第3期 王耀威，等：仿生机器鱼运动控制方法综述 ·281- 文献[49]提出了一种和Ijspeert模型相似但拓 图4(b)所示。图4(c)中，当t=5s时神经振荡器 扑结构不同的振荡器模型作为控制器，通过改变振 的激励输入和时间常数发生改变，CG输出信号的 荡器的频率、振幅、相位偏移等参数，使机器鱼产生 频率和幅值并没有产生不连续的变化，而是渐近平 期望的游动或爬行状态。最后，Crespi等用仿真和 滑地收敛到了新值。 实验证明了CPG控制方法有利于鳍的在线游动步 与前2种方法相比，基于CPG的运动控制方法 态生成，并且在参数突变时，CPG控制方法可以实 由于在线步态生成和模型的非线性特性而具有一系 现平滑的适应和过渡。 列优点：1)对参数变化引起的频率、幅值突变，各关 图4给出了当控制参数变化时，3种仿生机器 节的摆动可以平滑地适应和过渡，从而实现平滑自 鱼运动控制方法的相应响应曲线[】。 然的速度调节：2)对环境中的扰动具有很好的适应 0.4 性；3)可产生灵活多样的游动步态。基于CPG的运 动控制研究尚处于起步阶段，CPG模型一般较为复 0.2 杂、含有高度非线性环节，这给CPG模型的研究带 来许多困难和应用上的不便。目前CPG模型较不 统一，要得到更加稳定灵活的游动步态，并将理论成 0.2 果转化为实际的工程方法还需要更加深入的研究和 14 探索。 0.5 1.0 1.52.02.53.0 tis 3结束语 (a)基于杆系结构的鱼体波曲线拟合法 本文对几种常见的仿生机器鱼运动控制方法进 0.4 行了讨论，并分析了各自的优缺点，对于从事这方面 0.2 研究的人员具有一定的参考价值。由于CPG控制 方法本身的稳定性、可靠性以及无需节律信号输入 等优点，使基于CPG的运动控制方法明显优于基于 0.2 杆系结构的鱼体波曲线拟合法和正弦控制器方法， 因此基于CPG模型的方法将成为未来主流的运动 -0.4 12345678910 控制方法。 tis (b)正弦控制器方法 参考文献： 0.4 [1]TRIANTAFYLLOU M S,TRIANTAFYLLOU G S.An effi- cient swimming machine[J].Scientific American,1995, 0.2 272(3):40-46 [2]蒋新松.未来机器人技术发展方向的探讨[J].机器人， 1996,18(5):285-291. JIANG Xinsong.An overview of the prospects of robot tech- 0.2 nologies[J].Robot,1996,18(5):285-291. [3]李志成.仿生机器鱼建模与软硬件实现的研究[D].哈 -0.41 尔滨：哈尔滨工业大学，2007：1-5. 0 345 678910 tis LI Zhicheng.The software and hardware design and dynamic (c)基于CPG的方法 research on the robot fish[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2007:1-5. 图43种仿生机器鱼运动控制方法对控制参数变化的响应 [4]张芳，林良明.多移动机器人协调系统体系结构与相关 Fig.4 Three motion control methods of biomimetic robotic 问题[J].机器人，2001,23(6)：554-558. fish in response to the variation of control parameter ZHANG Fang,LIN Liangming.Architecture and related 如图4(a)所示，基于杆系结构的鱼体波曲线拟 problems concerning cooperative mobile robot system[J]. 合法在t=1s时控制参数发生突变，仿生机器鱼的 Robot,2001,23(6):554-558. [5]HU H,LIU J,DUKES I,et al.Design of 3D swim patterns 关节摆角经过01s的不平滑的调节过程过渡到了 for autonomous robotic fish[C]//Proceedings of the IEEE 新值，而正弦控制器方法在t=5s控制参数发生突 RSJ International Conference on Intelligent Robots and Sys- 变后，仿生机器鱼的关节摆角直接突变到了新值，如 tems.Beijing,China,2006:2406-2411. [6]MENZEL P,ALUISIO F D.Robo sapiens:evolution of a文献［４９］提出了一种和 Ｉｊｓｐｅｅｒｔ 模型相似但拓 扑结构不同的振荡器模型作为控制器，通过改变振 荡器的频率、振幅、相位偏移等参数，使机器鱼产生 期望的游动或爬行状态。 最后，Ｃｒｅｓｐｉ 等用仿真和 实验证明了 ＣＰＧ 控制方法有利于鳍的在线游动步 态生成，并且在参数突变时，ＣＰＧ 控制方法可以实 现平滑的适应和过渡。 图 ４ 给出了当控制参数变化时，３ 种仿生机器 鱼运动控制方法的相应响应曲线［ ７１ ］ 。 （ａ） 基于杆系结构的鱼体波曲线拟合法 （ｂ） 正弦控制器方法 （ｃ） 基于 ＣＰＧ 的方法 图 ４ ３ 种仿生机器鱼运动控制方法对控制参数变化的响应 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｒｅｅ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｒｏｂｏｔｉｃ ｆｉｓｈ ｉｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ 如图 ４（ａ）所示，基于杆系结构的鱼体波曲线拟 合法在 ｔ ＝ １ ｓ 时控制参数发生突变，仿生机器鱼的 关节摆角经过 ０．１ ｓ 的不平滑的调节过程过渡到了 新值，而正弦控制器方法在 ｔ ＝ ５ ｓ 控制参数发生突 变后，仿生机器鱼的关节摆角直接突变到了新值，如 图 ４（ｂ）所示。 图 ４（ｃ）中，当 ｔ ＝ ５ ｓ 时神经振荡器 的激励输入和时间常数发生改变，ＣＰＧ 输出信号的 频率和幅值并没有产生不连续的变化，而是渐近平 滑地收敛到了新值。 与前 ２ 种方法相比，基于 ＣＰＧ 的运动控制方法 由于在线步态生成和模型的非线性特性而具有一系 列优点：１）对参数变化引起的频率、幅值突变，各关 节的摆动可以平滑地适应和过渡，从而实现平滑自 然的速度调节；２）对环境中的扰动具有很好的适应 性；３）可产生灵活多样的游动步态。 基于 ＣＰＧ 的运 动控制研究尚处于起步阶段，ＣＰＧ 模型一般较为复 杂、含有高度非线性环节，这给 ＣＰＧ 模型的研究带 来许多困难和应用上的不便。 目前 ＣＰＧ 模型较不 统一，要得到更加稳定灵活的游动步态，并将理论成 果转化为实际的工程方法还需要更加深入的研究和 探索。 ３ 结束语 本文对几种常见的仿生机器鱼运动控制方法进 行了讨论，并分析了各自的优缺点，对于从事这方面 研究的人员具有一定的参考价值。 由于 ＣＰＧ 控制 方法本身的稳定性、可靠性以及无需节律信号输入 等优点，使基于 ＣＰＧ 的运动控制方法明显优于基于 杆系结构的鱼体波曲线拟合法和正弦控制器方法， 因此基于 ＣＰＧ 模型的方法将成为未来主流的运动 控制方法。 参考文献： ［１］ＴＲＩＡＮＴＡＦＹＬＬＯＵ Ｍ Ｓ， ＴＲＩＡＮＴＡＦＹＬＬＯＵ Ｇ Ｓ． Ａｎ ｅｆｆｉ⁃ ｃｉｅｎｔ ｓｗｉｍｍｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ［ Ｊ］． Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ａｍｅｒｉｃａｎ， １９９５， ２７２（３）： ４０⁃４６． ［２］蒋新松． 未来机器人技术发展方向的探讨［ Ｊ］． 机器人， １９９６，１８（５）： ２８５⁃２９１． ＪＩＡＮＧ Ｘｉｎｓｏｎｇ． Ａｎ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｔｅｃｈ⁃ ｎｏｌｏｇｉｅｓ［Ｊ］． Ｒｏｂｏｔ， １９９６， １８（５）： ２８５⁃２９１． ［３］李志成． 仿生机器鱼建模与软硬件实现的研究［Ｄ］． 哈 尔滨：哈尔滨工业大学， ２００７： １⁃５． ＬＩ Ｚｈｉｃｈｅｎｇ． Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｆｉｓｈ［Ｄ］． Ｈａｒｂｉｎ： Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２００７： １⁃５． ［４］张芳， 林良明． 多移动机器人协调系统体系结构与相关 问题［Ｊ］． 机器人， ２００１， ２３（６）： ５５４⁃５５８． ＺＨＡＮＧ Ｆａｎｇ， ＬＩＮ Ｌｉａｎｇｍｉｎｇ． Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｓｙｓｔｅｍ ［ Ｊ］． Ｒｏｂｏｔ， ２００１， ２３（６）： ５５４⁃５５８． ［５］ＨＵ Ｈ， ＬＩＵ Ｊ， ＤＵＫＥＳ Ｉ， ｅｔ ａｌ． Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ３Ｄ ｓｗｉｍ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｆｏｒ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｒｏｂｏｔｉｃ ｆｉｓｈ［Ｃ］ ／ ／ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ／ ＲＳＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓ⁃ ｔｅｍｓ． Ｂｅｉｊｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ， ２００６： ２４０６⁃２４１１． ［６］ＭＥＮＺＥＬ Ｐ， ＡＬＵＩＳＩＯ Ｆ Ｄ． Ｒｏｂｏ ｓａｐｉｅｎｓ： ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ａ 第 ３ 期 王耀威，等：仿生机器鱼运动控制方法综述 ·２８１·