摘 要

近年来，随着人工智能领域的兴起，仿生机器人技术有着快如闪电的发展，是世界上热议的话题。由于陆地资源匮乏，海洋这一宝地逐渐进入了人们的视野。“学习自然、认识自然、模仿自然、超越自然”的仿生学，则备受关注。本文的机器人模仿对象为鲹科类鱼类，旨在研究设计一种多关节的仿生机器鱼。

首先，本文将研究鲹科类鱼类的具体结构特征以及运动特性。第一步即为研究鱼类的身体各部分结构，通过对已有的国内外学者相关成果进行分析，对仿生机器鱼的BCF运动模式进行了进一步的研究。

其次，通过研究所得到的运动规律，参考已知鲹科类鱼类的生理运动方式，设计出仿生机器鱼尾部各个运动关节的变化范围，相应连接方式以及具体的模块尺寸等等。对仿生机器鱼的鱼体的基本模块结构进行具体安排分析设计，包括鱼鳍和尾部摆动模块、沉浮模块、自旋模块进行设计。于是建立了具体的仿生机器鱼模型，通过对各个模块的合理安排，规划合适的运动空间。

接下来，根据初步建立的模型，对仿生机器鱼的运动学属性展开具体分析，对直游、自旋、转向等不同运动功能的理论模型进行建立并在MATLAB软件中进行分析。

在完成运动学分析的基础上，进而开始对仿生机器鱼的预选功能模块进行具体动力学分析，详细分析了水中的浮心、重心等参数。紧接着对机器鱼在水中所受到的推力以及阻力展开了具体讨论，并建立了其理论模型。通过对前游、沉浮、自旋等功能模块进行数学建模并用MATLAB进行具体分析，得到了机器鱼运动过程中的位移速度时间等运动曲线。

最后，通过将Solidworks软件中建立的仿生鱼模型导入Adams软件，赋予其合适的运动副以及驱动，对模型的运动仿真动画进行了录制。最后通过已有的动画效果，对已有的理论数学模型进行修改优化设计。

关键词：仿生机器鱼；机构设计；运动学；动力学；仿真

Abstract

In recent years, with the rise of artificial intelligence, bionic robot technology has developed rapidly and is a hot topic in the world. Due to the scarcity of land resources, the treasure of the ocean has gradually entered the people's field of vision. The bionics of "learning nature, understanding nature, imitating nature, and transcending nature" are receiving much attention. The robot mimicking this article is a scorpion fish, designed to study the design of a multi-joint bionic robot fish.

First, this paper will study the specific structural characteristics and motion characteristics of the carp. The first step is to study the structure of various parts of the fish body. Through the analysis of the relevant domestic and foreign scholars' results, the BCF movement pattern of the bionic robot fish is further studied.

Secondly, through the study of the laws of motion, with reference to the physiological movements of known carp species, the range of variation of the joints of the robotic fish, the connection method and the size of the body are designed. The basic structure of the bionic robot fish is specifically designed, including the fin and tail swing module, the sinking module, and the spin module. Then, a concrete bionic robot fish model was established, and a suitable sports space was planned through reasonable arrangement of each module.

Next, according to the established model, the bionics fish kinematics is analyzed in detail, and the theoretical models of different motion functions such as direct travel, spin, and steering are established and analyzed in MATLAB software.

On the basis of kinematics analysis, the dynamic analysis of each functional module of bionic robot fish is carried out, and the parameters such as floating center and center of gravity in the water are analyzed in detail. Then the specific discussion on the thrust and resistance of the robotic fish in the water was carried out and its theoretical model was established. Through the mathematical modeling of the function modules such as forward travel, ups and downs, and spin, and the specific analysis by MATLAB, the motion curves such as displacement speed and time during the movement of the robot fish are obtained.

Finally, the motion simulation animation of the model was recorded by importing the model built in the Solidworks software into the Adams software, giving it the appropriate motion pair and drive. Finally, through the existing animation effects, the existing theoretical mathematical model is modified and optimized.

Key Words：robo-fish；mechanism design；kinematics；dynamics；simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究的主要内容和意义 6

第2章 鱼类游动机理 7

2.1 鱼体形态的基本描述 7

2.2 鱼类推进模式 7

2.2.1 推进模式分类 7

2.2.2 鱼类转向方式 8

2.2.3 鲹科类鱼的推进机理 9

2.3 本章小结 10

第3章 仿生机器鱼运动学分析 11

3.1 鱼体波简介 11

3.2 仿生机器鱼模型简化 11

3.3 连接关节摆动运动方程 13

3.4 直线运动 15

3.4.1 直线游动的数学模型 15

3.4.2 直线游动MATLAB仿真 16

3.5 转向运动 17

3.5.1 转向游动数学模型 17

3.5.2 转向游动MATLAB仿真 18

3.6 本章小结 20

第4章 仿生机器鱼动力学分析 21

4.1 引言 21

4.2 仿生机器鱼稳定性分析 21

4.3 游动推力阻力分析 23

4.3.1 游动推力分析 23

4.3.2 游动阻力分析 23

4.4 前进动力学模型 25

4.5 自旋动力学模型 25

4.6 沉浮运动动力学模型 27

4.6.1 沉浮模型分析 27

4.6.2 沉浮模型MATLAB仿真 28

4.7 本章小结 29

第5章 仿生机器鱼结构设计 30

5.1 引言 30

5.2 仿生机器鱼鱼头设计 30

5.3 鱼身设计 31

5.3.1 胸鳍背鳍设计 31

5.3.2 沉浮装置设计 32

5.3.3 步进电机选型 33

5.3.4 鱼身前壳及后壳设计 35

5.4 鱼尾模块设计 37

5.4.1 尾鳍设计 37

5.4.2 尾部链式摆动机构设计 39

5.4.3 舵机选型 40

5.4.4 密封方案 42

5.5 仿生鱼整体设计 42

5.6 本章小结 44

第6章 仿生机器鱼控制系统设计 45

6.1 引言 45

6.2 感知模块设计 45

6.3 驱动模块设计 46

6.4 供电模块设计 49

6.5 本章小结 50

第7章 仿生机器鱼模型Adams仿真 51

7.1 Adams简介 51

7.2 Adams仿真设计 51

7.2.1 Adams仿真设计步骤 51

7.2.2 施加约束及驱动 52

7.3 仿真结果及优化 54

7.4 仿真曲线 56

7.5本章小结 57

第8章 结论与展望 58

8.1 结论 58

8.2 未来展望 59

参考文献 60

致 谢 62

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

“海阔凭鱼跃，天高任鸟飞”，大自然给人类带来了无限的梦想和启示。随着科技的蓬勃发展和经济文化的不断进步，以“学习自然、认识自然、模仿自然、超越自然”为宗旨的仿生学备受关注。^[1]通过研究、学习自然界中不同生物体所具有的特定形态结构、固有功能及特殊的运动机理，在其中加入现今人们的设计思想和控制理念，即可使得新创的产品有着自己独有的新功能。

随着陆地资源日益消逝，人们开始将资源探寻的场所投向了有着地球七成的面积而蕴藏着丰富资源且具备极大开发价值的海洋上去。在水下仿生领域，特别是鱼类等水生动物的仿生推进机制研究现今不可避免的成为了现今的研究热点。千千万万年的自然选择进化赠予了鱼类等水生生物诸如高效、高速、高机动的游动能力，其性能远超目前已有的各种人造水下航行器。近年来，随着仿生学、智能学习技术的不断发展以及机器人研究的不断深入，仿生机器鱼的研究俨然成为了水下推进机理和智能机械的结合点。仿生机器鱼，即参照鱼类运动的推进机理，利用机械电子元器件或是智能材料实现水下推进的一种运动装置。^[2]它拥有着与鱼体相似的大体结构，同时也有着良好的游动能力，游动将更为符合流体力学相关原理，有着较好的加速以及转向能力。与传统的水下航行器相比，仿生机器鱼有着以下几个特点^[3]：

1. 它的结构相对简单，仿生性能也较为良好。仿生机器鱼无论是在外形上还是游动方式等方面，都与自然界中真正的鱼有着共同性，不会对环境或是生态平衡造成一些不必要的影响。仿生机器鱼将传统的机械推进融合，在此基础上实现了功能融合以及机构精简，这不但有利于实现水下仿生机器鱼的轻量小型化，一定程度上降低了制造成本。
2. 仿生机器鱼的机动性能较为优异。通过尾部摆动以及鱼鳍的协调运动，可以提高快速移动，上升，悬停定位以及复杂的机械转弯性能，一般的仿生机器鱼有着其身体长度10%～30%的转向半径，很大程度上增强了仿生机器鱼在复杂水下环境中的机动性。而传统水下航行器现今在高速运动中仍然需要以体长3～5倍的转向半径回转，仿生机器鱼在此便体现出了优势。
3. 仿生机器鱼的推进效率高。现今螺旋桨为基础的水下航行器的推进效率普遍在60%左右，然而采用仿生机器鱼的相关机理后，其效率将有着30%左右的提高。这不但节省了对资源的消耗，还延长了其水下工作时间，有着很强的续航能力。
4. 仿生机器鱼的隐蔽性较好。传统水下航行器在高速运动时候会产生过多的涡流紊流并产生较多热量，并通常伴随着大量的振动噪声甚至是空泡等。反观仿生机器鱼，通过采用仿生的尾部链式摆动或波动式运动，其尾部可产生与鱼类类似的涡流，对环境的影响几乎为零，很难被水下声呐装置探测到，同时也不会对其他生物产生影响。
5. 仿生机器鱼的信息传递性能较为优秀。通常仿生机器鱼的设计以模块组装为基础，可以将各种传感器、摄像头以及GPS系统插入主要模块，及时的向海上或是陆上的控制中心发送水下观测到的信息，控制中心也可利用已知的数据控制仿生机器鱼，大大提高了其工作效率。

1.2 国内外研究现状

世界各地的鱼类研究者不断地尝试从生物学、运动学、动力学、智能学习等角度来探索鱼类的高性能水下推进机制，并希望借鉴到新型水下载具的研制中，或是进一步提高当前水下载具的推进性能。随着科技发展带来的技术革新，国内外仿生机器鱼的研究也在不断深入，人们针对仿生机器鱼的研究不再局限于简单的行为模仿，而是逐渐向感知—结构—材料—控制一体化方向发展。20世纪90年代，美国麻省理工学院通过研制仿生金枪鱼来研究鱼类减阻机制与推进效率，拉开了机器鱼研究的序幕^[4]。