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兵工自动化 2016-12 Ordnance Industry Automation 35(12) ·72·doi: 10.7690/bgzdh.2016.12.020 基于尾鳍推进模型的三关节仿生机器海豚系统 张 磊，孟中杰 (西北工业大学航天学院，西安 710072) 摘要：为设计一种新型、游动效率高、可以实现沉浮运动的仿生机器人，以海豚为仿生对象，利用仿生学原理对基于尾鳍推进模型的三关节仿生机器海豚系统进行改进。研究海豚的背腹运动尾鳍推进模型，对原有模型中不便于工程实现的方面进行修正。在验证修正后模型可行性的基础上，设计一种三关节柔性尾部加刚性头部的机械结构以及控制流程和配套的电路系统，对机器海豚的沉浮运动进行动力学分析，提出利用 PID 控制实现平面运动的方法,通过实验验证机器海豚沉浮运动和平面运动的可行性，并给出机器海豚游动速度和尾鳍摆动频率及尾鳍摆幅之间的关系。实验结果表明，基于尾鳍推进模型的机器海豚具有较高的效率和游动速度。 关键词：机器海豚；仿生；尾鳍运动模型；机构设计；运动分析 中图分类号：TP242.6 文献标志码：A Three Joints Bionic Robot Dolphin System Based on Tail Fin Propulsion Model Zhang Lei, Meng Zhongjie (School of Aerospace, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China) Abstract: For designing a new-type bionic robot with high efficiency and realizing up and down motion, taking dolphins as bionic objects, use bionics principle to improve three joints bionic robot dolphin system based on tail fin propulsion model. Research on dolphin dorsoventral motion fin propulsion model, modify subject which is not easy for engineering realization in original model. Based on verification for modified model feasibility, design mechanical structure of the three joints flexible fin and rigid head, control procedure and related circuit system, carry out dynamics analysis for up and down motion, puts forward the method of using PID control to realize the planar motion, and verifies the feasibility of dolphin ups and downs motion and planar motion by experiment, then give relation among robot dolphin swimming speed, fin swing frequency and fin amplitude of oscillation. The experimental results show that the model dolphins with tail fin propulsion have high efficiency and swim speed. Keywords: robot dolphin; bionic; tail fin propulsion model; mechanism design; kinematic analysis 0 引言 近年来，机器人已被广泛运用于军事、航空、制造业以及家庭等各个方面 [1] 。随着海洋资源开发需求的增长及机器人技术的进步，适应各种非结构化环境的水下机器人得到了迅猛发展。与当前螺旋桨船舶相比，鱼类具有很高的推进效率 [2] 、很好的机动性以及很低的噪音，因此被广泛运用于军事侦察、海洋生物观察和娱乐等方面。 目前，机器鱼沉浮的实现方法主要有储水舱法、胸鳍法和改变重心法。储水舱法利用鱼鳔的工作原理，在机器鱼体内安装一个储水舱，并配备一个水泵，通过调节储水舱内水的多少，调节机器鱼的身体重力和浮力之间的关系以实现上浮下潜运动；胸鳍法是在机器鱼上利用电机驱动改变胸鳍的方向，在倾斜的胸鳍上对推进力进行分解得到垂直于游动方向的升力，从而实现机器鱼的沉浮运动；改变重心法是在机器鱼体内安装一个可以活动的配重物，通过改变重物位置进而改变机器鱼的重心，从而使机器鱼的身体产生倾斜来完成沉浮运动 [3] 。 区别于目前常见的实现机器鱼沉浮运动的方法，笔者通过对海豚的背腹式运动的研究，设计了一套基于尾鳍推进模型实现机器海豚沉浮运动的方法。文献[4]中给出了一种尾鳍推进模型，但是在工程实际中仍存在一定的实现难度。通过与实际情况相结合，笔者对原有的尾鳍推进模型进行了改进，并对改进模型的可行性进行了论证分析。在改进模型的基础上，笔者设计了一种三关节柔性尾部和刚性头部的机械结构和辅助的相应机电系统，最终完成了样机的研制，并通过实验对系统进行了验证。 1 尾鳍推进运动模型 1.1 模型简述 文献[4]给出了一种海豚的尾鳍运动模型。根据对海豚座稳态背腹式推进的仿生学研究，描述海豚 1 收稿日期：2016-08-10；修回日期：2016-09-20 基金项目：2015 年国家级“大学生创新创业训练计划”创新项目(201510699026) 作者简介：张 磊(1994—)，男，四川人，学士，从事智能仿生机器人研究。