关键词：仿生鱼；尾鳍推进方式；结构设计；控制系统；水下调试
Abstract：With the progress of science and technology, people's eyes have gradually turned to the vast and boundless sea. Biomimetic robotic fish have important application prospects in ocean exploration, life rescue, military, and other fields. This article designs a biomimetic robotic fish that combines the toothed tail fin propulsion mode with the maneuvering mode. Firstly, the research background and significance, current research status at home and abroad, and the development trend of biomimetic fish are analyzed; Secondly, the overall structural design of the biomimetic robotic fish is carried out, including fish head design, fish tail design, tail fin design, motor selection, counterweight calculation, floating and diving design, sealing treatment, etc; Moreover, the mechanical structure design of the biomimetic robotic fish is carried out, mainly focusing on the design and verification of the gear mechanism structure; Finally, the design of the bionic mechanical fish control system is carried out, as well as the underwater debugging analysis of the bionic fish. The biomimetic robotic fish designed in this article has advantages such as high movement efficiency, good mobility, and good flexibility, and has broad application prospects in fields such as water pollution monitoring, water quality detection, terrain and geomorphology detection, and marine biological observation.
Key words: biomimetic fish; Tail fin propulsion method; Structural design; Control system; Underwater debugging
1 绪论
1.1 研究背景及意义
地球表面是由大陆和海洋组成的，大约有3亿6千万平方公里，占了整个星球的百分之七十一。神秘的海底世界，是所有人都梦寐以求的东西，到目前为止，人类对海洋的了解还不到百分之五。深海中蕴藏着大量未知的能量，随着地球上的资源越来越匮乏，所有人都将目光投向了大海。水下机器人帮助人们完成了对大海的探险梦想，因此对其进行研发和设计，也就成了众多科研人员关注的焦点[1]。
目前，广泛使用的无人潜水器可划分为遥控式水下航潜器和自主式水下航潜器两大类。已有的水下航潜器多以液压电机或电磁电机为动力源，通过推进器、叶轮等方式实现水下作业，但存在体积大、推进效率低、功率消耗大、噪声大、瞬时响应不灵敏等问题。该技术在狭窄、复杂、要求精细作业的苛刻条件下难以发挥作用。同时，人们对水下特种区域的勘探和开采需求也越来越高，因此研究人员开始寻找一种具有高效、高机动性，能够适应复杂水下作业，并且不会受到水环境的干扰的新型水下航潜器。近几年，伴随着现代电脑科技的迅猛发展，电脑科技以爆炸性的速度向各行各业蔓延，嵌入式系统、智能控制、人工智能等被引入到机器人控制中，使得新一代机器人的研究更加具有创新性，应用范围也更加广泛。科学与技术创新的源泉在于对自然界的观察与模拟。今天的天地万物，都是经历了数亿年的适应、演化和完善，以其优越的结构特征，运动形态，高适应能力，为人类开拓了广阔的天地；陆地和海洋为我们提供了一个新的视角，而仿生学正是根据这个特性来研究生物体的结构特征和运动规律之间的关系。计算机人工智能、嵌入式系统和机器人技术与仿生学相结合，是一种新型的仿生学方法，为今后开展仿生学研究奠定了基础。与其它的水下机器设备相比，仿生机械鱼具备如下几个特征[2-3]：
（1）运动推进效率高。鱼类主要依靠身体摆动和鱼鳍的协同作用来完成游动，而仿生机器鱼则是通过模拟鱼类的游动方式来实现推进。鱼类的推进效率可达到85%，而推进器只能达到60%以下，因此，仿生机器鱼充分利用了鱼类的这一特点，可以降低能耗，提高续航里程，延长作业时间。
（2）机动性能优越。与其它的水下推进装置相比，仿生机器鱼可以实现快速的起动、前进、潜浮和转弯。目前常用的水下航行器转向速度较慢，转弯半径较大，特别是在高速运动状态下，更是难以实现。然而，仿生机器鱼的回转半径只有自身体长的10%-30%，且在高速运动中不需要减速就能实现快速转弯，这一特点使其能轻松适应复杂的水下环境，适用范围更广。
（3）尺寸小，结构简单。仿生机器鱼是一种类似于鱼类的生物，具有类似于鱼类的特征，其体积远小于常规潜水器，可使其小型化和精简化。
（4）噪声小、隐蔽性好。仿生机器鱼在运动过程中只需要摇动尾鳍就能完成游动，且不受外界干扰的影响。通过优良的机械结构与运动控制，使其接近于真实的鱼类，具有很好的隐蔽性。
机器人已用于星际探测，核辐射探测，军事侦察，生活服务，医疗保健，资源开发等领域。水下航行器是一种应用于生活娱乐，水下目标探测，军事侦察的机器人。水下的环境很复杂，充满了未知和危险，除了潜水的深度有限制之外，还会给人带来巨大的压力。利用水下航行器可以避免上述问题，小型水下机器人能够在狭窄的水域中进行作业，其机动性强，能够像移动物联网一样，携带多种传感器，直接采集和存储数据，还可以通过自己的控制核的功能对本地的数据进行分析判定。
尽管很多科研人员和各行各业的学者都在机器鱼上进行了很多研究，也获得了很多结果，但这些机器鱼距离真正的鱼还是有很大的距离，有必要对整个机构进行深入研究[4]。仿生机械鱼的设计涉及到仿生技术，机械结构设计，以及实际零件的选取，这是一个多学科、多领域的综合研究，也是对自己的工程实践能力的一种体现。本文主要研究了目前的仿生学技术，进行仿生机器鱼设计研究。在实际应用方面，与其他类型的机器鱼相比，该领域的研究才刚刚开始，存在相关的技术尚不完善，研究费用高，普适性差，设计周期长，可靠性差等问题[5]。但是，与传统的水下机器人相比，仿生机械鱼的发展优势更大。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 国内外研究现状
目前，国内外学者在基于智能材料的仿生鱼类方面开展了一系列研究，其中以形状记忆合金丝、压电材料、电活性高分子材料为主要材料，制备出多种类型的仿生机器鱼。根据其驱动方式的不同，现有的驱动模式有两种[6-7]：一种是利用鱼身和尾鳍进行游动，另一种是利用背鳍、胸鳍等进行游动。针对上述两种推进方式，分别对其进行了不同驱动模式的仿生机器鱼设计。
Chen Zheng等[8]采用以EA材料设计了一种新型的微型仿生机械鱼，并以 IPMC为基础，利用离子型 EAP 材料，研制出一种柔性鱼尾，并对鱼身结构和鱼鳍结构进行设计，见图1-1。利用 IPMC驱动刚性鱼尾，以鱼身和鱼尾长度wei 200mm，体宽57mm，总重量290g，对其进行3.3 V、1 Hz的激励电压，其游进速度可以达到20mm/s。
Nguyen Q S等[9]针对金枪鱼的特点，采用PZT为主要原料，设计了一种具有铰链传动系统的仿生金枪鱼，见图 1-2 所示。仿生金枪鱼长度为260mm，宽度为120mm，当驱动电压为250V、驱动频率为3.9Hz，仿生鱼的性能最佳，游进速度为78mm/s，推进力为0.0072N。
Rossi C等[10]以形状记忆合金（SMA）为主要原料设计一种仿生机器鱼，见图1-3所示，结合部分金属，以聚碳酸脂制作鱼身骨架，通过对其进行适当的拉伸，实现对鱼体结构的有效承载。仿鱼体长度为30cm，当 SMA丝的收缩量为6%时，可以实现36度的横向摇摆，0.5 Hz时可以实现300 mm/s的最大游动速度。
Shintake J等[11]以EAP材料设计出一种微型机器鱼，见图1-4所示。仿生鱼长度150mm，宽度0.75mm，重量4.4g。当驱动电压为5kV、驱动频率为0.75Hz，仿生鱼的性能最佳，游进速度为37.2 mm/s。
高飞[12]设计了一种基于形状记忆合金（SMA）的新型仿生机器鱼，见图 1-5 所示。仿生鱼长度210mm，重量169g。当驱动电压为7.4kV、驱动频率为1Hz时，仿生鱼的性能最佳，游进速度为140 mm/s，最小转弯半径为 500mm。
李铁风[13]采用EAP 材料、 DE 薄膜和柔性橡胶设计一种仿生机械鱼，见图1-6所示。驱动电压为9.5kV、驱动频率为5Hz时，仿生鱼的性能最佳，游进速度为64 mm/s。
夏期荣等[14]采用SMA 材料设计了一种柔性鱼尾的仿生机械鱼，设计了一种新型的基于形状记忆合金（SMA）的柔性尾鳍，在其尾部两侧分别设置4个可独立控制的形状记忆合金细丝，通过对各个形状记忆合金丝线施加不同频率的电压，从而达到对鱼尾摆动的精准控制，见图 1-7所示。仿生机械鱼长度280mm，重量205g。驱动电压为2.25Hz时，仿生鱼的性能最佳，游进速度为102 mm/s。
穆丽丽等[15]采用EAP 材料，在DE技术的基础上设计了一种仿生机械鱼，见图1-8所示。新型仿生机器鱼利用胸鳍摆动驱动，通过调节驱动信号的幅值和频率，来提高仿生机械鱼的推进力。当胸鳍初始角度为 60°，驱动电压为4.5kV，驱动频率为2Hz，胸鳍摆动幅值为 45°时，仿生鱼的性能最佳，游进速度为33 mm/s。
刘世琦[16]采用压电驱动器设计了一种双尾鳍式微型仿生机器鱼，见图1-所示。仿生机械鱼长度6cm，宽度2.8cm，重量1.93g。当驱动电压为130V、驱动频率为4Hz时，仿生鱼的性能最佳，游进速度为450mm/s。
总结上述研究成果，可以看出，由智能材料驱动的仿生机器鱼大致可以划分为三类：SMA 驱动、PZT 驱动和 EAP驱动。以形状记忆合金为基础的仿生机器鱼，驱动电压更低，输出功率更高，但存在着工作频率低、响应时间长等问题。采用 EAP材料制成的仿生机器鱼，其输出功率大、反应迅速，但存在驱动电压过高的问题。本文基于鱼类的游泳模式与机理，借鉴国内外众多仿生学机械鱼、水下航行器等技术，设计并开发了一种具有自主升降功能的仿生机器鱼；完成了鱼体的机械结构和电子电路的设计。
1.2.2 仿生鱼发展趋势
仿生机器鱼控制系统涉及到计算机科学，人工智能，机械机构，鱼类形状，仿生学，流体力学等[17]。也正因为它所涉及的领域太过广泛，所以蕴含着无穷无尽的潜力。目前，在仿生机器鱼领域存在的主要问题及研究方向有以下几个方面[18-20]：
（1）机器鱼的运动控制研究。鱼的高效率游泳，除了得益于其优越的形体结构外，还得益于其对鱼类及不同种类的鱼鳍的出色操控，以及对外界扰动环境的实时识别与应对。鱼类的高效游动不仅来源于其优越的身体形态，更来源其对于鱼体以及各类鱼鳍的优越控制、对周围干扰环境的实时判别和处理应对。仿生机器鱼以速度环和方向环为控制对象，研究其算法控制方法，使其更具真实感和智能化。仿生机器鱼利用 GPS技术对其进行精确跟踪，并对仿生机器鱼进行跟踪。针对仿生机器鱼具有上下潜的三维运动特性，将其复杂的动作控制转换成可执行的三维轨迹是其关键所在。在一些特定的情况下，仿生机器鱼需要多个群体的协同控制。如何有效、协同地应对鱼群运动、环境干扰、水动力模型分析也是一个很有价值的课题。
（2）机器鱼的推进模式理论模型研究。每一种鱼的体型都不一样，它们的运动发力点也不一样，仿生机械鱼的推进模式有两种。鱼体和尾鳍配合推进，这种推进方式是通过鱼体的摆动和尾鳍的摆动来完成。中间鳍或对鳍推进推进，利用胸鳍、腹鳍、背鳍等为主要推进力。通过对鱼类运动动力学、水动力学和涡旋涡的研究，对各种机器鱼的推进机理进行研究。
（3）机器鱼机械结构设计。仿生机器鱼是以各种鱼类为原型，根据其不同的运动驱动方式，设计出不同的机械结构。仿生机器鱼单纯的机械协作方式不能实现对鱼类的天然运动和模拟，多个机械装置的协同可以增强对鱼类的真实感和灵活性，但同时也增加了操控的复杂度，增加了游动姿态混乱的可能性。因此，选择合适的仿生物体，并依据其运动规律来进行机构和材料的选择，也是该领域的一个重要研究课题。
1.3 主要设计内容
本文设计了一种以牙尾鳍推进模式与机动方式相结合的仿生机械鱼，主要设计内容包括：
（1）分析了研究背景及意义、国内外研究现状，以及仿生鱼的发展趋势；
（2）进行仿生机械鱼总体结构设计，包括鱼头设计、鱼尾设计、尾鳍设计、电机选型、配重块计算、上浮下潜设计、密封处理等；
（3）进行仿生机械鱼机械结构设计，主要进行了齿轮机构结构设计与校核；
（4）进行仿生机械鱼控制系统设计，以及进行了仿生鱼水下调试分析。
2 仿生机械鱼机构设计
2.1 仿生机器鱼的运动学描述
2.1.1 鱼鳍的分类及作用
鱼类具有波状运动和尾鳍摆动推进两种类型，本设计采用尾鳍摆动式推进方式，具有较高的推进效率，该推进方式具有结构紧凑、传动效率高等特点。鱼推进方式见图2-1所示。
不同种类的鱼，尾鳍形态各不相同，如金枪鱼的尾鳍多为新月形，鳗鱼、孔雀鱼、地图鱼等的尾鳍多为圆形，鳕鱼、六棱鱼等的尾鳍略呈凹陷状形，鲫鱼、叉尾斗鱼、七星底灯鱼等的尾鳍为叉形。本文设计的仿生鱼的尾鳍为叉形，由于其展弦比较大，所能提供的推力较理想。
2.1.2 鱼鳍推动机理分析
当鱼的尾鳍做周期性的摆动时，其尾部会出现两排反向旋转的旋涡，这就是所谓的反卡门涡街。近年来，国内外学者采用 DPIV技术，开展了鱼体周边流场特征的研究，结果表明，鱼体涡街交错形成的喷流是其特有的流场特征。反卡门涡街是一种以反向射流为推动力的水流，反卡门涡街效应是鱼运动所需的七成推力。反卡门涡街产生过程见图2-2所示。一般情况下，鱼鳍的速度和冲击力越大，涡流强度也越大。
2.3 鱼类推进方式分类
大部分的鱼采用波动或摆动推进方式，当鱼类游动时，全身都会出现波状起伏的正弦波。摆动推进方式就是身体某一部位出现了很大的波动，通常情况下，鱼尾会围绕某一点进行摆动。摆动推进方式主要包括以下两类：
（1）BCF（Body and Caudal Fin）推进方式采用的是身躯与尾鳍共同推动，该方式在尾巴后形成旋涡，尾部在摇摆过程中会形成旋涡，尾部摆动则会对鱼尾产生一股反作用力，使其成为推动力。在 BCF模式下，鱼类通过尾部1/3的尾鳍来提供前进或转向的动力，这种方式可以提高自己的速度，也可以提高推进效率。像是鳗鱼、水蛇之类的生物，它们是通过全身的摆动来进行移动的，尾巴的摆动相对较少，整体的动作呈正弦波。在此方式下，移动效率更高，在每一位置上所需的能量也是最少的。马林鱼、鲇鱼、静鱼等鱼采用鲔行式的推进方式，这是一种很普遍的动作，因为尾部展弦很长，所以它的推进速度很快。
（2）MPF（Median and Paired Fin）推进方式采用中间鳍和对鳍进行推进游动，该方式具有换向灵活、身体控制好、对爆发力要求低等特点，适用于低速，高灵活的应用场合。不过缺点也很明显，那就是效率太低，速度太慢。这样的推进方式虽然不能成为鱼的主要运动方式，但却可以用来作为一种辅助动力，与其他推进方式搭配。
BCF是一种高效、快速的推进方式，但单一的方式并不能满足鱼类的需求。多种推进方式协同工作可以获得较好的推进性能，比如在低转速时进行灵活机动的转向，在静止状态下保持并精细调节自己在水下的姿态。
2.2 仿生机器鱼本体设计
2.2.1 鱼头设计
鱼头部分的设计主要包含以下几个方面：
（1）单片机、电池和各种传感器等控制电路都要储存在鱼头内部，所以要注意防水密封，防止水进入，同时也要便于安装。
（2）配重块位置。在头部的内侧，也就是底部，必须放置配重块，这样才能在水中悬浮，而不会侧翻。
（3）鱼头外形要尽可能接近真实的鱼类，同时要保持流线型，以减小水中的摩擦阻力。
本文设计的鱼头部分包括整个头部、背鳍和腹鳍，见图2-3所示。根据水动力学原理，鱼头为流线型，表面光滑，能够有效地降低水下的摩擦阻力。截面形状为椭圆形，上、下窄，中部宽。因为重心较低，所以整体稳定性更好，所以为了方便地在头部下方增加配重块，采用了椭圆形的结构，这样可以降低重心，防止侧翻，同时也可以保证机器鱼在水中的平稳性。鱼头左右两侧是对称的，这样可以防止鱼在水中左右倾斜。鱼头后面有三个格子，最上方是单片机和电路，中间是电池，最下方是配重块，确保整个身体的重心位于下侧。鱼头顶处的背鳍与最下端的腹鳍共同维持身体的平衡，背部与腹部各有一小孔，可将头部四个部位固定。
2.2.2 鱼尾设计
针对机械鱼的身体结构，提出了一种利用180°全金属驱动的180°舵机串联连接的方法，使其可以向左、向右转动，最大摆幅可以达到90°，利用两关节高自由度的舵机，可以进行更灵活的角度摆动控制。由于仿生机器鱼的体积比较大，所使用的舵机扭矩也比较大，并且必须要完全暴露在水面上，因此采用全防水180度可调全金属舵机。躯干部分与鱼头及尾鳍的连接如图2-4所示。两节操舵装置分别与两节 U形托架相连。在鱼头的尾部，有四个3毫米的小孔，用螺丝固定在第一节的 U形支架上，而另外一根 U形支架则用螺丝固定在第二节的 U形支架上，而第二节的 U形支架则用螺丝固定在尾鳍上。为使其更接近于现实中的鱼身形态，并能较好地对舵机进行保护，两节舵机分别外包裹上一部分鱼体。
2.2.3 尾鳍设计
为了适应水中的复杂变化，鱼类在演化过程中形成了多种尾鳍，其形状大致可分为：圆形，新月形，叉形，微凹形；其中，新月形和叉形的鱼类的游动速度更快，巡航时间更长，而微凹形的鱼速度更慢，巡航时间更短。本文设计的仿生鱼的尾鳍采用新月形，尾鳍作为仿生机器鱼的动力源泉，与其运动性能密切相关。尾鳍设计计算公式如下：
（2-1）式中： R-展弦比；
θ-后掠角；
b-尾鳍展开宽度； S-尾鳍面积。
当尾鳍面积一定时，展弦比、尾鳍展开宽度越大，尾鳍产生的推力就越大。本文仿生机械鱼的设计参数如下：b=261mm ，S=11432mm2 ，R=4.96 , θ=4.970。仿生机械鱼外形设计参数见图2-5所示。
2.3 电机选型
2.3.1 驱动器选择
对以上的仿生机理进行抽象与简化，发现仿生机器鱼只需两个驱动器来驱动尾鳍和胸鳍；从而达到“摆动推进模式”的运动效果。由于尾鳍是最大的动力来源，因此选择驱动器是关键，要选用适当的驱动器，就必须对各类驱动方式的优缺点进行对比，见表2-1所示。
从表2-1可以看出，传统的驱动方式是较为成熟的，其驱动力相对较大，并且游动速度较高。在三种常规驱动模式中，电机驱动具有高精度和快速响应性的优点，相对于液压/气动驱动而言，是最易于微型化的驱动方式，因此本文设计的仿生机器鱼采用电机驱动。
表2-1 传统驱动方式比较
| 驱动方式 | 优点 | 缺点 |
| 电机驱动 | 技术成熟、精度较高、成本低 | 转动转化为尾鳍摆动有些难度 |
| 液压驱动 | 输出力矩/重量比大、反应灵敏 | 移动件容易漏油，污染环境 |
| 气压驱动 | 实现高速直线运动与缓冲控制 | 刚性较差，排气噪音较大 |
2.3.2 驱动机构选择
研究结果表明，驱动器采用直流有刷电机，其输出是圆周转动，而仿生机器鱼尾鳍是往复摆动，因此需要将电机的圆周运动转化为尾鳍的摆动。转化方法可分为两种，一种是机械式的，即以曲轴为驱动元件的曲轴摇杆机构，在电机的带动下，摇杆固定在尾鳍上，使尾鳍作摆动运动，见图2-6所示；第二种是电气控制方式，也就是通过对电机进行正向和反向的操纵来完成对尾鳍的摆动运动，见图2-7所示。
图2-6中，电机经一级2：1锥齿轮减速后，驱动曲轴a转动，从而使摇杆c在两个极限位置1和2间往复摆动。
图2-7中，电机经一级2:1锥齿轮减速后，直接驱动尾鳍实现在1和2的位置间的往复摆动。
两种驱动机构比较见表2-2所示。
表2-2 两种驱动机构比较
| 驱动机构 | 优点 | 缺点 |
| 曲柄摇杆机构 | 电机整轴转动，控制简单 | 机械结构复杂，尾鳍的摆幅不可调 |
| 电机直接驱动 | 机械结构简单，尾鳍摆幅可调 | 控制复杂，对控制电路要求较高 |
总体来说，电机直接驱动具有机构简单、可靠性高、制造容易、价格低廉等优点；由于其具有良好的密封性能和能够调节的尾鳍摆幅，为以后存在变数的机械鱼的游动调试提供了极大的便利，因此本设计选择电机直接驱动尾鳍的驱动机构。
6 结论
（1）通过对实际鱼体的运动和生理特征的观察，建立一种可模仿月牙尾鳍推进模式运动的构造系统，使其在各种参数上尽可能地贴近实际生活中的鱼类，从而进一步推动仿生机器鱼的发展。
（2）在模块化的基础上，完成了仿生机器鱼的机构方案和结构设计，主要包括鱼头、鱼尾、鱼鳍、胸鳍等设计，能够完成鱼在水中的转弯、升潜等动作。借鉴鱼类特有的运动方式，通过调节鱼鳍的转角，使其在游动时产生一定的升力或潜力，从而使其既能自由升降，又能在水下自由升潜。
参考文献 略
