BCF推進(jìn)模式仿生機(jī)器魚(yú)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

王揚(yáng)威，于 凱，閆勇程

(南京航空航天大學(xué)，南京 210016)

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BCF推進(jìn)模式仿生機(jī)器魚(yú)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

王揚(yáng)威，于 凱，閆勇程

(南京航空航天大學(xué)，南京 210016)

身體/尾鰭推進(jìn)(Body and/or Caudal Fin propulsion，BCF)模式是自然界大多數(shù)魚(yú)類(lèi)采用的游動(dòng)方式，相比中央鰭/對(duì)鰭推進(jìn)(Media and/or Paired Fin propulsion，MPF)模式而言，在游動(dòng)速度、高速推進(jìn)效率以及加速性能上具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。BCF推進(jìn)模式的研究是目前研究人員實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚(yú)高速游動(dòng)和高效推進(jìn)的主要手段。介紹了仿生機(jī)器魚(yú)廣泛采用的致動(dòng)器，綜述了BCF推進(jìn)模式仿生機(jī)器魚(yú)的研究現(xiàn)狀，對(duì)比分析了不同致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器魚(yú)的特點(diǎn)和性能，討論了仿生機(jī)器魚(yú)研究的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)。

仿生機(jī)器魚(yú)；BCF推進(jìn)模式；致動(dòng)器

0 引 言

魚(yú)類(lèi)經(jīng)歷了數(shù)億年的自然選擇，進(jìn)化出了高超的游動(dòng)本領(lǐng)，不但能通過(guò)尾鰭的擺動(dòng)形成向前游動(dòng)時(shí)的推進(jìn)力，還可充分利用身體周?chē)牧黧w動(dòng)能，從而實(shí)現(xiàn)較高的游動(dòng)速度和游動(dòng)效率。而其對(duì)身體各部分優(yōu)秀的協(xié)調(diào)控制能力更使其能夠?qū)崿F(xiàn)小于0.3BL(Body Length，BL)的轉(zhuǎn)彎半徑和低噪聲的游動(dòng)運(yùn)動(dòng)[1]。

伴隨人類(lèi)對(duì)海洋開(kāi)發(fā)利用腳步的逐步加快以及仿生學(xué)、流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等相關(guān)學(xué)科及技術(shù)的發(fā)展，具備高效低噪、靈活機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)的魚(yú)類(lèi)成為了水下機(jī)器人和航行器的模仿對(duì)象。傳統(tǒng)的仿生水下機(jī)器人主要采用電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，具有驅(qū)動(dòng)力大、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動(dòng)作生硬、柔性不高以及噪聲大等缺點(diǎn)[1]，難以真正地實(shí)現(xiàn)魚(yú)類(lèi)游動(dòng)的高效率性和高隱蔽性。將智能材料作為致動(dòng)器應(yīng)用于仿生機(jī)器魚(yú)，使得仿生機(jī)器魚(yú)可以較好的

實(shí)現(xiàn)了微型化、高柔性、低噪聲以及簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，因此逐步成為了水下仿生機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的主要發(fā)展趨勢(shì)。

1 魚(yú)類(lèi)游動(dòng)方式

1926年，Breder根據(jù)魚(yú)類(lèi)推進(jìn)時(shí)所使用的身體部位的不同將魚(yú)類(lèi)運(yùn)動(dòng)方式分為： BCF推進(jìn)模式和MPF推進(jìn)模式[1]。

MPF模式的魚(yú)類(lèi)占總類(lèi)的約15%，以背鰭、腹鰭、胸鰭和臀鰭作為主要推進(jìn)部位。在低速情況下可保持較高的機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性以及較高的游動(dòng)效率，一般可實(shí)現(xiàn)精確的六自由度運(yùn)動(dòng)、位置保持以及換向等動(dòng)作，但是難以實(shí)現(xiàn)高速游動(dòng)且加速性不足。

BCF模式是大多數(shù)的魚(yú)類(lèi)采用的游動(dòng)模式，通過(guò)波動(dòng)或擺動(dòng)部分身體和尾鰭的方式，利用渦流將水向身后推射從而利用水的反作用力實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的向前運(yùn)動(dòng)。在高速巡游時(shí)，可實(shí)現(xiàn)較高的游動(dòng)效率(一般80%以上)，且加速和起動(dòng)性能良好。圖1的典型BCF模式[4]中，參與推進(jìn)的身體部分越大，其機(jī)動(dòng)性越高；參與推進(jìn)的身體部分越小則推進(jìn)的效率越高、游動(dòng)速度越高。相關(guān)資料表明游速最快的箭魚(yú)其游動(dòng)速度可達(dá)110 km/h。

圖1 典型BCF推進(jìn)模式魚(yú)類(lèi)[4]

2 應(yīng)用于機(jī)器魚(yú)推進(jìn)的致動(dòng)器

目前應(yīng)用傳統(tǒng)電動(dòng)、液壓、氣壓方式驅(qū)動(dòng)的大中型仿生機(jī)器魚(yú)仍然保持著游動(dòng)速度快、推進(jìn)力大等明顯的優(yōu)勢(shì)，并且已能夠投入到實(shí)際使用中。而隨著仿生機(jī)器魚(yú)的微型化發(fā)展，智能材料的優(yōu)勢(shì)則愈發(fā)明顯。目前應(yīng)用在仿生機(jī)器魚(yú)上的智能材料主要包括形狀記憶合金(Shape memory alloy，SMA)、電致動(dòng)聚合物(Electroactive Polymer，EAP)、壓電材料(Piezoelectric Transducer，PZT)等。

2.1 形狀記憶合金

SMA具有在低溫下進(jìn)行的較大變形，隨著溫度上升到一定值后恢復(fù)到原有形狀的特質(zhì)，即形狀記憶效應(yīng)(SME)。如圖2所示，SMA在外力下發(fā)生塑性變形，其內(nèi)部的孿晶馬氏體相變成應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，溫度上升至相變溫度后，其金相組織轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵碌膴W氏體，其外形回復(fù)到形變前的固有形狀，冷卻后回復(fù)到孿晶馬氏體相。目前性能最好、應(yīng)用最為廣泛的鎳鈦(Ni-Ti)系列SMA是一種堅(jiān)固的、機(jī)械和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的材料，其應(yīng)力一般高于200 MPa，收縮量可超過(guò)8%，相當(dāng)于一般金屬的彈性變形的幾十倍。在合適的使用應(yīng)力以及變形量下可循環(huán)使用達(dá)數(shù)十萬(wàn)次，且保持較好的形狀記憶效應(yīng)。由于其較大的收縮量和較高的應(yīng)力，SMA絲被普遍認(rèn)為是一種性能良好的人工肌肉。

圖2 SMA相變示意圖

2.2 電致動(dòng)聚合物

EAP主要包括離子型和電場(chǎng)型兩大類(lèi)型，目前在仿生機(jī)器魚(yú)的應(yīng)用主要采用離子型EAP中的離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合物(Ionic Polymer Metal Composites，IPMC)。在沒(méi)有外加電壓的情況下，IPMC內(nèi)部的陽(yáng)離子與部分水分子形成的水合陽(yáng)離子可自由移動(dòng)并在材料內(nèi)部均勻分布，加上外部電壓后IPMC的兩個(gè)表面間形成電勢(shì)差，水合陽(yáng)離子向負(fù)極移動(dòng)，使得IPMC在負(fù)極膨脹，正極的水分子含量減小， IPMC正極收縮，從而宏觀(guān)上表現(xiàn)為向正極彎曲。實(shí)際應(yīng)用中IPMC具有使用壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、體積小、質(zhì)量輕、柔性好、驅(qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)點(diǎn)并且適合微型化發(fā)展。但也存在著驅(qū)動(dòng)力小且不能在離子溶液中使用等不足。

2.3 壓電材料

PZT是一種具有壓電效應(yīng)、能夠往復(fù)轉(zhuǎn)換機(jī)械能和電能的功能材料。在仿生機(jī)器魚(yú)上的應(yīng)用主要是利用其逆壓電效應(yīng)，通過(guò)對(duì)壓電陶瓷施加交變電場(chǎng)引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而被極化位移，導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)生形變，宏觀(guān)表現(xiàn)為晶體的機(jī)械變形。仿生機(jī)器魚(yú)中采用PZT材料制成的驅(qū)動(dòng)器，具有驅(qū)動(dòng)力大、響應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)功率低、控制精度高和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，而新型壓電纖維材料則具有易于應(yīng)用、功率密度高、有效的彎曲致動(dòng)以及重量輕等優(yōu)點(diǎn)，其主要缺點(diǎn)是其位移量小、驅(qū)動(dòng)電壓高并且通過(guò)擴(kuò)大機(jī)構(gòu)、提高位移會(huì)導(dǎo)致輸出力衰減等。

3 BCF模式仿生機(jī)器魚(yú)研究現(xiàn)狀

目前仿生機(jī)器魚(yú)的驅(qū)動(dòng)方式以傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式為主，由于其易于控制、驅(qū)動(dòng)力大等特點(diǎn)，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了較好的游動(dòng)性能。智能材料驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚(yú)省去了齒輪、活塞、關(guān)節(jié)、鉸鏈等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)并具有較好的柔性，能夠更好地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的低噪聲和隱蔽性，更接近真實(shí)的魚(yú)類(lèi)運(yùn)動(dòng)。

3.1 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)器魚(yú)

1994 年，美國(guó)麻省理工學(xué)院成功研制了世界上第一條真正意義上的仿生機(jī)器魚(yú)“RoboTuna”[5]，如圖3(a)所示。通過(guò)模仿藍(lán)鰭金槍魚(yú)的尾鰭推進(jìn)原理，成功解決了傳統(tǒng)水下機(jī)器人連續(xù)工作時(shí)間短的限制，其推進(jìn)效率達(dá)到91%。動(dòng)力部分由6臺(tái)2.21 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其整體結(jié)構(gòu)由多達(dá)2 843個(gè)零件組成。該機(jī)器魚(yú)尺寸為1.25 m×0.3 m×0.2 m，其游動(dòng)速度可達(dá)到1.67 BL/s。

(a) 機(jī)器魚(yú)Robotuna (b) 機(jī)器魚(yú)VCUUV (c) 機(jī)器魚(yú)Fish-G9

(d) 氣動(dòng)仿生七鰓鰻 (e) 氣動(dòng)機(jī)器魚(yú) (f) 機(jī)器魚(yú)SPC-Ⅱ

1998年，美國(guó)麻省理工學(xué)院與Draper 實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研制了仿黃鰭金槍魚(yú)“VCUUV”[6]，如圖3(b)所示。該機(jī)器魚(yú)采用循環(huán)液壓驅(qū)動(dòng)，用于探索魚(yú)類(lèi)如何利用渦流輔助推進(jìn)，其自主游動(dòng)實(shí)驗(yàn)顯示了該機(jī)器魚(yú)具有良好的減阻性能。該VCUUV尺寸為2.4 m×0.5 m×0.4 m，尾鰭展長(zhǎng) 0.65 m，重136 kg，驅(qū)動(dòng)頻率1 Hz時(shí)獲得最高游速0.5 BL/s，最大轉(zhuǎn)彎速度75 (°)/s。

2005年，英國(guó)埃塞克斯大學(xué)研制了仿生鯉魚(yú)“fish-G9”[6]，如圖3(c)所示。其由三個(gè)伺服電機(jī)構(gòu)成尾部驅(qū)動(dòng)并利用直流電機(jī)調(diào)節(jié)重心，微型水泵改變機(jī)器魚(yú)自身重量，能夠?qū)崿F(xiàn)自主三維游動(dòng)。通過(guò)研究機(jī)器魚(yú)的流體力學(xué)機(jī)制，從而對(duì)機(jī)器魚(yú)實(shí)現(xiàn)了更為精確的游動(dòng)控制，研究者還對(duì)機(jī)器魚(yú)的直線(xiàn)巡游和C型啟動(dòng)做了相關(guān)的研究。該機(jī)器魚(yú)體長(zhǎng)為0.52 m，最快游速可達(dá)1 BL/s，最小轉(zhuǎn)彎半徑為0.3 BL。

2011年，意大利圣安娜高級(jí)學(xué)校生物機(jī)械研究所研制了一條由多關(guān)節(jié)構(gòu)成的仿生七鰓鰻[8]，如圖3(d)所示。其利用相鄰關(guān)節(jié)內(nèi)永磁鐵磁極之間的相斥和相吸作用來(lái)驅(qū)動(dòng)自身，并通過(guò)規(guī)律性變換磁極方向來(lái)實(shí)現(xiàn)身體的規(guī)律性波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)證明了該驅(qū)動(dòng)方式的高效性，其在最佳游動(dòng)狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)5 h的續(xù)航。該機(jī)器魚(yú)還采用了基于雙目視覺(jué)的視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)輔助實(shí)現(xiàn)自主游動(dòng)。其總長(zhǎng)為0.99 m，在0.6 Hz驅(qū)動(dòng)頻率下波長(zhǎng)為1.2 m時(shí)，可達(dá)最高游速為0.7 BL/s。

2013年，麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系研制了新型氣壓驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)[9]，如圖3(e)所示。機(jī)器魚(yú)的能源供給由一個(gè)8 g的二氧化碳的高壓氣罐，直接利用高壓流體驅(qū)動(dòng)，無(wú)需能量轉(zhuǎn)化，從而提高其效率。該機(jī)器魚(yú)同時(shí)具備快速加速性能和持續(xù)運(yùn)動(dòng)能力，研究發(fā)現(xiàn)，其逃生響應(yīng)模式下的運(yùn)動(dòng)性能和可控性與真實(shí)魚(yú)類(lèi)接近。該機(jī)器魚(yú)全長(zhǎng)339 mm，柔性尾部長(zhǎng)159 mm，其中尾鰭長(zhǎng)34 mm，寬51 mm。

國(guó)內(nèi)比較典型的仿生機(jī)器魚(yú)是北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所于2003年研制的SPC-II 機(jī)器魚(yú)[10]，如圖3(f)所示。該機(jī)器魚(yú)由兩臺(tái)150 W的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其設(shè)計(jì)首要考慮了游動(dòng)的穩(wěn)定性，其控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制、航向控制、GPS 航線(xiàn)游動(dòng)3種模式并且可以自主調(diào)節(jié)各關(guān)節(jié)的擺動(dòng)頻率、幅度和相位差。SPC-II 長(zhǎng)度約1.2 m，最高游速1.17 BL/s，轉(zhuǎn)彎速度30 (°)/s，最小轉(zhuǎn)彎半徑1 BL。

隨著智能材料的發(fā)展，越來(lái)越多的仿生機(jī)器魚(yú)采用與魚(yú)類(lèi)肌肉性能類(lèi)似的智能材料作為致動(dòng)器，簡(jiǎn)化了仿生機(jī)器魚(yú)的推進(jìn)裝置，提升了動(dòng)作柔性、降低了游動(dòng)過(guò)程中的噪聲以及改善了機(jī)器魚(yú)的流體力學(xué)性能。

3.2 SMA驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚(yú)

2000年，美國(guó)東北大學(xué)海洋科學(xué)中心首次采用SMA絲研制了仿生七鰓鰻[11]，如圖4(a)所示。其通過(guò)全身的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)，為典型的鰻鱺式游動(dòng)方式。其柔性身體和柔性的隨動(dòng)尾鰭共占整體長(zhǎng)度的85%。通過(guò)間隔的規(guī)律性加熱SMA絲來(lái)實(shí)現(xiàn)仿生七鰓鰻整個(gè)身體的柔性波動(dòng)。該仿生七鰓鰻可實(shí)現(xiàn)低速慢游、常速游動(dòng)、急速游動(dòng)、爬行前進(jìn)、爬行后退、轉(zhuǎn)彎、鉆孔等多種運(yùn)動(dòng)方式。

(a) 仿生七鰓鰻 (b) 仿藍(lán)鰭金槍魚(yú) (c) SMA絲驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚(yú)

(d) 仿生機(jī)器魚(yú) (e) SMA彈簧機(jī)器魚(yú) (f) 微型仿生機(jī)器魚(yú)

2008年，加拿大維多利亞大學(xué)機(jī)械工程系研制了SMA絲驅(qū)動(dòng)的藍(lán)鰭金槍魚(yú)[12]，如圖4(b)所示。其由剛性頭部和柔性魚(yú)尾組成，頭部和魚(yú)尾各占整體長(zhǎng)度的50%。合金絲的收縮量約為5%，受限于SMA絲復(fù)雜的散熱條件以及控制軟件，該魚(yú)尾的最高擺動(dòng)頻率為0.5 Hz。其總長(zhǎng)度為1 m，最大擺幅5.7 cm，最大攻角17°，推進(jìn)力的峰值為1 N。

2008年，日本九州大學(xué)研制了合金絲驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)[13]，如圖4(c)所示。其尾部嵌入合金絲驅(qū)動(dòng)單元并采用分段二進(jìn)制控制方法(SBC)控制合金絲的收縮。實(shí)驗(yàn)將合金絲分為三段，進(jìn)行了多種加熱方式實(shí)驗(yàn)。機(jī)器魚(yú)包含尾鰭的尺寸為470 mm×90 mm×60 mm，總質(zhì)量為850 g。利用SMA絲驅(qū)動(dòng)且擺動(dòng)頻率為0.83 Hz時(shí)，實(shí)現(xiàn)最快游速0.15 BL/s。

2011年，西班牙自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)中心與研制了SMA絲驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)[14]，如圖4(d)所示。該機(jī)器魚(yú)摒棄了傳統(tǒng)的電機(jī)齒輪等機(jī)械部件，采用1 mm厚度聚碳酸酯作為柔性支撐結(jié)構(gòu)。同時(shí)將SMA絲分為等長(zhǎng)的三段進(jìn)行分別加熱致動(dòng)，該機(jī)器魚(yú)總長(zhǎng)300 mm(不包含尾鰭)，用于模擬不同BCF推進(jìn)模式下的游動(dòng)性能。用于驅(qū)動(dòng)的SMA絲直徑0.15 mm，在收縮量為6%的情況下獲得36°擺動(dòng)角度，0.5 Hz的擺動(dòng)頻率下獲得最高游速為0.1 BL/s。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)章永華等人于2006年設(shè)計(jì)了SMA彈簧驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)[15]，如圖4(e)所示。通過(guò)魚(yú)體側(cè)面的兩組合金絲彈簧交替加熱的方式，實(shí)現(xiàn)尾鰭的繞轉(zhuǎn)軸的擺動(dòng)，并通過(guò)流水直接冷卻方式來(lái)提高魚(yú)尾擺動(dòng)頻率。SMA彈簧內(nèi)徑0.2 mm，外徑2 mm，有效圈數(shù)32。通過(guò)PWM加熱方式，尾鰭的最高擺動(dòng)頻率可達(dá)1.5 Hz。

2008年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)王振龍教授課題組研制了基于SMA絲驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器魚(yú)[16]，如圖4(f)所示。將兩路直徑0.089 mm的SMA絲嵌入柔性單元的蒙皮內(nèi)，交替加熱兩側(cè)SMA絲，使得柔性尾鰭來(lái)回?cái)[動(dòng)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚(yú)的推進(jìn)游動(dòng)。該機(jī)器魚(yú)總長(zhǎng)146 mm ，質(zhì)量約30 g，最大擺幅26 mm。在驅(qū)動(dòng)頻率2.5 Hz下實(shí)現(xiàn)最快游速0.76 BL/s。

3.3 EAP驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚(yú)

2003年，日本香川大學(xué)的郭書(shū)祥等人采用離子導(dǎo)電聚合物膜(Ionic Conducting Polymer Film，ICPF)驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚(yú)[17]，如圖5(a)所示。通過(guò)改變輸出電壓的幅值和頻率來(lái)改變機(jī)器魚(yú)的游速，采用兩片尺寸為0.2 mm×3 mm×15 mm的ICPF驅(qū)動(dòng)的尾鰭實(shí)現(xiàn)推進(jìn)，兩個(gè)固定的胸鰭用來(lái)提高推進(jìn)力，其浮力調(diào)節(jié)模塊由尺寸為0.2 mm×4 mm×6 mm 的ICPF驅(qū)動(dòng)。該機(jī)器魚(yú)尺寸為45 mm×10 mm×4 mm，前部采用木質(zhì)結(jié)構(gòu)，總質(zhì)量0.76 g，在驅(qū)動(dòng)電壓2.5 V、驅(qū)動(dòng)頻率1 Hz左右的條件下實(shí)現(xiàn)最高游速約為0.12 BL/s。

(a) ICPF驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚(yú) (b) PPY驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚(yú) (c) IPMC驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器魚(yú)

(d) 仿鲹科機(jī)器魚(yú) (e) IPMC驅(qū)動(dòng)仿生鯽魚(yú) (f) IPMC驅(qū)動(dòng)仿生海豚

2009年，澳大利亞伍倫貢大學(xué)智能高分子研究所利用聚吡咯(Polypyrrole，PPY)導(dǎo)電聚合物研制了新型電子材料肌肉振蕩器(NEMO)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚(yú)[18]，如圖5(b)所示。該機(jī)器魚(yú)采用兩片尺寸為0.16 mm×3 mm×25 mm的PPY作為致動(dòng)器。通過(guò)無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)控制，可產(chǎn)生0.557 mN的推進(jìn)力。該機(jī)器魚(yú)的直徑20 mm，長(zhǎng)125 mm，重16.2 g，在低速游動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)1.1 BL的最小轉(zhuǎn)彎半徑，擺動(dòng)頻率0.6～0.8 Hz的時(shí)候可實(shí)現(xiàn)其最高游速0.25 BL/s。

2009年，密西根州立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系研制了IPMC驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器魚(yú)[19]，如圖5(c)所示。采用剛性的水滴形外型結(jié)構(gòu)配合IPMC柔性魚(yú)尾，以及一個(gè)惰性的柔性尾鰭組成機(jī)器魚(yú)的整體結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)IPMC魚(yú)尾的動(dòng)力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模仿真，研究其驅(qū)動(dòng)電壓和游動(dòng)速度之間的聯(lián)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果高度吻合。機(jī)器魚(yú)的總長(zhǎng)約為20 cm，最大直徑為57 mm，總質(zhì)量為290 g。驅(qū)動(dòng)電壓3.3 V、驅(qū)動(dòng)頻率1 Hz的情況下可獲得最高的游速為0.1 BL/s。

2009年，東北大學(xué)以鲹科模式魚(yú)類(lèi)為藍(lán)本研制了IPMC致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚(yú)[20]，如圖5(d)所示。該機(jī)器魚(yú)采用無(wú)線(xiàn)遙控作為遠(yuǎn)程控制，其前部為硬質(zhì)殼體，魚(yú)尾部分為IPMC材料，尾鰭為柔性的塑料片。硬殼的尺寸為150 mm×60 mm×40 mm，IPMC的尺寸為50 mm×10 mm，柔性尾鰭尺寸為23 mm×40 mm×25 mm。總質(zhì)量165.65 g，驅(qū)動(dòng)電壓為2.5 V、驅(qū)動(dòng)頻率0.27 Hz的情況下達(dá)到最高游速0.034 BL/s。

2010年，哈爾濱工程大學(xué)在對(duì)鯽魚(yú)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上研制了IPMC驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器魚(yú)[21]，如圖5(e)所示。其尾部和胸鰭均采用IPMC膜片作為驅(qū)動(dòng)器，其中尾部和魚(yú)體的連接部分以及尾鰭都采用PVC塑料用以增加柔性。其總長(zhǎng)99 mm，驅(qū)動(dòng)電壓3.6 V，驅(qū)動(dòng)頻率2 Hz的情況下，微型機(jī)器魚(yú)的最快游速為0.24 BL/s，最小轉(zhuǎn)彎半徑約0.8 BL。

2012年，北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所研制了IPMC驅(qū)動(dòng)的仿生寬吻海豚[22]，如圖5(f)所示。通過(guò)建立基于細(xì)長(zhǎng)體理論的流體力學(xué)模型來(lái)研究機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)速度和游動(dòng)效率。該機(jī)器魚(yú)(不含尾鰭)尺寸為47.5 mm×14.5 mm×12 mm，重50.05 g。在驅(qū)動(dòng)電壓3 V、驅(qū)動(dòng)頻率1 Hz，實(shí)現(xiàn)最快游速約0.5 BL/s，最大推進(jìn)力1 mN，最高推進(jìn)效率約65%。

3.4 PZT驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚(yú)

1995年，日本名古屋大學(xué)福田敏男等采用PZT作為致動(dòng)器研制出微型雙鰭魚(yú)形機(jī)器人[23]，如圖6(a)所示。采用兩塊尺寸為2 mm×3 mm×8 mm的PZT分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)尾鰭，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)將PZT的變形放大250倍并轉(zhuǎn)化為尾鰭的擺動(dòng)。兩個(gè)尾鰭形成一定的交叉角以提高游動(dòng)性能，每個(gè)尾鰭都可以產(chǎn)生向前或者向后的作用力，并由擺動(dòng)頻率決定。該魚(yú)形機(jī)器人長(zhǎng)32 mm，寬19 mm，在驅(qū)動(dòng)電壓150 V、頻率168 Hz時(shí)有向后的推進(jìn)力約為2×10-5N；速度0.68 BL/s，頻率397 Hz時(shí)有向前的推進(jìn)力約為9.45×10-5N，速度為0.88 BL/s。

(a) 微型雙鰭機(jī)器魚(yú) (b) 仿箱鲀科機(jī)器魚(yú) (c) 仿生金槍魚(yú)

(d) MFC驅(qū)動(dòng)的魚(yú)尾 (e) 微型水下機(jī)器人 (f) 仿生魚(yú)尾

2005年，加州大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與智能機(jī)械實(shí)驗(yàn)室以箱鲀科魚(yú)類(lèi)為藍(lán)本研制PZT驅(qū)動(dòng)的 Boxfish 機(jī)器魚(yú)[24]，如圖6(b)所示。采用四連桿機(jī)構(gòu)對(duì)PZT壓電雙晶片工作行程進(jìn)行放大并驅(qū)動(dòng)一個(gè)剛性的擺動(dòng)尾鰭以提供推進(jìn)力。該機(jī)器魚(yú)還設(shè)計(jì)有一對(duì)獨(dú)立的胸鰭以控制游動(dòng)的方向包括上下和左右。第二代的盒子魚(yú)體長(zhǎng)12 mm，其中尾鰭長(zhǎng)度10 mm，最大擺動(dòng)角度60°，重量為1 g。在150 V驅(qū)動(dòng)電壓下，6 Hz驅(qū)動(dòng)頻率平均推力約1 mN，3.9 Hz時(shí)的最高游動(dòng)速度0.35 BL/s。

2010年，韓國(guó)建國(guó)大學(xué)人工肌肉研究中心和智能機(jī)器人中心研制了一條機(jī)器魚(yú)[25]，如圖6(c)所示。采用四層新型輕質(zhì)復(fù)合壓電致動(dòng)器(LIPCA)驅(qū)動(dòng)和新型的鉸鏈傳動(dòng)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)研究了其在不同頻率下的尾鰭攻角、推進(jìn)力以及游動(dòng)速度。該機(jī)器魚(yú)尺寸260 mm×120 mm×20 mm，在驅(qū)動(dòng)電壓250 V、驅(qū)動(dòng)頻率3.9 Hz時(shí)得最高的游動(dòng)速度約0.3 BL/s，可實(shí)現(xiàn)最大推進(jìn)力7.2 mN，最小轉(zhuǎn)彎半徑約1.5 BL。

2011年，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院機(jī)械工程系研制了粗纖維壓電復(fù)合材料(Macro Fiber Composite，MCF)制成的仿生魚(yú)尾[26]，如圖6(d)所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了其推進(jìn)性能，該致動(dòng)器具有功率密度高、彎曲致動(dòng)、重量輕和一定頻率范圍內(nèi)靜音等優(yōu)點(diǎn)。采用重10 g的尾鰭，在驅(qū)動(dòng)頻率6 Hz下產(chǎn)生平均推力19 mN，此時(shí)功耗約120 mW。

2003年，廣東工業(yè)大學(xué)研制出PZT驅(qū)動(dòng)的微型水下機(jī)器人[27]，如圖6(e)所示。以壓電元件作為致動(dòng)器，采用差動(dòng)杠桿原理和柔性鉸鏈結(jié)合設(shè)計(jì)，利用三組杠桿機(jī)構(gòu)放大位移，其理論倍數(shù)約1 600。采用高壓功率運(yùn)算放大器使得驅(qū)動(dòng)電壓幅值為0～150 V可調(diào)，輸出波形頻率0～10 kHz，輸出驅(qū)動(dòng)電流60～120 mA。實(shí)驗(yàn)證明其可通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)頻率來(lái)改變機(jī)器人的游速，并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向的控制。

2012年，南京航空航天大學(xué)精密驅(qū)動(dòng)研究所研究了一種復(fù)合型的仿生魚(yú)尾[28]方案，如圖6(f)所示。采用MFC作為驅(qū)動(dòng)材料和特制的玻璃纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料作為基板。MFC厚度為0.3 mm，魚(yú)尾整體尺寸為185 mm×40 mm×0.6 mm，其中尾鰭長(zhǎng)70 mm，寬65 mm。實(shí)驗(yàn)測(cè)得峰值電壓350 V、頻率9 Hz時(shí)末端的最大彎曲位移約7 mm，擺動(dòng)角度約28°。

3.5 不同驅(qū)動(dòng)類(lèi)型的機(jī)器魚(yú)對(duì)比

傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)一般可實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的游動(dòng)速度和推進(jìn)效率，而氣動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器魚(yú)的研制相對(duì)較少。相比較智能材料驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)在體積上要大很多，且由于其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)相對(duì)較為成熟，因此可實(shí)現(xiàn)相對(duì)較好的機(jī)動(dòng)性和游動(dòng)性能。已研制的典型樣機(jī)中有相當(dāng)部分已經(jīng)投入到實(shí)際應(yīng)用。

SMA驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)可實(shí)現(xiàn)基本的游動(dòng)動(dòng)作，在小型機(jī)器魚(yú)上可實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的游速，但在需要保證續(xù)航的情況下，由于能量轉(zhuǎn)化效率較低，難以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航。目前已有的SMA驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器魚(yú)以中小型為主。相比較EAP和PZT驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)，其體積大，并且游速快、驅(qū)動(dòng)力大。

EAP驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)是目前研制較多的一種，由于其結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)，為典型的三段式，由剛性魚(yú)身、EAP尾部和惰性尾鰭組成。采用PWM脈沖控制即可實(shí)現(xiàn)魚(yú)尾的擺動(dòng)，研究者主要試驗(yàn)其在不同驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)頻率、不同的尺寸以及新型EAP材料的采用等對(duì)機(jī)器魚(yú)游動(dòng)性能的影響。

PZT驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器魚(yú)主要是利用機(jī)械機(jī)構(gòu)將致動(dòng)器的微小變形轉(zhuǎn)變成尾鰭的擺動(dòng)。由于其較高的驅(qū)動(dòng)電壓和較小的體積，使其無(wú)法內(nèi)置電源。而其遠(yuǎn)高于正常的魚(yú)類(lèi)的擺動(dòng)頻率的致動(dòng)頻率使其難以應(yīng)用于常規(guī)體積的仿生機(jī)器魚(yú)，目前僅用在微型泳動(dòng)機(jī)器魚(yú)上。而新型壓電纖維材料的研制則提供了較好的解決方案，研究證明其可具備較好的性能表現(xiàn)，但同樣較高的驅(qū)動(dòng)電壓使得其較難實(shí)現(xiàn)自給供電。各種驅(qū)動(dòng)類(lèi)型的機(jī)器魚(yú)對(duì)比如表1所示。

表1 不同驅(qū)動(dòng)方式的仿生機(jī)器魚(yú)的對(duì)比

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 推進(jìn)機(jī)理研究

仿生原型推進(jìn)機(jī)理的研究主要采用理論研究、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究的方法。目前的理論研究和數(shù)值模擬的手段均取得了較為顯著的研究成果，但未能完整地揭示仿生原型的游動(dòng)機(jī)理以及建立精確的動(dòng)力學(xué)模型，導(dǎo)致仿生樣機(jī)的自主游動(dòng)過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的渦流控制。因此仿生原型的游動(dòng)速度和游動(dòng)效率與魚(yú)類(lèi)原型之間都存在較大的差距，魚(yú)類(lèi)游動(dòng)的推進(jìn)理論和動(dòng)力學(xué)模型為仿生機(jī)器魚(yú)研制工作提供重要的理論基礎(chǔ)，因此是仿生機(jī)器魚(yú)研究的首要內(nèi)容。

4.2 推進(jìn)裝置和致動(dòng)器研究

高游速、高效率、高機(jī)動(dòng)性一直都是研究人員追求的目標(biāo)，也是研制仿生機(jī)器魚(yú)的初衷。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，采用智能材料作為推進(jìn)裝置的核心部件可以簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)、增加其柔性。然而目前的致動(dòng)器由于對(duì)于彈性機(jī)制的利用不足，反饋控制技術(shù)不夠成熟，因此難以實(shí)現(xiàn)高游速和高效率的統(tǒng)一。新型致動(dòng)器材料研制及其控制技術(shù)研究以及推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)仿生樣機(jī)游動(dòng)動(dòng)作更加接近魚(yú)類(lèi)的重要途徑。

4.3 多傳感器融合以及控制技術(shù)

目前仿生樣機(jī)的自主游動(dòng)大多局限在依據(jù)動(dòng)力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)體周?chē)鲌?chǎng)進(jìn)行感知和利用，也難以實(shí)現(xiàn)水下環(huán)境的主動(dòng)識(shí)別、判斷和做出相應(yīng)的處理。不但阻礙了仿生樣機(jī)實(shí)現(xiàn)更高的游動(dòng)速度和游動(dòng)效率，也難以實(shí)現(xiàn)仿生樣機(jī)的水下的獨(dú)立自主工作。而通訊上由于難以在水下實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效的信號(hào)傳輸，因此對(duì)機(jī)器魚(yú)的實(shí)時(shí)控制不足。多傳感器的融合控制技術(shù)不但可實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚(yú)的高效高速游動(dòng)，還可擴(kuò)展機(jī)器魚(yú)的水下應(yīng)用功能，使得仿生機(jī)器魚(yú)具備魚(yú)類(lèi)的感知，使其能夠更好的完成水下工作。

4.4 高效的能源供給

仿生機(jī)器魚(yú)的能源供給主要采用自備電池的方式，一般可實(shí)現(xiàn)數(shù)小時(shí)的續(xù)航供給，但是限制于體積和重量的大小，難以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)供給，因此極大地局限了其使用的范圍。而伴隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和增加其他輔助裝置等措施將太陽(yáng)能、波浪能和潮汐能等新型能源作為機(jī)器魚(yú)的能源補(bǔ)給是仿生機(jī)器魚(yú)研究的重要研究方向。

5 總結(jié)與展望

BCF推進(jìn)模式的魚(yú)類(lèi)具有高游速、高效率的特點(diǎn)，使得其成為了理想的仿生原型。傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)已實(shí)現(xiàn)了相對(duì)較高的游動(dòng)效率和可控性，但是由于動(dòng)作生硬、柔性不足、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。而智能材料的發(fā)展與應(yīng)用，使得新型仿生機(jī)器魚(yú)打破了傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器魚(yú)的限制，并極大地拓展了尾鰭推進(jìn)模式仿生機(jī)器魚(yú)的使用范圍，成功實(shí)現(xiàn)了微型化、高柔性、低噪聲和高效率。國(guó)外對(duì)智能材料的研制和應(yīng)用較早，并且研制了眾多的典型樣機(jī)，而國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)較晚，現(xiàn)階段還主要以電機(jī)為驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行相關(guān)的開(kāi)發(fā)研究，僅有少數(shù)單位開(kāi)展了針對(duì)智能材料致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器魚(yú)的試驗(yàn)性研究。未來(lái)智能材料驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器魚(yú)將會(huì)受到越來(lái)越多的關(guān)注，也會(huì)有越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)和科學(xué)工作者投身其中來(lái)，實(shí)現(xiàn)其更加完善的功能。

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Research Status and Development Trend of Bionic Robot Fish with BCF Propulsion Model

WANGYang-wei，YUkai,YANYong-cheng

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

BCF propulsion model is the swimming mode adopted by the most nature fishes. Compared to MPF propulsion model, it has great advantage of high speed, high swimming efficiency and excellent acceleration performance. Researchers have focused on the study of BCF propulsion mode to realize high speed and efficient of bionic robot fish. Several common actuators used in bionic robot fish and the research status of BCF propulsion mode were introduced. And the characteristics and performance of the bionic robot fish based on different actuators was analyzed and the key technologies and development trends of BCF propulsion model was discussed.

bionic robot fish; BCF propulsion model; actuator

2015-04-20

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20130796)；南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地(實(shí)驗(yàn)室)開(kāi)放基金項(xiàng)目(KFJJ201437)；高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目

TM359.9

A

1004-7018(2016)01-0075-06

王揚(yáng)威(1980-)，男，講師，研究方向?yàn)榉律鷻C(jī)器人和機(jī)電控制及自動(dòng)化。