作者：曹勇 曹永輝 黃橋高 屈毅林 潘光

海洋覆蓋著地球表面的71%，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，海洋中的魚類超過1.2萬種。LINDSEY根據(jù)不同推進(jìn)部位將魚類推進(jìn)模式分為2大類：身體或尾鰭推進(jìn)（BCF）、中央鰭或?qū)捦七M(jìn)（MPF）。根據(jù)已有的生物學(xué)信息可知：自然界中85%的魚類以BCF模式游動(dòng)?；贐CF模式游動(dòng)具有快速性、高效性，同時(shí)，存在著穩(wěn)定性不佳、低速時(shí)效率較低等缺點(diǎn)?；贛PF模式游動(dòng)的魚類由成對(duì)的胸鰭、背鰭、臀鰭的拍動(dòng)或波動(dòng)產(chǎn)生推力。近年來，基于MPF模式游動(dòng)的魚類以其優(yōu)異的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性逐漸受到科研工作者的關(guān)注。 ?

蝠鲼，又被稱為魔鬼魚，是一種典型的基于MPF模式游動(dòng)的魚類，屬于脊索動(dòng)物門、軟骨魚綱、燕魟目、蝠鲼科、蝠鲼屬；其頭側(cè)有一對(duì)向前突出的由胸鰭分化的頭鰭，胸鰭呈翼狀，尾細(xì)且具尾刺。蝠鲼的身體部分扁平，呈菱形，具有一對(duì)尺寸較大而且運(yùn)動(dòng)較為靈活的近三角形的胸鰭。蝠鲼在運(yùn)動(dòng)過程中，胸鰭基部變形較小，而胸鰭遠(yuǎn)端因?yàn)椴皇苌眢w的約束，會(huì)產(chǎn)生較大的變形，這種柔性變形是其推力產(chǎn)生的主要來源。蝠鲼的運(yùn)動(dòng)效率較大程度上依賴于胸鰭的柔性變形。蝠鲼在游動(dòng)時(shí)，僅需拍動(dòng)胸鰭即可實(shí)現(xiàn)矢量推進(jìn)的效果，蝠鲼擁有如此高超的巡游能力離不開其獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。蝠鲼除了具有高效的巡游能力之外，還具有較高的機(jī)動(dòng)性，其具體表現(xiàn)為：低速巡游過程中的快速轉(zhuǎn)彎、高速巡游過程中的懸停以及懸停過程中的原地翻轉(zhuǎn)等。

一水下仿生撲翼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與樣機(jī)研究

自然界中，牛鼻鲼、蝠鲼、鷹嘴鰩等的推進(jìn)方式為擺動(dòng)推進(jìn)；黃貂魚、尼羅河魔鬼、南美刀魚等的推進(jìn)方式為波動(dòng)推進(jìn)。相比于BCF模式，MPF模式具備更強(qiáng)的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性。隨著仿生機(jī)器魚領(lǐng)域研究的不斷深入，MPF模式逐漸成為仿生機(jī)器魚領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)根據(jù)MPF模式的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)陸續(xù)開發(fā)出多款仿生機(jī)器魚。

⒈擺動(dòng)推進(jìn)的仿生胸鰭結(jié)構(gòu)

2008年，德國(guó)FESTO公司、EvoLogics公司與柏林科技大學(xué)3家單位合作開發(fā)了一款名為AquaRay的仿蝠鲼機(jī)器魚，如圖1所示。該機(jī)器魚采用無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水泵為2對(duì)液壓裝置提供動(dòng)力，并通過線繩驅(qū)動(dòng)胸鰭骨架上下?lián)鋭?dòng)。該機(jī)器魚還在胸鰭結(jié)構(gòu)中采用了FinRay結(jié)構(gòu)，可以使仿生胸鰭的運(yùn)動(dòng)形態(tài)與真實(shí)生物更加貼合。利用位于鰭尖的單臺(tái)舵機(jī)使胸鰭產(chǎn)生弦向扭轉(zhuǎn)變形，從而產(chǎn)生推進(jìn)力。同時(shí)，利用尾鰭實(shí)現(xiàn)上浮下潛運(yùn)動(dòng)。 ?

該機(jī)器魚可以實(shí)現(xiàn)以0.5m/s的速度進(jìn)行游動(dòng)。2010年，ZHOU等人開發(fā)了一款名為RoMan-II的仿蝠鲼機(jī)器魚。該機(jī)器魚采用多個(gè)獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并列兩側(cè)的胸鰭由3根獨(dú)立的柔性鰭條驅(qū)動(dòng)，每根鰭條都有單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)源提供動(dòng)力，機(jī)器魚的升沉運(yùn)動(dòng)采用類似魚鰾的給排水裝置進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)最大0.3m/s的水下巡游速度。2016年，CHEW等人研制了一款采用單鰭條驅(qū)動(dòng)的仿生蝠鲼機(jī)器魚。該機(jī)器魚單側(cè)胸鰭的展長(zhǎng)為194mm，最大弦長(zhǎng)為200mm，鰭條位于仿生胸鰭的最前端，鰭面其余部分為柔性橡膠材料。通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)單鰭條使柔性鰭面變形進(jìn)而為機(jī)器魚提供推力。同時(shí)，研究人員還針對(duì)不同厚度柔性胸鰭的推進(jìn)效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)該機(jī)器魚最快可以達(dá)到0.5m/s的游動(dòng)速度，約為體長(zhǎng)的1.78倍。 北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所的畢樹生等人自2007年起，做了大量MPF模式的仿生魚研究，研制了五代樣機(jī)（RoboRay系列），其中，游動(dòng)速度最快可以達(dá)到0.9m/s。樣機(jī)多采用多電機(jī)帶動(dòng)多鰭條的胸鰭結(jié)構(gòu)形式，在運(yùn)動(dòng)形態(tài)和整體結(jié)構(gòu)上，仿生機(jī)器人與自然界中真實(shí)蝠鲼的相似度已逐漸提高。2011年，國(guó)防科技大學(xué)楊少波等從仿生學(xué)層面系統(tǒng)地開展了牛鼻鲼胸鰭推進(jìn)模式的研究，研究團(tuán)隊(duì)基于流固耦合的方法分析了牛鼻鲼胸鰭推進(jìn)時(shí)的水動(dòng)力學(xué)特性，并研制了一款名為CownoseRay的仿牛鼻鲼機(jī)器魚，如圖2所示。 ?

團(tuán)隊(duì)通過樣機(jī)的航行實(shí)驗(yàn)研究了不同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)下潛水器的推進(jìn)性能，該機(jī)器魚可以在1Hz的撲動(dòng)頻率下以0.18m/s的速度游動(dòng)。2022年，中國(guó)科學(xué)院的喻俊志等研制了一款后掠角可變的MPF仿蝠鲼機(jī)器魚。該機(jī)器魚展長(zhǎng)723mm，最大弦長(zhǎng)381mm，最大可以實(shí)現(xiàn)每秒1.07倍體長(zhǎng)的游動(dòng)速度，基于后掠角可變的胸鰭結(jié)構(gòu)，該機(jī)器魚的機(jī)動(dòng)性得到了大幅的提升，可實(shí)現(xiàn)快速的俯仰機(jī)動(dòng)，其半徑為205mm。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)該樣機(jī)提出了基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方法的動(dòng)力學(xué)模型。同年，洛桑聯(lián)邦理工的SUN等通過多個(gè)齒輪泵構(gòu)建了柔性致動(dòng)器，可產(chǎn)生最大約25N·m的力矩，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一款胸鰭推進(jìn)的仿生機(jī)器魚。該樣機(jī)展長(zhǎng)1.93m，其撲動(dòng)頻率達(dá)到了0.5Hz，游動(dòng)速度約0.29m/s。該機(jī)器魚的驅(qū)動(dòng)方式為設(shè)計(jì)工程實(shí)際中所需求的大尺度軟體機(jī)器人提供了新的研究思路。西北工業(yè)大學(xué)的曹勇等采用單舵機(jī)驅(qū)動(dòng)單根鰭條、多臺(tái)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)并聯(lián)多根鰭條、雙驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)多連桿等結(jié)構(gòu)方式開發(fā)了多臺(tái)仿蝠鲼機(jī)器魚，如圖3所示。其研發(fā)的翼身融合水下滑翔工程樣機(jī)完成了多次湖、海試驗(yàn)工作，并實(shí)現(xiàn)了最大1025m的下潛深度，是目前國(guó)內(nèi)外唯一具備大深度水下工作能力的仿生潛水器。 ? 根據(jù)以上列舉的研究成果，可以發(fā)現(xiàn)，擺動(dòng)推進(jìn)的仿生機(jī)器魚在航行性能以及與生物的相似程度在逐步提升，同時(shí)也逐漸從實(shí)驗(yàn)室研究階段走向工程應(yīng)用階段，具備較好的應(yīng)用前景。擺動(dòng)推進(jìn)的仿生機(jī)器魚展弦比通常處于1～2之間，因此兩側(cè)胸鰭在存在推力差時(shí)，對(duì)于轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)動(dòng)性有較為明顯的提升，尤其是在機(jī)器魚處于低速巡游情況下。但擺動(dòng)推進(jìn)的機(jī)器魚存在縱向穩(wěn)定性差的問題，這主要是因?yàn)樾伥挀鋭?dòng)過程中產(chǎn)生的水動(dòng)力是周期性變化的，這也對(duì)胸鰭驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)控制提出了新的挑戰(zhàn)。

⒉波動(dòng)推進(jìn)的仿生胸鰭結(jié)構(gòu)

HU等參照“尼羅河魔鬼”（Gymnarchus Niloticus）的長(zhǎng)條狀背鰭，開發(fā)了一款名為RoboGnilos的波動(dòng)仿生鰭裝置。該樣機(jī)由并列排布的9臺(tái)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)舵機(jī)帶動(dòng)獨(dú)立鰭條，鰭條間通過柔性薄膜進(jìn)行連接，通過調(diào)節(jié)舵機(jī)之間的相位差可以實(shí)現(xiàn)柔性薄膜波動(dòng)波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)，該裝置可以達(dá)到約0.35m/s的游動(dòng)速度。CURET等參照南美刀魚的腹鰭，開發(fā)了一款名為Robotic Knifefish的仿生波動(dòng)鰭裝置。該裝置由并列排布的32臺(tái)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于該裝置驅(qū)動(dòng)數(shù)目的增加，在運(yùn)動(dòng)過程中胸鰭可以產(chǎn)生連續(xù)性更好的行波。CURET利用DPIV方法，對(duì)裝置的波動(dòng)傳遞方式差異引起的渦結(jié)構(gòu)、推力以及側(cè)向力變化進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該裝置產(chǎn)生的最大射流速度可達(dá)0.5m/s、最大升力可達(dá)0.4N。 LIU等同樣參照南美刀魚的腹鰭，開發(fā)了一款可自主游動(dòng)的仿生波動(dòng)鰭機(jī)器魚，如圖4所示。該機(jī)器魚采用單驅(qū)動(dòng)形式，在波動(dòng)鰭前緣，由一臺(tái)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)柔性鰭面運(yùn)動(dòng)。由于該機(jī)器魚僅在前緣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，鰭面的波動(dòng)呈現(xiàn)由前緣至后緣振幅逐漸衰減的趨勢(shì)。相較于多驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的波動(dòng)鰭裝置，單驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)由于完全依賴鰭面的被動(dòng)變形，因此不會(huì)產(chǎn)生額外的運(yùn)動(dòng)消耗，在推進(jìn)能耗上有大幅下降，但逐漸衰減的波動(dòng)振幅也限制了機(jī)器魚推進(jìn)能力的進(jìn)一步提升。經(jīng)測(cè)試，該機(jī)器魚可達(dá)到約0.25m/s的游動(dòng)速度。LIU等人開發(fā)了一款名為KnifeBot的仿生波動(dòng)鰭機(jī)器魚，該機(jī)器魚可實(shí)現(xiàn)最大約0.35m/s的游動(dòng)速度。該機(jī)器魚由并列排布的16臺(tái)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)舵機(jī)相位差調(diào)節(jié)鰭面波長(zhǎng)以及波動(dòng)傳遞方向，其利用DPIV方法對(duì)該機(jī)器魚的不同波動(dòng)傳遞方式進(jìn)行了研究，得益于該機(jī)器魚的自主游動(dòng)能力，除游動(dòng)速度外，還可獲得不同波長(zhǎng)、撲動(dòng)頻率對(duì)俯仰角、橫滾角、偏航角的影響規(guī)律。

圖4 仿刀魚波動(dòng)鰭機(jī)器魚

國(guó)防科技大學(xué)與PliantEnergySystems公司分別開發(fā)了2款可實(shí)現(xiàn)水陸兩棲的仿生波動(dòng)鰭機(jī)器人，如圖5所示。二者分別采用橡膠以及硅膠作為鰭面材料，其中，由于前者鰭面材料硬度更高，使得其可在水下、沙地、冰面以及雪地等多種地形條件下實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)，后者爬行速度約為0.1m/s，游動(dòng)速度為0.3m/s。

圖5 水陸兩棲仿生波動(dòng)鰭機(jī)器魚

根據(jù)以上列舉的研究成果，可以發(fā)現(xiàn)，波動(dòng)推進(jìn)的仿生魚逐漸脫離了仿生對(duì)象的束縛，從單波動(dòng)鰭過渡到多波動(dòng)鰭，并利用波動(dòng)傳遞的特性，使波動(dòng)鰭機(jī)器魚具備了水–陸兩棲的功能，具備較好的應(yīng)用前景。波動(dòng)推進(jìn)的仿生機(jī)器魚展弦比通常處于小于1，且鰭面存在的無量綱波數(shù)大于1，這就使得其產(chǎn)生的推力是連續(xù)的，因此也具備更好的穩(wěn)定性。但波動(dòng)推進(jìn)機(jī)器魚由于采用多個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，且驅(qū)動(dòng)裝置之間通過柔性材料連接，在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)存在運(yùn)動(dòng)和變形相互制約，相互影響的情況，因此功耗較高，對(duì)能源系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。

⒊采用軟體驅(qū)動(dòng)器的胸鰭推進(jìn)機(jī)器魚

軟體驅(qū)動(dòng)器是指全部或部分由柔性材料制成、能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)變形的驅(qū)動(dòng)器，相比于傳統(tǒng)剛性驅(qū)動(dòng)器，其具備極高的運(yùn)動(dòng)自由度和極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，還可實(shí)現(xiàn)自組裝、自修復(fù)、自感知等功能，在胸鰭推進(jìn)的仿生機(jī)器魚領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用空間。已經(jīng)研制的胸鰭推進(jìn)式軟體機(jī)器魚所采用的驅(qū)動(dòng)方式包括：氣動(dòng)、形狀記憶合金（SMA）、離子聚合物–金屬?gòu)?fù)合材料（IPMC）、介電彈性體驅(qū)動(dòng)（DEA）和生物融合驅(qū)動(dòng)。 氣動(dòng)指在軟體結(jié)構(gòu)中充入氣體，通過改變氣體體積或內(nèi)部壓力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)與變形的一種驅(qū)動(dòng)方式。日本岡山大學(xué)SUZUMORI等及北京航空航天大學(xué)CAI等都先后研制了胸鰭推進(jìn)的氣動(dòng)軟體機(jī)器魚。2022年，CHI等采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)并結(jié)合多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)成功研制了胸鰭推進(jìn)的蝶泳式機(jī)器魚，游動(dòng)速度可達(dá)每秒3.74倍體長(zhǎng)，是目前世界上游動(dòng)最快的軟體機(jī)器魚。氣動(dòng)具有驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)靈活等優(yōu)勢(shì)；其發(fā)展較早且十分成熟，但通常需要外接氣源，因此不適用于無纜的自主游動(dòng)。 基于SMA材料驅(qū)動(dòng)器的基本原理是：通過電流、光照等方式加熱使SMA產(chǎn)生相變，同時(shí)產(chǎn)生變形。KIM等研發(fā)了一種基于SMA驅(qū)動(dòng)的仿生海龜。WANG等[99]設(shè)計(jì)研究了一種基于SMA驅(qū)動(dòng)的擺尾機(jī)器魚和仿蝠鲼機(jī)器魚?；赟MA的驅(qū)動(dòng)器具有驅(qū)動(dòng)力大、變形量大等優(yōu)勢(shì)；但由于其散熱較慢，驅(qū)動(dòng)后較長(zhǎng)時(shí)間才能夠恢復(fù)至初始狀態(tài)，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)頻率較低。 IPMC是一種電活性聚合物材料（EAP）。在IPMC的電極兩端施加電壓時(shí)，水合陽(yáng)離子在電場(chǎng)作用下移向負(fù)極，負(fù)極產(chǎn)生拉伸變形，同時(shí)，正極發(fā)生收縮變形，材料整體則發(fā)生彎曲變形。HUBBARD等將IPMC應(yīng)用于仿生機(jī)器魚胸鰭和尾鰭的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。SHEN等通過模仿海豚的游動(dòng)方式，使用IPMC研發(fā)了一款仿生機(jī)器魚，并研究了其水動(dòng)力性能。弗吉尼亞大學(xué)的研究者基于IPMC驅(qū)動(dòng)研發(fā)了一款仿生蝠鲼機(jī)器魚，該機(jī)器魚的胸鰭由兩側(cè)的IPMC鰭條驅(qū)動(dòng)，身長(zhǎng)80mm，翼展180mm，最大游動(dòng)速度為4.2mm/s。IPMC具有變形靈活、位移大、驅(qū)動(dòng)電壓低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。由于其驅(qū)動(dòng)需要液體環(huán)境，因此IPMC與機(jī)器魚適配性強(qiáng)。但I(xiàn)PMC仍存在輸出力度小、響應(yīng)頻率低等不足，在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和高效控制方面仍面臨一些挑戰(zhàn)。 以介電彈性體薄膜結(jié)構(gòu)為例，可以對(duì)DEA的驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行簡(jiǎn)單說明：在介電彈性體薄膜上下兩側(cè)的電極上施加電壓，介電彈性體薄膜在Maxwell應(yīng)力的作用下發(fā)生變形，例如薄膜厚度減小，橫向產(chǎn)生擴(kuò)張等。近期，LI等研制了介電彈性體驅(qū)動(dòng)的仿生獅子魚，完成了馬里亞納海溝的深海驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)了全局視覺下軟體機(jī)器魚集群運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。介電彈性體驅(qū)動(dòng)器具有極高的能量密度和良好的頻率響應(yīng)特性，在許多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。但由于其機(jī)理復(fù)雜，在設(shè)計(jì)仿生運(yùn)動(dòng)時(shí)仍有很大挑戰(zhàn)。 生物融合驅(qū)動(dòng)指：將生物材料如動(dòng)物肌肉組織作為驅(qū)動(dòng)器整合到軟體機(jī)器人系統(tǒng)中，使其針對(duì)外界刺激（如電場(chǎng)、光刺激等）做出反應(yīng)的一種驅(qū)動(dòng)方式。2016年，PARK等利用大鼠心肌細(xì)胞研制了一種生物融合驅(qū)動(dòng)的黃貂魚機(jī)器人，所研制的機(jī)器人能夠通過光趨近進(jìn)行導(dǎo)航。2022年，ZHANG等成功研制了一種肌肉組織驅(qū)動(dòng)的仿蝠鲼機(jī)器人，其僅由一塊肌肉組織驅(qū)動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)有效推進(jìn)。生物融合驅(qū)動(dòng)的生物兼容性強(qiáng)，能對(duì)外界刺激（光信號(hào)、電場(chǎng)等）做出反應(yīng)，但其制備困難，對(duì)環(huán)境要求高，該領(lǐng)域的研究目前仍處于起始階段。 除此之外，軟體驅(qū)動(dòng)還包括燃燒（化學(xué)驅(qū)動(dòng)）、電液壓驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式。其中，燃燒能夠在短時(shí)間內(nèi)爆發(fā)大量能量，但二次驅(qū)動(dòng)效果差，在彈跳機(jī)器人、跨介質(zhì)機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。針對(duì)軟體機(jī)器魚的設(shè)計(jì)而言，不難看出，化學(xué)驅(qū)動(dòng)在快速逃逸、躍出水面等研究方向具備巨大潛力。2018年，ACOME等提出的HASEL驅(qū)動(dòng)器（HASEL Actuator）是一類典型的電液壓驅(qū)動(dòng)器，能夠?qū)崿F(xiàn)拉伸、彎曲、旋轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)等多種運(yùn)動(dòng)及變形形式。其能量密度高、輸出能力強(qiáng)、易于快速制備，在設(shè)計(jì)具備復(fù)雜仿生運(yùn)動(dòng)能力的胸鰭推進(jìn)軟體機(jī)器魚方面具備廣闊的前景。 根據(jù)以上所列舉的研究成果，可以看出，大部分研究工作主要關(guān)注具體軟體驅(qū)動(dòng)機(jī)理，所研制的機(jī)器魚樣機(jī)運(yùn)動(dòng)形式單一、操控性差，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜仿生運(yùn)動(dòng)。在撲翼軟體機(jī)器魚的研究過程中，還面臨著許多挑戰(zhàn)：例如，在驅(qū)動(dòng)器層面，如何設(shè)計(jì)和研制能夠滿足胸鰭推進(jìn)特性的軟體驅(qū)動(dòng)器；在系統(tǒng)層面，如何根據(jù)魚類胸鰭運(yùn)動(dòng)變形特性，采用一種或多種軟體驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)具備復(fù)雜仿生運(yùn)動(dòng)能力的仿生胸鰭推進(jìn)系統(tǒng)；在運(yùn)動(dòng)控制層面，如何根據(jù)軟體驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)特性設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜仿生運(yùn)動(dòng)控制?？偠灾?，在運(yùn)動(dòng)效果和應(yīng)用能力方面，與傳統(tǒng)機(jī)器魚相比，軟體機(jī)器魚仍有較大的提升空間。

二水下仿生撲翼機(jī)器人的控制研究

本節(jié)根據(jù)水下?lián)湟頇C(jī)器人的控制目標(biāo)，將水下?lián)湟頇C(jī)器人的控制研究?jī)?nèi)容分為以下幾大類：①撲翼驅(qū)動(dòng)控制；②俯仰與深度控制；③轉(zhuǎn)彎與航向控制；④路徑點(diǎn)與路徑跟蹤；⑤避障與自主游動(dòng)；⑥基于相似度的運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化。針對(duì)以上研究?jī)?nèi)容，本節(jié)主要闡述面向不同控制任務(wù)的控制要求與難點(diǎn)，討論不同控制器對(duì)同一控制目標(biāo)的應(yīng)用特點(diǎn)，為水下?lián)湟頇C(jī)器人的控制器設(shè)計(jì)提供參考。

⒈撲翼驅(qū)動(dòng)控制

水下?lián)湟頇C(jī)器人的游動(dòng)借助成對(duì)撲翼的拍動(dòng)或波動(dòng)，通過撲翼運(yùn)動(dòng)過程中與水的相互作用，推進(jìn)自身游動(dòng)。目前，撲翼驅(qū)動(dòng)控制的方法要有基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的方法、基于動(dòng)力學(xué)模型的方法以及基于中央模式發(fā)生器（CPG）的方法等。 針對(duì)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的方法，LOW等利用模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，導(dǎo)出了2種形式的多鏈機(jī)器魚步態(tài)規(guī)劃的一般解，該解被用作六鏈體尾鰭式機(jī)器魚、八鏈胸鰭式機(jī)器魚游動(dòng)試驗(yàn)的步態(tài)控制輸入，實(shí)現(xiàn)了對(duì)RoMan-III兩側(cè)柔性胸鰭的驅(qū)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)表明其開環(huán)游動(dòng)的最大速度為0.45m/s。WU等提出了一種基于連桿機(jī)構(gòu)的新型仿蝠鲼機(jī)器人，作者對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了仿生機(jī)器人的水下實(shí)驗(yàn)，其胸鰭的運(yùn)動(dòng)軌跡與蝠鲼胸鰭的運(yùn)動(dòng)軌跡相近。LIU等對(duì)仿蝠鲼機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和水動(dòng)力學(xué)的仿真分析，并在水池中進(jìn)行了測(cè)試，該機(jī)器人能通過改變兩側(cè)胸鰭的幅值實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的橫滾和俯仰運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)游動(dòng)和轉(zhuǎn)向。WANG等提出了一種基于波動(dòng)式胸鰭的仿蝠鲼機(jī)器人，并對(duì)波動(dòng)式胸鰭的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了前后游動(dòng)、俯仰、轉(zhuǎn)彎3個(gè)基本動(dòng)作并進(jìn)行了評(píng)價(jià)。 針對(duì)基于動(dòng)力學(xué)模型的方法，CAI等、MENG等建立了仿生胸鰭的簡(jiǎn)化水動(dòng)力學(xué)模型，測(cè)試了所設(shè)計(jì)的胸鰭機(jī)構(gòu)及仿蝠鲼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能，但仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間仍有明顯的誤差。目前，由于剛體與柔性耦合變形的水動(dòng)力分析十分復(fù)雜，建立一個(gè)精確的胸鰭動(dòng)力學(xué)模型是非常困難的。因此，基于動(dòng)力學(xué)模型的驅(qū)動(dòng)控制方法仍然較少。 基于目前的情況，更加穩(wěn)定、可靠且無需節(jié)奏信號(hào)反饋的CPG方法開始被大量運(yùn)用。CAI等開展了仿蝠鲼機(jī)器魚的CPG多運(yùn)動(dòng)模態(tài)協(xié)調(diào)控制研究，進(jìn)行胸尾鰭結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了撲動(dòng)前游、倒游、原地轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；ZHANG等設(shè)計(jì)了一個(gè)CPG模型，實(shí)現(xiàn)了仿生機(jī)器魚的多模態(tài)機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)表明利用胸尾鰭一體化推進(jìn)機(jī)構(gòu)，機(jī)器魚可以更穩(wěn)定、更高效地進(jìn)行靈活的機(jī)動(dòng)游動(dòng)；CAO等改進(jìn)了基于相位振蕩器的CPG模型，引入了空間與時(shí)間上的非對(duì)稱效應(yīng)，完成了對(duì)多鰭條胸鰭結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試了其運(yùn)動(dòng)性能。

⒉俯仰與深度控制

上浮與下潛2種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是水下?lián)湟頇C(jī)器人完成深度控制的基礎(chǔ)。水下?lián)湟頇C(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異會(huì)導(dǎo)致其實(shí)現(xiàn)2種運(yùn)動(dòng)的方式不同。例如，只擁有浮力系統(tǒng)的機(jī)器人可以在速度為零的情況下實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)深度的改變，而只擁有重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人則需要在機(jī)器人具備一定前游速度的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)重心位置改變俯仰力矩，進(jìn)而改變俯仰角，最后實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)深度的調(diào)節(jié)。同時(shí)，擁有可上下偏轉(zhuǎn)的尾鰭的機(jī)器人也可以在具備一定的前游速度的基礎(chǔ)下通過調(diào)節(jié)尾鰭的偏置角度改變運(yùn)動(dòng)的深度。當(dāng)尾鰭向上偏置時(shí)，尾部受到的力會(huì)使得機(jī)器人產(chǎn)生抬頭力矩，機(jī)器人呈現(xiàn)上浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而運(yùn)動(dòng)深度變??；當(dāng)尾鰭向下偏置時(shí)，尾部受到的力會(huì)使得機(jī)器人產(chǎn)生低頭力矩，機(jī)器人呈現(xiàn)下潛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而運(yùn)動(dòng)深度變大。

由于尾鰭具有不占用額外的艙內(nèi)空間、且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，因此在進(jìn)行水下?lián)湟頇C(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)，小尺寸樣機(jī)通常只包含尾鰭機(jī)構(gòu)，而大尺寸樣機(jī)通常同時(shí)包含重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與浮力系統(tǒng)。 針對(duì)水下?lián)湟頇C(jī)器人深度控制，研究人員以盡量快速的按照平滑軌跡到達(dá)某一固定深度，并保持在這一深度游動(dòng)為目標(biāo)開展了相關(guān)研究。NIU等通過調(diào)節(jié)尾鰭的偏轉(zhuǎn)角度，采用基于模糊邏輯的方法實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的深度控制，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于模糊邏輯的深度控制方法的有效性；WANG等通過實(shí)驗(yàn)研究了“RobCutt-I”的運(yùn)動(dòng)速度與波形傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，包括向前/向后游泳、潛水/上升和轉(zhuǎn)彎3個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上提出了將自抗擾控制（ADRC）與模糊策略相結(jié)合的混合控制，以實(shí)現(xiàn)深度和航向的閉環(huán)控制；德國(guó)EvoLogicsGmbH公司與呂貝克應(yīng)用科學(xué)大學(xué)研制的MantaRayAUV包括2個(gè)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、4個(gè)垂直推進(jìn)器、2個(gè)機(jī)翼伺服系統(tǒng)、2個(gè)扭轉(zhuǎn)機(jī)翼伺服系統(tǒng)和1個(gè)尾部伺服系統(tǒng)，這種配置使得它具備動(dòng)態(tài)深度控制能力，可以實(shí)現(xiàn)高精度的深度保持控制，同時(shí)具備迅速完成潛水或爬升動(dòng)作的能力；CAO等設(shè)計(jì)了一種仿牛鼻鲼機(jī)器人Robo-ray，通過2個(gè)尾鰭來實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人的控制深度，基于CPG-模糊算法提出了開環(huán)速度控制、閉環(huán)深度控制和航向控制方法。閉環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人的深度控制誤差小于6.1cm，航向控制誤差小于6°；XIE等考慮到未知的動(dòng)力學(xué)和外部環(huán)境干擾，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于CPG的經(jīng)典高木–關(guān)野（Takagi-Sugeno，T-S）模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器用于仿蝠鲼機(jī)器人的航向和深度控制，并通過水池測(cè)試驗(yàn)證了控制器的有效性，其深度跟蹤和航向跟蹤控制誤差分別為±6cm和±6°；HE等為了提高仿蝠鲼機(jī)器人的深度跟蹤能力，考慮仿蝠鲼機(jī)器人的縱向運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于非對(duì)稱輸出S平面的深度控制器。最后，通過水池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿蝠鲼機(jī)器人深度控制器的可行性和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，深度控制誤差在±5cm以內(nèi)。

⒊轉(zhuǎn)彎與航向控制

水下?lián)湟頇C(jī)器人的撲翼在撲動(dòng)過程中的波動(dòng)，可以簡(jiǎn)單地分解為弦向的波動(dòng)和展向的波動(dòng)。水下?lián)湟頇C(jī)器人主要通過3種方式進(jìn)行轉(zhuǎn)彎：兩側(cè)非對(duì)稱振幅方式和兩側(cè)鰭條間非對(duì)稱弦向相位差方式，以及非對(duì)稱振幅和非對(duì)稱相位差結(jié)合的方式。 基于非對(duì)稱振幅的轉(zhuǎn)彎方式，一側(cè)撲翼的撲動(dòng)振幅大于另一側(cè)，撲動(dòng)振幅較大的一側(cè)產(chǎn)生更大的推進(jìn)力，導(dǎo)致兩側(cè)撲翼的推進(jìn)力不同，形成轉(zhuǎn)彎力矩，從而使機(jī)器人轉(zhuǎn)向振幅小的或無拍動(dòng)振幅的一側(cè)，實(shí)現(xiàn)航向的調(diào)整?；诜菍?duì)稱振幅的轉(zhuǎn)彎模式具有較慢的轉(zhuǎn)彎角速度和較大的轉(zhuǎn)彎半徑，因此該方法適用于小范圍內(nèi)的航向調(diào)整。 基于非對(duì)稱相位差的轉(zhuǎn)彎方式，撲翼的波動(dòng)傳遞方向或快慢不同，因此兩側(cè)撲翼的推進(jìn)力大小不同，形成一個(gè)大的轉(zhuǎn)彎力矩。該轉(zhuǎn)彎方式主要用于快速響應(yīng)時(shí)的機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)向。因此，基于非對(duì)稱相位差的轉(zhuǎn)彎模式適用于轉(zhuǎn)彎角速度快、轉(zhuǎn)彎半徑小的大航向調(diào)整。 航向控制的主要任務(wù)是通過調(diào)節(jié)兩側(cè)胸鰭非對(duì)稱振幅及相位差，使機(jī)器人的實(shí)際航向趨近于期望航向。

基于上述目標(biāo)，WANG等提出了一種ADRC與模糊控制策略相結(jié)合的混合控制方法來進(jìn)行航向控制，該方法在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)RobCutt-I、RobCutt-II上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，設(shè)定航向從70°調(diào)整到210°，穩(wěn)定時(shí)間約為12s，且超調(diào)量較小。針對(duì)單一依靠非對(duì)稱振幅及相位差進(jìn)行航向調(diào)整存在的問題，HAO等結(jié)合2種轉(zhuǎn)彎方式的特點(diǎn)，利用非對(duì)稱相位差快速調(diào)整航向，利用非對(duì)稱振幅精確調(diào)整航向，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)航向控制。通過航向干擾實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了2種轉(zhuǎn)彎方式結(jié)合比單一方式更有效，并通過矩形軌跡游動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該機(jī)器人在2種轉(zhuǎn)彎方式結(jié)合下的機(jī)動(dòng)性。此外，非對(duì)稱振幅可以提前改變預(yù)期的相位差，確保輸出的平穩(wěn)過渡，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的調(diào)整。針對(duì)上述航向控制方法精度不高的問題，XIE等提出了一種將CPG和基于T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）的控制相結(jié)合的控制方案，該方法基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建航向數(shù)據(jù)集，并使用相應(yīng)的數(shù)據(jù)集完成對(duì)所建立的T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，提出了基于CPG網(wǎng)絡(luò)的航向控制器，其中參數(shù)由T-S神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取，最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該仿蝠鲼機(jī)器人的航向控制誤差為±6°，航向控制精度有所提高，驗(yàn)證了該控制器的有效性和魯棒性。 HE等以仿蝠鲼機(jī)器人在航向角變化較大的情況下實(shí)現(xiàn)良好的航向跟蹤效果為目標(biāo)，結(jié)合模糊控制器和航向過渡目標(biāo)值函數(shù)，基于S平面控制方法設(shè)計(jì)了仿蝠鲼機(jī)器人的航向控制器，最后，通過水池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了蝠鲼機(jī)器人航向控制器的可行性和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，航向控制誤差在±5°以內(nèi)，與經(jīng)典S面航向控制器相比，改進(jìn)S面航向控制器的超調(diào)量較小，且航向切換后的誤差較小。

⒋路徑點(diǎn)與路徑跟蹤

根據(jù)不同的控制目標(biāo)，跟蹤問題可分為路徑點(diǎn)跟蹤和路徑跟蹤。路徑點(diǎn)跟蹤的含義為機(jī)器人經(jīng)過一系列給定的路徑點(diǎn)游動(dòng)，路徑跟蹤的含義為機(jī)器人按照制定的最優(yōu)幾何參考路徑游動(dòng)。 在運(yùn)用路徑規(guī)劃算法規(guī)劃好一條從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑后，機(jī)器人從起點(diǎn)出發(fā)，按照某種控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，到達(dá)該最優(yōu)路徑并實(shí)現(xiàn)對(duì)其的跟蹤。如何讓機(jī)器人跟蹤該最優(yōu)路徑，是路徑跟蹤需解決的關(guān)鍵問題。路徑跟蹤的實(shí)質(zhì)是通過控制水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)來減少機(jī)器人與參考軌跡之間的空間誤差。若考慮軌跡跟蹤，則需包含時(shí)間上的誤差。然而，水下?lián)湟頇C(jī)器人的模型不確定性和來自波浪和水流等環(huán)境的干擾在很大程度上影響著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制性能，進(jìn)而影響跟蹤精度。 針對(duì)上述路徑點(diǎn)跟蹤問題，BI等提出了一種路徑點(diǎn)跟蹤控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括2層：速度控制層和航向控制層。速度控制層基于實(shí)驗(yàn)樣機(jī)與路徑點(diǎn)的距離調(diào)節(jié)機(jī)器人的最大撲動(dòng)振幅，航向控制層采用模糊控制方法來獲得轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)向因子。 為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行了路徑點(diǎn)跟蹤實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在任意設(shè)置路徑點(diǎn)或隨機(jī)給定路徑點(diǎn)的情況下，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)均能自主游動(dòng)到達(dá)目標(biāo)區(qū)域；WANG等提出了基于有限狀態(tài)機(jī)（FSM）的視線（LOS）制導(dǎo)系統(tǒng)的路徑點(diǎn)跟蹤方法，基于RobCutt-I實(shí)現(xiàn)了6個(gè)路徑點(diǎn)的跟蹤。 針對(duì)上述路徑跟蹤問題，WANG等提出了一種用于三維點(diǎn)跟蹤的切換控制方法，并設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬實(shí)際水下作業(yè)過程的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，RobCutt-II能夠跟隨參考路徑，且最大交叉軌跡誤差為0.1m。隨后，在該方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種將視覺系統(tǒng)與反步控制相結(jié)合的路徑跟蹤方法。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，RobCutt-II能夠在水下空間中自主地沿著直線和圓形路徑游動(dòng)。此外，與傳統(tǒng)比例–積分–微分（PID）方法相比，該方法減小了軌跡交叉誤差，軌跡跟蹤效果更加理想。同時(shí)，由于采用了航向補(bǔ)償，該方法具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

⒌避障與自主游動(dòng)

水下?lián)湟頇C(jī)器人的高機(jī)動(dòng)性使它們能夠在復(fù)雜和狹窄的環(huán)境中工作。同時(shí)，自主工作的前提條件是機(jī)器人能夠自主檢測(cè)和避開障礙物。目前，水下?lián)湟頇C(jī)器人大多采用紅外傳感器、超聲波、攝像頭進(jìn)行障礙物的檢測(cè)。ZHANG等綜合昆蟲翅膀和魚鰭的優(yōu)點(diǎn)開發(fā)了一款仿生機(jī)器魚，其頭部安裝了3個(gè)對(duì)前的紅外傳感器，包括上前、中前、下前3個(gè)方向，利用3個(gè)紅外傳感器的信息作為CPG網(wǎng)絡(luò)的反饋，機(jī)器人可以通過改變步態(tài)或動(dòng)作來避開障礙物，實(shí)現(xiàn)自主游動(dòng)。Festo公司仿生學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)Bionic FinWave的靈感來自于波浪狀鰭魚類的運(yùn)動(dòng)，該自主水下機(jī)器人能夠與外界進(jìn)行無線通信，并將傳感器記錄的溫度和壓力值等數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/1247/" target="_blank">電腦上。此外，機(jī)器人前部還裝有壓力傳感器和超聲波傳感器以不斷地測(cè)量其與障礙物之間的距離，從而防止其與障礙物發(fā)生碰撞。 XIE等針對(duì)仿蝠鲼機(jī)器人自主游動(dòng)的問題，在利用胸鰭相位差進(jìn)行左右轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上引入飽和函數(shù)，使得機(jī)器人能夠根據(jù)障礙物的距離改變轉(zhuǎn)彎的速度。YANG等針對(duì)已知結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的繞池壁自主游動(dòng)問題，采用基于CPG、模糊控制與策略的控制方法，完成了仿蝠鲼機(jī)器人的水池繞壁自主游動(dòng)。

⒍基于相似度的運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化

隨著水下?lián)湟頇C(jī)器人研究的深入，機(jī)器人在模仿真實(shí)生物時(shí)的重點(diǎn)由“形似”逐漸過渡到追求“神似”。通過提高仿真度，可以顯著提升仿生機(jī)器人的穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性和游動(dòng)效率。為了解決如何提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)仿生相似度的問題，亟需建立基于仿生水下機(jī)器人的相似度評(píng)價(jià)體系，有效改善仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特征和控制策略，進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)相似度參數(shù)優(yōu)化。 基于上述問題，MA等通過特征點(diǎn)軌跡提取和動(dòng)態(tài)時(shí)間歸整（DTW）算法建立了運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的相似度評(píng)價(jià)規(guī)則。通過引入偏置方程和時(shí)間非對(duì)稱系數(shù)，建立了表征蝠鲼胸鰭運(yùn)動(dòng)時(shí)間和空間非對(duì)稱性的相位振蕩器模型，構(gòu)造了基于相位振蕩器的CPG拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，建立了運(yùn)動(dòng)姿態(tài)相似度的適應(yīng)函數(shù)，并提出了CPG網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的遺傳粒子群優(yōu)化算法，通過水池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于相似度優(yōu)化運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化的控制的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的仿蝠鲼機(jī)器人前游運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與蝠鲼的相似度提高到88.53%；隨后，該團(tuán)隊(duì)研究了仿蝠鲼機(jī)器人胸鰭鰭條相位差變化的優(yōu)化方法，以輸出信號(hào)的平滑性和快速性為優(yōu)化目標(biāo)，采用非支配排序遺傳算法（NSAG-II）對(duì)CPG參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)組合。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化后的CPG控制器輸出信號(hào)在相位切換過程中能夠平穩(wěn)、快速地轉(zhuǎn)換。水下仿生撲翼機(jī)器人近年來發(fā)展情況如表1所示。

表1 水下仿生撲翼機(jī)器人近15年發(fā)展情況概述

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綜上所述，基于CPG模型的方法被越來越多地使用到水下仿生撲翼機(jī)器人的胸鰭驅(qū)動(dòng)上，該模型能夠在簡(jiǎn)單的激勵(lì)輸入下模擬復(fù)雜的節(jié)律信號(hào)，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，將傳感器信息耦合進(jìn)CPG模型是水下仿生撲翼機(jī)器人撲翼驅(qū)動(dòng)控制研究的新方向。在此基礎(chǔ)上，研究人員針對(duì)水下?lián)湟頇C(jī)器人的深度與航向控制問題，基于傳感器反饋采取合適的控制策略或無模型控制方法，通過改變水下?lián)湟頇C(jī)器人的俯仰與轉(zhuǎn)彎狀態(tài)實(shí)現(xiàn)深度與航向調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)深度與航向的控制。進(jìn)一步地，水下?lián)湟頇C(jī)器人的路徑跟蹤與自主游動(dòng)還需考慮機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型的非線性與環(huán)境的不確定性，因此目前的研究成果多集中于單平面內(nèi)的路徑跟蹤，而三維空間內(nèi)的跟蹤問題仍處于初始階段。另一方面，仿生相似度評(píng)價(jià)方法的研究主要集中在仿生陸地生物和仿生機(jī)器人，對(duì)于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有明顯的主被動(dòng)變形的水下?lián)湟頇C(jī)器人，完整的相似度評(píng)價(jià)體系還有待建立，且基于仿生相似度的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)優(yōu)化也存在較大的研究空間。 未來，水下仿生撲翼機(jī)器人的多載荷應(yīng)用、任務(wù)規(guī)劃與執(zhí)行將是其成為海洋重要裝備的關(guān)鍵，其所涉及控制問題也值得研究人員去探索。

三水下仿生撲翼機(jī)器人集群

與常規(guī)推進(jìn)方式相比，魚類游動(dòng)具有更高的效率、機(jī)動(dòng)性、生物親和性和隱蔽性。近些年來，仿生集群逐漸成為水下機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 STEVENS等對(duì)蝠鲼種群進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的個(gè)體記錄與行為觀察，詳細(xì)闡明了蝠鲼個(gè)體與群體行為特征，根據(jù)蝠鲼的個(gè)體數(shù)量與運(yùn)動(dòng)類型，總結(jié)了蝠鲼個(gè)體與群體捕食策略，對(duì)于了解蝠鲼個(gè)體與群體行為特性提供了重要依據(jù)。 GAO等和MA等采用數(shù)值模擬的方法研究了串聯(lián)、并排與垂直隊(duì)形下距離與攻角對(duì)蝠鲼個(gè)體與整體滑翔水動(dòng)力性能的影響。從阻力性能方面，雙蝠鲼的串聯(lián)與并排隊(duì)形可以顯著降低整體阻力；垂直滑翔中，隨著攻角的變化，個(gè)體獲得阻力交替減小的效果。在升力性能方面，無論何種排列方式，滑翔時(shí)的整體升力與單體升力基本相同。 國(guó)內(nèi)外一些機(jī)構(gòu)針對(duì)仿蝠鲼機(jī)器人的集群控制開展了相關(guān)研究。德國(guó)EvoLogics公司研發(fā)了BOSS-MantaRay，搭載多型傳感器，技術(shù)成熟度較高。采用水聲通信方式，實(shí)現(xiàn)了3臺(tái)以上BOSS-Manta水下組網(wǎng)與集群，如圖6所示，具備水文信息剖面測(cè)量、海底繪圖、協(xié)同監(jiān)測(cè)和搜索等作業(yè)能力。 ?

2021年，浙江大學(xué)設(shè)計(jì)了由介電彈性體和伺服電機(jī)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的軟體蝠鲼機(jī)器魚，并提出了一種基于全局視覺定位的機(jī)器人集群系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)自然界生物平行、圍捕和環(huán)繞3種典型的群集行為的模仿。2022年，北京大學(xué)喻俊志團(tuán)隊(duì)提出了一種基于視覺的仿蝠鲼機(jī)器人水下跟蹤方案，采用基于顏色的水下目標(biāo)識(shí)別與定位方法，解決了機(jī)器人距離控制與方位控制耦合的問題，并通過水下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了跟蹤方案的有效性和魯棒性。2023年，西北工業(yè)大學(xué)將仿蝠鲼機(jī)器人的跟隨問題轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)引問題?；隰~群行為啟發(fā)，制定了基于跟隨區(qū)域劃分的群游跟隨導(dǎo)引策略，利用水下動(dòng)作捕捉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了仿蝠鲼機(jī)器人的跟隨游動(dòng)控制，如圖7所示。 ? 由于水下環(huán)境對(duì)感知和移動(dòng)帶來了巨大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的地面通信方法（如無線電）在水下表現(xiàn)不佳，而GPS等定位方法不可用。同時(shí)，水下移動(dòng)面臨速度與加速限制等問題。目前，水下仿生撲翼機(jī)器人集群研究仍處于初始階段。

編輯：黃飛

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