基于混合推进方式的水下仿生鱼机器人研究设计

基于混合推进方式的水下仿生鱼机器人研究设计

姜志斌

（南京工程学院211100）

摘要：论文以水下机器人为研究对象，简要地介绍了水下机器人的总体性能和历史背景，着重对其运动方式和外观设计展开了研究。

关键词：混合推进式；仿生；机器人设计

1水下仿生鱼机器人概述

1.1水下机器人的背景

随着全球经济、科研活动的深入发展，地球的陆地资源正在逐步减少，有朝一日终将会被挖掘殆尽。而地球表面６０％以上是海洋，海洋中蕴藏着比陆地上更加丰富的自然资源。

而面对海洋这么大的面积，使用机器取代人力是必然的发展趋势。目前机器人发展迅速，海底机器人正变得越来越重要。

1.2仿生机器人的起源

科学家们通过将仿生学和机器人两大学科相结合，提出了水下仿生机器人这一概念，水下仿生机器人根据海洋生物的外形结构和运动方式进行设计，由于海洋生物进过了长期的进化，其外形结构能够很好地适应水下的环境，因此设备运用仿生的理念能帮助人类更好地了解海洋。

美国麻省理工学院（MIT）作为第一个研究机器鱼的科研机构，开启了水下仿生机器人研究的先河。研究人员于1994年研制成功了第一条仿生机械鱼，他们的主要着重点就是通过提高机器鱼在水下运转的高效性和灵活程度以模拟鱼类的运动形式。紧接着，英国赛克斯大学（Essex）就以鱼类结构为模板，按照鱼类的运动方式来解决和优化机器人在水下活动的直线和转向问题。而美国海洋学中心则是把对生物模仿得更加彻底，研制出与龙虾外形极为相似的“机器龙虾”，按照龙虾的身体部分来设计相关功能，大大提高了其在水下的稳定性与灵活性。

1.3水下仿生鱼机器人的设计意义

水下仿生鱼机器人用途广泛，涉及到各个领域。在民用方面，通过采集水下图像可完成资源勘探、海洋生物研究、海底地势地貌绘制、海底管道检修、鱼群监测、地理研究、水质采用等等。在军用方面，可以为水下机器人加装声呐、排雷装置等，从而执行特定的军事任务，如定点监控、海底侦查、信息传输、协同作战等等。由此可见，水下仿生鱼机器人的设计具有很大的发展前景，如何合理地设计水下仿生鱼的外观结构，使其实现相应的功能尤为重要。

1.4水下仿生鱼机器人的使用设定

常规的水下仿生鱼机器人由于要实现各种功能导致其本身体积太大，从而引发了不够灵活、耗能严重等各种问题。比如“海筝Ⅱ型”遥控自治水下机器人，其主尺寸有1.2m*0.5m*0.25m,自带锂电池，但只能在水下工作6h，过短的作业时间成为其不足之处。因此，本次设计在功能方面只打算保留其摄像、信号发送接收这些基本功能，在设定上算是一种探测类机器人，好处是结合混合推进的运动方式其可以延长水下工作周期，大量地投放可以对某片区域进行长期的监测，通过信号传递告知人们其探测到的相关信息，然后再由工作人员对其传回的信息进行分析，针对某一问题进行解决，这样可以节省大量的人力物力。

2混合推进运动方式概述

2.1混合推进运动方式的概念

所谓混合推进这种运动方式即设备不仅仅是靠单一的推进方式来运动。首先，设计的水下仿生机器人在造型上选择模仿鳐鱼这类鱼类的外观，宽大的机身使得设备能够很好地悬浮在水中，然后通过周围水流的波动来带动设备前进后退等等，这方面即为外力推进。与此同时，设备本身留有一定的空间来放置发动电机，通过电机带动螺旋桨来推动设备前进，这点即为自身推进。设备总体而言就是靠这两种方式来实现自身运动。

2.2混合推进方式的优点

混合推进式这个概念的提出是基于一个设备要在水下进行长期作业的大前提。目前已有的水下机器人设备有一个通病，即设备并不能在水下长期作业，要定期通过人工检测、维护、更换动力电源。因此针对这方面的缺陷现提出混合推进这一概念，设备投放至水下后，暂时先不启用其自身携带的推进装置，使其在洋流的推动下被动运动，这样设备就能在水下进行长期的作业，同时其运动的范围更加的广泛，采集到的数据更加随机，不刻意地设定探测区域往往能够带来一些意想不到的结果。只有在紧急状况下，通过水下机器人自身传回的信号提示，操作人员再通过手动操作的方式来启动其自身所携带的推进装置，对机器人进行回收、障碍撤离等等。多种推进方式相结合的模式拥有使设备的作业时间更长久，采集的数据更广泛等等优点。

3外观设计要点

3.1外观设计灵感

设备在外观方面采用了仿生的设计方式，造型模仿了鳐鱼这类鱼类的外观，具有扁平宽大的特点，这种造型使得设备具有一定的浮力，能够很好地悬浮于水下。同时仿生的外观可以使设备很好地融入进生物之间，不容易被水下生物所排斥，从而能够采集到更多的信息。另外仿生的造型也具有一定的隐蔽性，为设备在水下长期作业不被外界因素影响提供有力条件。

3.2设计的优点

总的来说这种混合推进方式的水下仿生鱼机器人具有以下几点优点：1.作业时间长，能够在水下长时间地工作，从而使得采集到的信息更加完整；2.对能源的调配合理，设备在水下大部分的时间都是通过洋流的推进来改变自身的位置，能够很好地减少自身的能源消耗，从而达到长期作业的目的；3.设备适应面广泛，能够进行前后左右上下多姿态的调整，能够适应不同的状态；4.隐蔽性良好，仿生的设计使得设备能够更好地融入到环境中，这样其遭遇外力影响甚至破坏的几率就会相对降低。

4结语

随着社会的发展，人们对水下世界的探知也会越来越深入，对水下机器人的需求也会日益增长，其作用和研究力度也会越来越大。目前由于水下的情况复杂，水下机器人的机械结构和控制技术都有待进一步地优化和提升。本次的研究设计是对水下机器人的运动方式和外观造型的一点设想与展望，仍有许多不足之处，但随着时间的推移，这方面的技术也会愈发的完善，设备最终能够达到满足结构的同时也能达到人们的审美需求，最终满足商业化、市场化需求。

参考文献：

[1]王瑶，徐鹏飞，胡震.“海筝Ⅱ型”遥控自治水下机器人的运动控制研究[J].舰船电子工程，2014，（3）:56-60.

[2]蒲欣岩.水下仿生机器人研究综述[J].中国高新科技，2018,(20）：24-15.

[3]王国彪,陈殿生,陈科位,张自强.仿生机器人研究现状与发展趋势[J].机械工程学报，2015，（13）：27-44.