配合魚體可實現(xiàn)巡游、起/停、轉(zhuǎn)向及姿態(tài)保持等游動動作［7］，游動動作靈活，機動性高。

(4)巡游時胸鰭波動運動呈整數(shù)個波形，魚體幾乎不產(chǎn)生上下振動，沒有尾鰭擺動魚類的舵首擺動問題，游動穩(wěn)定性好。

胸鰭波動推進水生生物所擁有的這些特征，使得以其為原型的仿生樣機具有推進高效、低速穩(wěn)定和高機動性的特點，同時樣機主體不參與運動，可以降低樣機的結(jié)構(gòu)設(shè)計難度，提高承載能力，還能有效避免游動時身體擺動導(dǎo)致的形滯阻力［8］。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 胸鰭波動推進機理研究現(xiàn)狀

胸鰭的柔性波動運動是游動動力的主要來源，對其推進機理的研究不僅可以揭示此種游動模式高效、高機動的流體力學(xué)機制，還能為仿生機器魚的研制提供簡化的生物學(xué)、運動學(xué)及動力學(xué)模型。推進機理研究主要有理論研究、實驗觀測研究和數(shù)值模擬與仿真三種方法。國內(nèi)外學(xué)者對魚類推進理論開展了大量的研究工作，目前已發(fā)展成熟的波動推進理論根據(jù)其選取的主要作用力的不同可分為僅適用于微小水生生物游動時低雷諾數(shù)情況下的抗力理論和適用于魚類游動時高雷諾數(shù)情況下的作動盤理論、細(xì)長體理論及波動板理論，以上推進理論主要用于BCF 推進模式的運動分析。鰭波動推進模式的理論研究起步較晚，但隨著近年來重視程度的提高，其研究進展迅速。Daniel 通過應(yīng)用非定常翼型理論和葉片元理論對鰩科模式水動力特性進行研究，分析了鰭形狀和波動參數(shù)對推進性能的影響［9］。Lighthill 與Blake 應(yīng)用由細(xì)長體理論(EBT)擴展而來的大擺幅細(xì)長體理論研究了鱗鲀科模式(Balistiform)和裸背鰻科模式(Gymnotiform)魚類柔性長鰭波動的推進性能，試圖揭示波動鰭與魚體之間的相互耦合作用對推進性能的影響［10］。Rahman 等建立了雙波動鰭仿生機器魚模型的六自由度運動學(xué)方程，基于對模型試驗與CFD(Computational fluid dynamics)計算的準(zhǔn)定常假設(shè)，得到了模型運動產(chǎn)生的流體力和力矩的表達式［11］。國內(nèi)的章永華等對仿生機器藍(lán)點魟的胸鰭進行建模，得到了鰭條擺動和鰭面波動的運動學(xué)方程并計算了受到的流體阻力和蒙皮彈性變形阻力，最后采用大擺幅細(xì)長體理論得到了單位長度的鰭面在一定時間內(nèi)運動所產(chǎn)生的平均推力［12］。中科院自動化研究所魏清平等對胸鰭模型的運動提出三點假設(shè)，從而得到了一個運動周期內(nèi)胸鰭波動產(chǎn)生的平均推力的解析表達式，分析表明波動推進力的大小與胸鰭的擺動頻率、幅度及波長、波數(shù)有關(guān)［13］。

實驗觀測研究是分析胸鰭波動推進機理最為直接的手段，分為仿生原型的觀測研究和仿生樣機的水下試驗研究。仿生原型的觀測研究主要通過高速攝影、肌電圖(EMG)和數(shù)字式粒子圖像測速(DPIV)等技術(shù)對仿生對象的形態(tài)學(xué)、生理學(xué)、運動學(xué)參數(shù)進行測量，研究這些參數(shù)與波動推進性能之間的關(guān)系。1999 年，Rosenberger 等采用攝影技術(shù)和EMG 技術(shù)對不同游動速度下藍(lán)點魟的胸鰭運動模式和胸鰭肌肉驅(qū)動模式進行研究，研究表明胸鰭的波動運動是由背部和腹部肌肉交替活動產(chǎn)生;隨著藍(lán)點魟游速的增大，胸鰭波動頻率、波速、波長及胸鰭肌肉活動的占空比均增加，而波幅和肌肉活動持續(xù)時間保持不變［14］。Blevins 和Lauder 通過三臺高速攝像機獲取淡水魟魚在不同游速下胸鰭波動曲面的精確數(shù)據(jù)，首次對魟魚波動胸鰭進行了三維運動分析，分析顯示淡水魟魚的游速主要由胸鰭波動頻率和波速決定，波幅只起到次要作用［15］。隨后他們又使用DPIV 技術(shù)研究了地面效應(yīng)對波動鰭推進性能的影響［16］。仿生樣機的水下試驗研究是通過測試平臺對樣機的水下游動進行測試，分析胸鰭波動參數(shù)對推進性能的影響。荷蘭代爾伏特理工大學(xué)的研究小組為研究胸鰭擺幅、頻率和波數(shù)對推進力的影響，對仿生胸鰭模型進行了水下推進測試，試驗結(jié)果顯示推進力隨波幅、波頻的增加而顯著增加，而隨波數(shù)增加的趨勢不明顯［17］。章永華等對仿生藍(lán)點魟胸鰭模型進行了試驗，分析在波幅逐漸增大和等波幅兩種胸鰭波動模式下，擺動頻率、幅度和波長的變化對推進力的影響，并對兩種波動模式的推進性能進行了比較［18］。魏清平等對雙波動鰭仿生機器魚樣機進行了單側(cè)胸鰭的推力試驗和整體樣機的游動試驗，測量了直線游動速度和轉(zhuǎn)動角速度隨波動頻率的變化，同時結(jié)合運動學(xué)和水動力學(xué)模型分析了波動參數(shù)與游動性能之間的關(guān)系［13］。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)值計算方法和流體仿真軟件的成熟，計算流體力學(xué)(CFD)得到了廣泛的應(yīng)用，CFD 數(shù)值模擬與仿真也成為研究魚類游動水動力學(xué)的有效方法。通過對胸鰭波動的流場控制方程進行數(shù)值計算，獲取流場內(nèi)各個位置上基本物理量(如速度、壓力等)和渦流的分布特性，確定這些量隨時間的變化情況，可以幫助揭示胸鰭波動推進模式的水動力學(xué)機制［19］。日本大阪大學(xué)的研究小組一直致力于使用CFD 方法研究仿生波動鰭的流體動力學(xué)，他們通過對雙波動鰭仿生樣機胸鰭周圍的流場進行計算機數(shù)值分析，建立起波動側(cè)鰭的主要運動參數(shù)與水動力之間的簡單關(guān)系，其分析結(jié)果與樣機的試驗測量結(jié)果一致［20］。章永華等對仿生波動胸鰭模型進行了大量的數(shù)值研究，他們分別對不同運動參數(shù)、波動模式和鰭面形狀下的波動鰭進行數(shù)值計算，分析它們對推進性能的影響，還研究了波動過程中的流場特性和尾跡渦結(jié)構(gòu)，試圖從渦動力學(xué)角度分析推力產(chǎn)生的機理［7，18，21］。陳維山等利用Fluent 軟件仿真實現(xiàn)了仿鰩魚機器人的自主游動，研究了鰩魚游動時與周圍流場的相互作用并定量分析了波動參數(shù)對游動性能的影響［22］。

2.2 胸鰭波動推進仿生機器魚樣機研制現(xiàn)狀

國內(nèi)外胸鰭波動推進仿生機器魚的研制雖然起步較晚，但隨著對胸鰭波動推進機理的逐步探索以及仿生技術(shù)、先進制造技術(shù)和控制技術(shù)的成熟，仿生機器魚樣機的研制已取得眾多成果。

2002 年，加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)的研究小組對鰩科模式(Rajiform)在水下推進器領(lǐng)域的應(yīng)用進行了初步探索和嘗試。他們以小尾燕魟為原型研制了仿生胸鰭模型［23］，如圖1(a)所示。仿生胸鰭使用形狀記憶合金(Shape memory alloy，SMA)絲作為鰭面的線性驅(qū)動器，能夠產(chǎn)生期望的靜態(tài)波形，但由于SMA 絲的安裝等問題，難以獲得理想的動態(tài)變形，胸鰭模型的游動試驗結(jié)果顯示其無法產(chǎn)生足夠?qū)崿F(xiàn)自驅(qū)動的推進力。

日本大阪大學(xué)的研究人員為研究環(huán)境擾動小、推進效率高的AUV，先后研制了四代仿烏賊雙波動鰭水下機器人，目前用于試驗的是2009 年研制的第四代樣機［11，24］，如圖1(b)所示。第四代仿生樣機的側(cè)鰭由17 個伺服電機驅(qū)動，通過伺服控制器控制胸鰭的波動運動，樣機能產(chǎn)生6 自由度運動，可自由航行和偏轉(zhuǎn)且對流體的擾動很小。通過采用無線局域網(wǎng)通信技術(shù)和三向重力中心調(diào)整系統(tǒng)，解決了前一代樣機通訊距離短及垂直重力中心調(diào)整存在局限的問題，增加了運動范圍，提升了游動靈活性。

圖1 加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)和日本大阪大學(xué)研制的仿生機器魚樣機

2005 年，新加坡南洋理工大學(xué)K. H. Low 等人采用模塊化的概念研制了一款雙鰭波動仿生機器魚［25］，如圖2(a)所示。其單側(cè)胸鰭可分為10 個鰭單元，每個鰭單元采用一臺伺服電機在鰭條基部產(chǎn)生一個自由度的轉(zhuǎn)動，連接于其上的曲柄作為鰭條，相鄰鰭單元之間由柔性鰭膜通過滑塊連接。通過控制伺服電機，使相鄰的鰭條按一定的相位差擺動，從而在仿生胸鰭上產(chǎn)生不同波速、波幅及波數(shù)的類正弦波波形，水箱試驗顯示樣機能實現(xiàn)20 cm/s 的最大游速。

日本名古屋大學(xué)的研究人員于2006 年研制了一款采用人工肌肉IPMC (Ionic polymer－metal composite)作為驅(qū)動器的仿鰩科模式機器魚［26］，如圖2(b)所示。機器魚的主體采用塑料泡沫制作，內(nèi)置控制器、放大器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和鋰電池。單側(cè)胸鰭由8 根IPMC 和一層聚乙烯薄膜組成，鰭長75 mm，寬45 mm。通過在不同的控制參數(shù)下對胸鰭進行游動試驗，測得其最大推進速度為18.1 mm/s。

圖2 新加坡南洋理工大學(xué)和日本名古屋大學(xué)研制仿生機器魚樣機

荷蘭代爾伏特理工大學(xué)的研究小組于2009 年研制出了胸鰭波動仿生水下機器人Galatea［17］，如圖3(a)所示。Galatea 的殼體基于Wortmann FX 71－L－150/20 翼型設(shè)計，兩側(cè)各裝有17 個伺服電機，通過帶動鰭條擺動形成推進波，結(jié)合安裝于機體尾部兩塊副翼的上下擺動，Galatea 可以實現(xiàn)前進、后退、俯仰、回轉(zhuǎn)、繞垂直軸偏轉(zhuǎn)及懸停等機動動作。

2010 年，麻省理工學(xué)院(MIT)研制了擁有柔性機體的仿魟魚水下機器人［27］，如圖3(b)所示。通過參數(shù)化魟魚的運動，提出簡化的胸鰭驅(qū)動設(shè)計方法:胸鰭采用柔性材料制作，僅在其前端對稱安裝兩根鰭條并由伺服電機驅(qū)動，身體中央安裝用于控制沉浮的浮力箱。兩款樣機外形均模仿魟魚，體長為0.225 m，圖3(b)中左側(cè)樣機的胸鰭采用單一的硅橡膠制作，右側(cè)的則由兩種不同的硅橡膠制成。游動試驗結(jié)果顯示右側(cè)樣機的游動性能更好，在胸鰭擺動頻率為2.5 Hz 時，最大游速能達到0.37 BL/s(每秒游過的體長倍數(shù))。

圖3 荷蘭代爾伏特理工大學(xué)和麻省理工學(xué)院研制的仿生機器魚樣機

國內(nèi)也相繼研制出多種胸鰭波動推進仿生機器魚樣機。2009 年，中科院自動化研究所研制了一臺雙波動鰭推進仿生機器魚［13，28］，如圖4(a)所示。雙側(cè)胸鰭由均布的10 根鰭條和彈性薄膜組成，驅(qū)動器采用伺服電機，控制系統(tǒng)基于FPGA。通過對機器魚運動控制策略進行設(shè)計，實現(xiàn)了樣機不同的游動動作。水池試驗顯示其能完成前進、后退、旋轉(zhuǎn)和側(cè)向游動四種基本動作，當(dāng)鰭條擺動頻率為2.2 Hz時，最大游速能達到0.37 m/s。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)章永華等人基于仿生對象藍(lán)點魟的形態(tài)學(xué)、生理學(xué)及運動學(xué)特征研制了仿生機器藍(lán)點魟［7，12］如圖4(b)所示。仿生藍(lán)點魟由8 對模塊化的鰭條單元、固定底板、安裝盒和重心調(diào)節(jié)機構(gòu)組成。對仿生藍(lán)點魟的機動性和穩(wěn)定性游動試驗表明其轉(zhuǎn)彎半徑很小，機動性高;游動的旋轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角波動不大，穩(wěn)定性好。

圖4 中科院自動化研究所和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的仿生機器魚樣機

2008 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)王振龍等人研制了仿烏賊鰭水下推進器［29］，如圖5(a)所示。仿生推進器采用由5 對SMA 絲驅(qū)動的柔性鰭單元模擬烏賊胸鰭的肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu)。游動試驗顯示胸鰭能夠?qū)崿F(xiàn)柔性的動作，最大游速達到了40 mm/s，最大轉(zhuǎn)向速度能達到22 (°)/s。隨后又研制了一款采用鰭波動推進和噴射推進復(fù)合運動方式的仿生墨魚水下機器人［30－31］，如圖5(b)所示。其波動胸鰭同樣采用SMA 絲驅(qū)動，噴射推進則由仿生外套膜的柔性擴張和收縮實現(xiàn)。游動試驗顯示樣機能實現(xiàn)前進、后退和原地轉(zhuǎn)彎等機動性動作，鰭波動推進的最高游速可達25 mm/s，旋轉(zhuǎn)游動速度可達9 (°)/s;噴射推進的最大速度能達到35 mm/s。

圖5 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的仿生機器魚樣機

3 胸鰭波動推進仿生機器魚研究的關(guān)鍵技術(shù)

(1)胸鰭波動推進機理研究

胸鰭波動推進機理的研究能夠揭示其高效高機動的流體動力學(xué)機制，為仿生機器魚的系統(tǒng)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。胸鰭波動推進理論在對波動游動過程做出假設(shè)的基礎(chǔ)上建立波動運動學(xué)和水動力學(xué)模型，可用于分析波動運動與流體力之間的關(guān)系。實驗觀測研究不僅能分析胸鰭生理學(xué)、運動學(xué)等參數(shù)對波動推進性能的影響，還能為理論推導(dǎo)結(jié)果提供驗證，為仿生機器魚樣機的設(shè)計提供實驗數(shù)據(jù)。CFD 數(shù)值模擬與仿真技術(shù)可以揭示波動運動的流場特性和尾跡渦街的分布情況，也能對仿生機器魚樣機設(shè)計進行優(yōu)化。以上三種研究方法均有各自的優(yōu)點，因此，通過將這三種方法巧妙地結(jié)合，系統(tǒng)地開展胸鰭波動推進機理的研究，能夠起到相互補充、相互驗證的作用，為胸鰭波動推進仿生機器魚的研制提供指導(dǎo)。

(2)仿生柔性胸鰭及機器魚結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前，胸鰭波動推進仿生機器魚胸鰭的設(shè)計主要基于“結(jié)構(gòu)仿生”思想，大多采用剛性骨架和柔性鰭膜模擬仿生原型胸鰭的組成，但仿生胸鰭的剛性結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)鰭面的復(fù)雜運動變形，胸鰭波動動作的柔性及推進性能與仿生原型仍有一定差距。因此，合理選擇仿生胸鰭鰭條的數(shù)量、材料、長度、沿機體的分布以及鰭膜的材料和形狀，可以有效提升胸鰭波動柔性及樣機整體的游動性能。

胸鰭波動仿生機器魚的主體設(shè)計包括主體外形設(shè)計和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。流線型的主體能夠極大提升機器魚水下游動性能，提高游動速度;合理的機體內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以提高機器魚的防水耐壓性能，增加載重量，因此，利用流體仿真軟件對仿生機器魚外形進行優(yōu)化設(shè)計以及對樣機內(nèi)部進行合理布置是胸鰭波動仿生機器魚能夠?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

(3)多游動模式融合推進技術(shù)

已研制的胸鰭波動仿生機器魚具有較高的機動性和穩(wěn)定性，但樣機整體的推進速度較低。因此，通過采用多游動模式融合推進技術(shù)，在胸鰭波動推進的基礎(chǔ)上融合尾鰭或噴射等推進技術(shù)，合理地配置各個推進技術(shù)的使用，可以使機器魚兼具機動性與快速性。研究不同推進模式之間的耦合作用，將為兼具高速、高效、高機動性的多游動模式融合推進技術(shù)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

(4)驅(qū)動及控制技術(shù)

現(xiàn)有的胸鰭波動仿生機器魚多采用機電驅(qū)動系統(tǒng)，以伺服電機作為鰭條驅(qū)動器，但傳動機構(gòu)較復(fù)雜，效率低、噪聲大，而使用智能材料作為胸鰭驅(qū)動器可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提升動作柔性，是未來驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展方向。良好的運動控制是仿生機器魚進行水下作業(yè)的前提和保障，面對復(fù)雜、動態(tài)的水下環(huán)境，機器魚必須能夠及時改變波動運動參數(shù)，調(diào)整姿態(tài)，躲避障礙物。通過采用先進的仿生控制技術(shù)如CPG(Central pattern generator)生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，實現(xiàn)胸鰭的節(jié)律運動，同時結(jié)合外部反饋信息對機器魚的姿態(tài)和運動進行控制，具有比傳統(tǒng)控制方法更好的柔性、實時性和適應(yīng)性。

(5)電源供給與通訊技術(shù)

電源供給和通訊是制約仿生機器魚作業(yè)時長和距離的關(guān)鍵因素。通過提升電池性能，降低機器魚能耗以提升續(xù)航時間，同時研究太陽能、潮汐能等新能源技術(shù)以尋求能源持續(xù)供給的可能。先進的通訊技術(shù)如無線局域網(wǎng)技術(shù)的使用可以增加機器魚的活動范圍，但要面向?qū)嶋H的應(yīng)用，需要開發(fā)出通訊范圍更廣、實時性更高的通訊技術(shù)。

4 結(jié) 語

胸鰭波動推進仿生機器魚的游動具有高效、高機動性和穩(wěn)定性的特點，逐漸成為仿生機器魚領(lǐng)域新的重要研究方向。目前，國內(nèi)外科研人員采用理論研究、實驗觀測研究和數(shù)值模擬仿真的方法開展了胸鰭波動推進機理的研究，為胸鰭波動仿生機器魚的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)，國內(nèi)外也涌現(xiàn)了一批胸鰭波動推進仿生機器魚。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，這一推進模式仿生機器魚的機體結(jié)構(gòu)將趨于合理，流體載荷分布將更加均衡，運動參數(shù)控制也更為靈活，在海洋及河流水質(zhì)監(jiān)測、船舶水下檢測與維修、水下軍事偵察等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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