第3章 水中仿生机器人系统实现

鱼和鲸类生物是非常高效的“游泳天才”，对于曾羡慕过它们的速度和优雅地穿过水族馆墙壁障碍的人来说这是一个不争的事实。但是，为什么学习这个系统呢？答案是，因为它们已经解决了水动力学、机构控制和群体协作等一系列问题。鱼和水下机器人待在一样的物理环境里，它们受支配于同样的物理规则，它们也要经历相同的粘性和惯性带来的影响。在进化环境中，大自然母亲用了两千三百万年持续的精炼来提高大多数生物的设计，用了6000万年提高大型远洋鱼类的生物设计。在严格的工程观念里，速度、机动性和忍耐力对于生存是至关重要的。就这一方面而言，鱼类是接近完美的一种设计。

作为极其出色的流体力学专家，鱼类通过恰当的利用流体力学原理，获得了极高的推进效率和机动性能，远高于普通的螺旋桨推进机构。在推进效率方面，金枪鱼在速度高达80km/h的情况下，推进效率达到90%，而相比之下，普通螺旋桨推进系统只有40%～50%。在机动性能方面，鱼类起动时的加速度竟然可以达到50倍重力加速度，远高于螺旋桨机构。转弯时鱼类的转弯半径只有体长的10%～30%，而普通螺旋桨推进系统要达到体长的3～5倍。鉴于此，以鱼类为仿生对象研制新型的水下推进器具有重要的科学研究与现实意义。自20世纪90年代起，已有众多的仿生机器鱼样机相继研制成功。本章以三关节仿鲹科机器鱼为例，讨论水中仿生机器人系统机械结构、控制系统、下位机系统以及上位机系统的设计方法。