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文献综述（或调研报告）：
3.1鱼类的游动方式
1926年，Breder根据鱼类推进时使用的身体部位的不同将鱼类运动方式分为：身体/尾鳍推进(Body and/or Caudal Fin propulsion，BCF)模式和中央鳍/对鳍推进(Media and/or Paired Fin propulsion，MPF)模式[1]。
使用背鳍、腹鳍、胸鳍和臀鳍作为推进部位的游动方式称为MPF模式，使用MPF推进的鱼类约有15％。MPF模式在低速情况下具有可保持良好的机动性、稳定性以及较高的游动效率，可以精确地进行六自由度游动、原地不动以及转向等动作，但是其加速效率不高只能中低速游动。BCF模式是大多数的鱼类采用的游动模式为BCF模式，该模式过波动或摆动部分身体和尾鳍的方式，利用涡流将水向身后推射从而利用水对鱼体的反作用力实现推进。高速巡游的情况下，巡航效率大于80％，具有良好的加速和起动性能。研究表明，参与推进的身体部分越多，其机动性越好；参与推进的身体部分体积越小则推进的效率越高、游动速度也越快。有关资料表明游速最快的箭鱼其速度可达110 km/h[2]。
3.2国内研究现状
2006年王龙等[3]研制了一种新型带有胸鳍的仿生机器海豚，如图3-1所示。根据海豚典型的背腹式推进的特点, 提出一种便于工程实现的推进模型。该机器海豚由可动的三部分组成，即头部、弹性软体和可摆动尾叶，通过串联的多关节机构实现背腹式运动, 该机器海豚通过具有两个自由度的胸鳍和转弯机构实现自身的运动。根据以上理论, 制造出机器海豚样机。并且进行相关的实验，实验结果表明背腹式游动推进效果良好，具有一定的机动性。
图3-1带有胸鳍的仿生海豚
2008年姜世平等[4]在海豚背腹式摆动推进方程基础上，利用坐标变换，提出了一种描述海豚尾鳍俯仰－沉浮运动的数学模型，并提出了描述豚尾各运动参数之间关系的方程，利用Matlab对尾鳍的运动规律进行仿真。该模型可用于定性描述运动参数对海豚推进性能的影响，仿真结果表明，该数学模型可定性描述海豚推进性能和尾鳍各运动参数之间的关系，为研究机器海豚尾鳍提供理论依据。
2011年沈飞等[5]以两关节海豚为研究对象，根据绕有限翼展机翼不可压缩流动理论，对尾鳍攻角对海豚推进的影响进行研究，将有限翼理论应用于机器海豚尾翼，并进行流体力学分析，得出了尾鳍攻角变化率与推进力及推进效率之间的关系，假设机器海豚为刚体系统，得出在海豚头部没有垂直摆动的情况下的动力学方程。根据尾鳍攻角变化律得到的动力学方程的迭代求解形式，通过正弦和斜齿波尾鳍攻角变化律的仿真对不同攻角规律下的推进效果进行了验证。仿真结果表明：在速度和推进力方面正弦波的攻角变化效果更好。
2014年汪明等[6]将中枢模式发生器(Central pattern generation, CPG)和振荡器分析建模与机器海豚的关节进行配对，通过中枢发生器单元之间的耦合，提出了机器海豚链式弱耦合CPG运动控制模型，提出了一种控制机器海豚的方法，该方法通过中枢模式发生器产生振荡波形实现运动控制，例如机器海豚直行、变向、沉浮等动作。研制出机器海豚样机并进行测试，实验结果验证了机器海豚中枢模式发生器运动控制方法具有实用性
2018年朱红秀等[7]对鱼类的游动机理、胸鳍运动学原理和MPF(中央鳍/对鳍)推进模式进行分析,研制一种利用二自由度胸鳍推进的仿生机器鱼如图3-2和3-3所示。该机器鱼采用舵机和电磁联合驱动, 仿生机器鱼胸鳍可以实现拍翼运动、摇翼运动及其的复合运动。利用DH参数法建立了驱动机构的运动学模型。利用Adams对仿生机器鱼进行动力学仿真,得到了鱼体位移、胸鳍角速度和角加速度等图像。仿真结果验证了仿生驱动机构的合理性。
图3-2胸鳍二自由度机构 图3-3鱼体与胸鳍连接处
3.3国外研究现状
1994年，美国麻省理工学院成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生机器鱼“RoboTuna”，如图3-4所示。该机器鱼采用BCF推进模式，可在水下连续工作较长时间，其推进效率高达91％。动力部分由6台2*21kW电机驱动，该机器鱼由 2 843个零件组成。其游动速度可达到1．67 BL/s[8]。
图3-4美国麻省理工学院研制的RoboTuna
1996年，日本Kato教授[9]通过观察黑鲈鱼在巡游时两侧胸鳍的运动形式，根据功能仿生的原则成功研制出第一条通过胸鳍实现推进的机器鱼，该机器鱼的胸鳍具有前后摆动和转动二个自由度，在低速情况下，与传统的水下航行器相比该具有更好的机动性和稳定性。2005年，Kato 教授进一步针对MPF模式中波动式及摆动式胸鳍推进机构的流体动力学及其运动控制问题进行了研究。
2005年，英国埃塞克斯大学[10]研制了仿生鲤鱼“fish—G9”，如图3-5所示。其采用BCF推进模式，尾部装有三个伺服电机用于推进，通过直流电机调节重心，利用微型水泵鱼体自身重量实现浮潜，实现了自主三维游动。通过分析鱼体的流体力学规律，实现了对鱼体游动的精确控制，研究者还对机器鱼的直线巡游和C型启动做了相关的研究。该机器鱼体长为0.52 m，最大游速可达1 BL/s，最小转弯半径为0.3BL。
图3-5机器鱼fish—G9
2011年，意大利圣安娜高级学校生物机械研究所研制了一条由多关节构成的仿生七鳃鳗。该机器鱼利用相邻关节内永磁铁磁极之间的磁力进行驱动，并通过磁极方向的规律性变化使鱼体产生的规律性波动。实验表明该驱动方式具有较高的推进效率，其在最佳游动状态下可续航5h。该机器鱼实现自主游动，其搭载了基于双目视觉的视觉导航系统。其总长为0.99 m，在0.6 Hz驱动频率下波长为1.2m，最高游速为0.7BL/s[11]。
2013年，麻省理工学院电气工程与计算机科学系[12]研制了新型气压驱动的仿生机器鱼。机器鱼由一个8g的二氧化碳的高压气罐的进行能源供给，该机器鱼通过高压流体驱动，没有能量形式转换，具有较高的效率。该机器鱼快速加速性能良好和且具有较高的续航能力，研究发现，在逃生响应模式下该机器鱼的运动性能和可控性可与真实鱼类媲美。
3.4现有研究中主要存在的问题
随着智能材料的科学的发展，越来越多的仿生机器鱼的驱动器采用与鱼类肌肉性能类似的智能材料代替机械机构，简化了仿生机器鱼的推进装置，提高了鱼体柔性、降低了游动过程中的噪声，提高了机器鱼的流体力学性能[2]。
高效推进和机动性是研究机器鱼的主要目的，目前国内外研制的机器海豚只能实现简单的跃水。国内外学者对于机器海豚胸鳍的研究较少，现有的仿生胸鳍以功能仿生为主，对运动特征进行了大量简化，推进性能较差。在胸鳍推进机构中单自由度胸鳍居多，也有少部分二自由度推进胸鳍，所提出的推进机构在形态相似方面具有一定局限性，缺乏对机器海豚胸鳍的针对性研究与改进。
参考文献
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[5]沈飞,曹志强,徐德,周超.基于尾鳍攻角的机器海豚推进控制研究[J].华中科技大学学报(自然科学版),2011,39(S2):302-305.
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资料编号：[177393]
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