水下仿生扑翼机器人的驱动控制研究机器人

自然界中，牛鼻鲼、蝠鲼、鹰嘴鳐等的推进方式为摆动推进；黄貂鱼、尼罗河魔鬼、南美刀鱼等的推进方式为波动推进。相比于BCF模式，MPF模式具备更强的稳定性和机动性。随着仿生机器鱼领域研究的不断深入，MPF模式逐渐成为仿生机器鱼领域的研究热点。国内外很多研究机构根据MPF模式的运动特点陆续开发出多款仿生机器鱼。

⒈摆动推进的仿生胸鳍结构

⒉波动推进的仿生胸鳍结构

图4仿刀鱼波动鳍机器鱼

图5水陆两栖仿生波动鳍机器鱼

根据以上列举的研究成果，可以发现，波动推进的仿生鱼逐渐脱离了仿生对象的束缚，从单波动鳍过渡到多波动鳍，并利用波动传递的特性，使波动鳍机器鱼具备了水–陆两栖的功能，具备较好的应用前景。波动推进的仿生机器鱼展弦比通常处于小于1，且鳍面存在的无量纲波数大于1，这就使得其产生的推力是连续的，因此也具备更好的稳定性。但波动推进机器鱼由于采用多个驱动装置，且驱动装置之间通过柔性材料连接，在运动过程中会存在运动和变形相互制约，相互影响的情况，因此功耗较高，对能源系统提出了新的挑战。

二水下仿生扑翼机器人的控制研究

⒈扑翼驱动控制

⒉俯仰与深度控制

⒊转弯与航向控制

水下扑翼机器人的扑翼在扑动过程中的波动，可以简单地分解为弦向的波动和展向的波动。水下扑翼机器人主要通过3种方式进行转弯：两侧非对称振幅方式和两侧鳍条间非对称弦向相位差方式，以及非对称振幅和非对称相位差结合的方式。基于非对称振幅的转弯方式，一侧扑翼的扑动振幅大于另一侧，扑动振幅较大的一侧产生更大的推进力，导致两侧扑翼的推进力不同，形成转弯力矩，从而使机器人转向振幅小的或无拍动振幅的一侧，实现航向的调整。基于非对称振幅的转弯模式具有较慢的转弯角速度和较大的转弯半径，因此该方法适用于小范围内的航向调整。基于非对称相位差的转弯方式，扑翼的波动传递方向或快慢不同，因此两侧扑翼的推进力大小不同，形成一个大的转弯力矩。该转弯方式主要用于快速响应时的机动转向。因此，基于非对称相位差的转弯模式适用于转弯角速度快、转弯半径小的大航向调整。航向控制的主要任务是通过调节两侧胸鳍非对称振幅及相位差，使机器人的实际航向趋近于期望航向。

⒋路径点与路径跟踪

⒌避障与自主游动

⒍基于相似度的运动参数优化

表1水下仿生扑翼机器人近15年发展情况概述

综上所述，基于CPG模型的方法被越来越多地使用到水下仿生扑翼机器人的胸鳍驱动上，该模型能够在简单的激励输入下模拟复杂的节律信号，具有很强的环境适应性，将传感器信息耦合进CPG模型是水下仿生扑翼机器人扑翼驱动控制研究的新方向。在此基础上，研究人员针对水下扑翼机器人的深度与航向控制问题，基于传感器反馈采取合适的控制策略或无模型控制方法，通过改变水下扑翼机器人的俯仰与转弯状态实现深度与航向调节，从而实现深度与航向的控制。进一步地，水下扑翼机器人的路径跟踪与自主游动还需考虑机器人动力学模型的非线性与环境的不确定性，因此目前的研究成果多集中于单平面内的路径跟踪，而三维空间内的跟踪问题仍处于初始阶段。另一方面，仿生相似度评价方法的研究主要集中在仿生陆地生物和仿生机器人，对于运动机构具有明显的主被动变形的水下扑翼机器人，完整的相似度评价体系还有待建立，且基于仿生相似度的运动姿态优化也存在较大的研究空间。未来，水下仿生扑翼机器人的多载荷应用、任务规划与执行将是其成为海洋重要装备的关键，其所涉及控制问题也值得研究人员去探索。