·84 北京科技大学学报 第34卷 Proceedings of 17th Mediterranean Conference on Control Automa- tion.Thessaloniki,2009:766 Martin JS,Scheid JF,TakahashiT,et al.An initial and bound- ary value problem modeling of fish-ike swimming.Arch Ration Mech Anal,2009,188(3):429 B]Morgansen K A,Duindam V,Mason R J,et al.Nonlinear control methods for planar Carangiform robot fish locomotion//Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on Robotics Automa- tion.Seoul,2001:427 4]Wang K,Yu J Z.An embedded vision system for robotic fish navi- gation//Proceedings of International Conference on Computer Appli- 图7单关节机器鱼以最小半径巡游 cation and System Modeling.Taiyuan,2010:333 Fig.7 Cruising s of the single-ink robotic fish with the minimum [5] Chen W S,Xia D,Liu J K.Modular design and realization of a turning radius torpedo-shape robot fish//Proceedings of IEEE International Con- ference on Mechatronics and Automation.Takamatsu,2008:125 器鱼的最小转弯半径基本可以达到最小，从而说明 [6]Yu J Z,Chen EK,Wang S,et al.Research evolution and analysis of 盲目地增加关节数量并不能有效地提高机器鱼的机 biomimetic robot fish.Control Theory Appl,2003,20(4):485 动性，但可以增加巡游的稳定性 (喻俊志，陈尔奎，王硕，等。仿生机器鱼研究的进展与分析 控制理论与应用，2003,20(4)：485) 4结论 Mason R M.Burdick J W.Experiments in carangiform robotic fish locomotion//Proceedings of IEEE International Conference on Ro- 经过对BLRF-I系列单关节、两关节和三关节 botics Automation.San Francisco,2000:428 仿生机器鱼的实验研究发现，增加仿生机器鱼摆动 8] Barrett D S,Triantafyllou MS,Yue D K P,et al.Drag reduction 舵机的数量，即增加机器鱼的关节数目和摆动长度， in fish-ike locomotion.J Fluid Mech,1999,392:183 可以有效地提高仿生机器鱼的巡游速度.关节数目 [9]Low K H,Chong C W,Zhou C L.Performance study of a fish ro- bot propelled by a flexible caudal fin//Proceedings of IEEE Inter- 对机器鱼巡游速度的影响可以参照关系方程(3)， national Conference on Robotics and Automation Anchorage Conven- 即v=-a(x。-n)2+M.在设计时可以根据需要选 tion District.Anchorage,2010:90 择适当的关节数目.最小转弯半径的实验结果表 1o1 Liu J K,Chen W S,Chen Z L.Experimental study on a two- 明，两关节机器鱼的最小转弯半径相对于单关节机 joint robotic fish.China Mech Eng,2002,13(16):1354 器鱼有极为明显的减小，而三关节机器鱼相对于两 (刘军考，陈维山，陈在礼。仿生机器鱼的运动学参数及实 验研究.中国机械工程，2002,13(16)：1354) 关节机器鱼的最小转弯半径几乎没有变化，但是在 01] Zhou C.Cao ZQ.Wang S,et al.The design and path planning 转弯时巡游稳定性增加，所以仿生机器鱼的最小转 of a miniature biomimetic robotic fish.Acta Autom Sin,2008,34 弯半径在关节数量为2时便可以达到最小，继续增 (7):772 加舵机数目，不会继续减小转弯半径的长度，只会提 (周超，曹志强，王硕，等.微小型仿生机器鱼设计与实时路 高转弯巡游时的稳定性 径规划.自动化学报，2008,34(7)：772) 2] Sfakiotakis M,Lane D M,Davies J B C.Review of fish swim- 实验过程中，仿生机器鱼在摆动频率达到最高 ming modes for aquatic locomotion.IEEEJOceanic Eng,1999. 时，鱼体出现了明显的左右晃动现象，不能很稳定地 24(2):237 巡游：另外鱼头部分与水接触面积较大，增加了水阻 [13]Lighthill M J.Aquatic animal propulsion of high hydromechanical 力的作用.在以后的研究中会更深入地研究分析鱼 efficiency.J Fluid Mech,1970,44 (2):265 体动力学对机器鱼巡游性能的影响，对鱼体的外形 [14]Liu J D.Hu H S.Biological inspiration:from Carangiform fish to 设计做进一步改进，使得机器鱼在高速巡游时可以 multi-joint robotic fish.J Bionic Eng,2010,7(1):35 [15]Melli J.Rowley C W.Models and control of fish-ike locomo- 稳定地运动，并且尽可能地减小水阻力的作用，提高 tion.Exp Mech,2010,50(9):1355 仿生机器鱼的巡游性能. [16]Anton M,Chen Z,Kruusmaa M,et al.Analytical and computa- tional modeling of robotic fish propelled by soft actuation material- 参考文献 based active joints//Proceeding of the IEEE/RSJ International [Papadopoulos E,Apostolopoulos E,Tsigkourakos P.Design,con- Conference on Intelligent Robots and Systems.St.Louis,2009 trol and experimental performance of a teleoperated robotic fish// 2126北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 7 单关节机器鱼以最小半径巡游 Fig． 7 Cruising s of the single-link robotic fish with the minimum turning radius 器鱼的最小转弯半径基本可以达到最小，从而说明 盲目地增加关节数量并不能有效地提高机器鱼的机 动性，但可以增加巡游的稳定性． 4 结论 经过对 BLRF--I 系列单关节、两关节和三关节 仿生机器鱼的实验研究发现，增加仿生机器鱼摆动 舵机的数量，即增加机器鱼的关节数目和摆动长度， 可以有效地提高仿生机器鱼的巡游速度． 关节数目 对机器鱼巡游速度的影响可以参照关系方程( 3) ， 即 v = － a ( xn － n) 2 + M． 在设计时可以根据需要选 择适当的关节数目． 最小转弯半径的实验结果表 明，两关节机器鱼的最小转弯半径相对于单关节机 器鱼有极为明显的减小，而三关节机器鱼相对于两 关节机器鱼的最小转弯半径几乎没有变化，但是在 转弯时巡游稳定性增加，所以仿生机器鱼的最小转 弯半径在关节数量为 2 时便可以达到最小，继续增 加舵机数目，不会继续减小转弯半径的长度，只会提 高转弯巡游时的稳定性． 实验过程中，仿生机器鱼在摆动频率达到最高 时，鱼体出现了明显的左右晃动现象，不能很稳定地 巡游; 另外鱼头部分与水接触面积较大，增加了水阻 力的作用． 在以后的研究中会更深入地研究分析鱼 体动力学对机器鱼巡游性能的影响，对鱼体的外形 设计做进一步改进，使得机器鱼在高速巡游时可以 稳定地运动，并且尽可能地减小水阻力的作用，提高 仿生机器鱼的巡游性能． 参 考 文 献 ［1］ Papadopoulos E，Apostolopoulos E，Tsigkourakos P． Design，con￾trol and experimental performance of a teleoperated robotic fish / / Proceedings of 17th Mediterranean Conference on Control ＆ Automa￾tion． Thessaloniki，2009: 766 ［2］ Martin J S，Scheid J F，Takahashi T，et al． An initial and bound￾ary value problem modeling of fish-like swimming． Arch Ration Mech Anal，2009，188( 3) : 429 ［3］ Morgansen K A，Duindam V，Mason R J，et al． Nonlinear control methods for planar Carangiform robot fish locomotion / /Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on Robotics ＆ Automa￾tion． Seoul，2001: 427 ［4］ Wang K，Yu J Z． An embedded vision system for robotic fish navi￾gation / /Proceedings of International Conference on Computer Appli￾cation and System Modeling． Taiyuan，2010: 333 ［5］ Chen W S，Xia D，Liu J K． Modular design and realization of a torpedo-shape robot fish / /Proceedings of IEEE International Con￾ference on Mechatronics and Automation． Takamatsu，2008: 125 ［6］ Yu J Z，Chen E K，Wang S，et al． Research evolution and analysis of biomimetic robot fish． Control Theory Appl，2003，20( 4) : 485 ( 喻俊志，陈尔奎，王硕，等． 仿生机器鱼研究的进展与分析． 控制理论与应用，2003，20( 4) : 485) ［7］ Mason R M，Burdick J W． Experiments in carangiform robotic fish locomotion / /Proceedings of IEEE International Conference on Ro￾botics ＆ Automation． San Francisco，2000: 428 ［8］ Barrett D S，Triantafyllou M S，Yue D K P，et al． Drag reduction in fish-like locomotion． J Fluid Mech，1999，392: 183 ［9］ Low K H，Chong C W，Zhou C L． Performance study of a fish ro￾bot propelled by a flexible caudal fin / /Proceedings of IEEE Inter￾national Conference on Robotics and Automation Anchorage Conven￾tion District． Anchorage，2010: 90 ［10］ Liu J K，Chen W S，Chen Z L． Experimental study on a two￾joint robotic fish． China Mech Eng，2002，13( 16) : 1354 ( 刘军考，陈维山，陈在礼． 仿生机器鱼的运动学参数及实 验研究． 中国机械工程，2002，13( 16) : 1354) ［11］ Zhou C，Cao Z Q，Wang S，et al． The design and path planning of a miniature biomimetic robotic fish． Acta Autom Sin，2008，34 ( 7) : 772 ( 周超，曹志强，王硕，等． 微小型仿生机器鱼设计与实时路 径规划． 自动化学报，2008，34( 7) : 772) ［12］ Sfakiotakis M，Lane D M，Davies J B C． Review of fish swim￾ming modes for aquatic locomotion． IEEE J Oceanic Eng，1999， 24( 2) : 237 ［13］ Lighthill M J． Aquatic animal propulsion of high hydromechanical efficiency． J Fluid Mech，1970，44( 2) : 265 ［14］ Liu J D，Hu H S． Biological inspiration: from Carangiform fish to multi-joint robotic fish． J Bionic Eng，2010，7( 1) : 35 ［15］ Melli J，Rowley C W． Models and control of fish-like locomo￾tion． Exp Mech，2010，50( 9) : 1355 ［16］ Anton M，Chen Z，Kruusmaa M，et al． Analytical and computa￾tional modeling of robotic fish propelled by soft actuation material￾based active joints/ /Proceeding of the IEEE /RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems． St． Louis，2009: 2126 ·84·