劉珍娜,秦婧文

（山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,濟(jì)南 250022）

淺談仿生水下機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

劉珍娜,秦婧文

（山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,濟(jì)南 250022）

仿生水下機(jī)器人以水生生物為仿生對(duì)象，模仿其外部形態(tài)和運(yùn)動(dòng)步態(tài)而新興的水下機(jī)器人，本文淺析了近幾年仿生水下機(jī)器人在不同領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀以后未來(lái)的研究熱點(diǎn)，為其愛(ài)好者提供了解契機(jī)。

仿生；水下機(jī)器人；發(fā)展現(xiàn)狀

1 研究背景及意義

海洋孕育了人類文明同時(shí)蘊(yùn)藏著豐富的自然資源，如海洋生物、海底礦產(chǎn)等。同時(shí)，海洋也是重要的交通運(yùn)輸通道和軍事戰(zhàn)略空間。未來(lái)的世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，黨中央、國(guó)務(wù)院提出了“逐步把我國(guó)建設(shè)成為海洋經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)”的宏偉目標(biāo)，“提高海洋資源開(kāi)發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)”亟需強(qiáng)大的水下科技支撐。水下機(jī)器人作為探索和開(kāi)發(fā)海洋的主要載體成為人類從事海洋活動(dòng)不可或缺的工具。

目前的水下機(jī)器人主要分為有纜水下機(jī)器人（Remote Operated Vehicle，簡(jiǎn)稱ROV）和無(wú)纜水下機(jī)器人，也稱自主式水下機(jī)器人（Autonomous Underwater Vehicle，簡(jiǎn)稱AUV）。由于常規(guī)水下機(jī)器人以螺旋槳和葉輪為推進(jìn)器，采用常規(guī)能源作為動(dòng)力，存在機(jī)動(dòng)性差、響應(yīng)滯后對(duì)水生環(huán)境擾動(dòng)大等缺點(diǎn)，極大限制了其在狹窄、動(dòng)態(tài)、復(fù)雜、脆弱環(huán)境中的應(yīng)用。

經(jīng)過(guò)上億年的進(jìn)化，魚(yú)類、鯨豚類等水生生物已經(jīng)演變具有高超的水中運(yùn)動(dòng)能力，其游動(dòng)效率、機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性等能遠(yuǎn)超現(xiàn)有的航行器，如鲹科魚(yú)類的推進(jìn)效率超過(guò)90%，海豚可以實(shí)現(xiàn)450°/s的高速轉(zhuǎn)向且其轉(zhuǎn)彎半徑僅為體長(zhǎng)的11-17%，鰩科魚(yú)類通過(guò)改變鰭面波從而完成在復(fù)雜水環(huán)境下的高超雜技動(dòng)作。水生生物特殊的生理構(gòu)造和推進(jìn)機(jī)理為新一代高性能水下航行器的研制提供靈感。。

2 研究現(xiàn)狀

仿生水下機(jī)器人是指利用機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、微電子技術(shù)、材料科學(xué)以及人工智能技術(shù)等仿照水下生物的外部形態(tài)及游動(dòng)步態(tài)而實(shí)現(xiàn)水下推進(jìn)的一種運(yùn)動(dòng)裝置。美國(guó) MIT 于1994年成功研制出世界上第一條真正意義的仿生金槍魚(yú)，此后的20多年間，越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)對(duì)仿生水下機(jī)器人進(jìn)行關(guān)注和研究。本文主要關(guān)注仿生水下機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀。

2.1 水質(zhì)檢測(cè)

受魚(yú)群協(xié)調(diào)配合的啟發(fā)，歐洲多家科研機(jī)構(gòu)于2012年開(kāi)展了SHOAL項(xiàng)目，以金槍魚(yú)為仿生對(duì)象，研制了多條體長(zhǎng)為1.5m的仿生機(jī)器魚(yú)，利用機(jī)器魚(yú)群的協(xié)調(diào)配合增大水質(zhì)監(jiān)測(cè)的范圍，并且在西班牙的港口進(jìn)行了試驗(yàn)。

美國(guó)馬里蘭大學(xué)帕克分校和密歇根州立大學(xué)于2014年聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一款水下滑翔機(jī)器魚(yú)“Grace”，該機(jī)器魚(yú)在傳統(tǒng)仿生機(jī)器魚(yú)的基礎(chǔ)上增加了滑翔功能，機(jī)體內(nèi)置有泵和儲(chǔ)水腔來(lái)改變整體凈浮力并通過(guò)尾鰭調(diào)節(jié)偏航角或產(chǎn)生螺旋運(yùn)動(dòng)，從而更加節(jié)省能量增加其作業(yè)范圍，并在密歇根州鹿蹄草湖進(jìn)行了水質(zhì)樣本的采集應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

2.2 軍事偵察

美國(guó)海軍與波士頓動(dòng)力于2014年合作研發(fā)了一款以金槍魚(yú)為仿生對(duì)象的仿生水下機(jī)器人“Silent Nemo”，該機(jī)器人體長(zhǎng)1.5 m，重約

45 kg，依靠身體尾關(guān)節(jié)和尾鰭的擺動(dòng)產(chǎn)生前進(jìn)動(dòng)力和實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)向，配置聲吶等多種傳感設(shè)備可自主對(duì)敵方目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視與偵察。

2.3 教育娛樂(lè)

韓國(guó)全南大學(xué) Shin 等人于2008年研制了一款面向娛樂(lè)的仿生機(jī)器海豚。該機(jī)器海豚可實(shí)現(xiàn)嘴部張開(kāi)與閉合、尾巴濺水以及噴水等人機(jī)互動(dòng)功能。

中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展仿生水下機(jī)器人研究的科研院所之一。2009年，汪明等人研發(fā)了一款面向科普演示的小型機(jī)器海豚，該機(jī)器海豚體長(zhǎng)0.56 m，尾部由三個(gè)俯仰關(guān)節(jié)和一個(gè)偏航關(guān)節(jié)構(gòu)成，頭部裝有用于實(shí)現(xiàn)浮潛運(yùn)動(dòng)的重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)， 通過(guò)水池邊的上位機(jī)控制機(jī)器海豚與游客互動(dòng)。

2.4 探測(cè)避障

臺(tái)灣國(guó)立高雄海洋大學(xué)Yung-Lien Wan于2015年設(shè)計(jì)一條可實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)的機(jī)器海豚，該機(jī)器海豚的尾部分為3個(gè)俯仰關(guān)節(jié)和一個(gè)偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，分別控制機(jī)器海豚的前進(jìn)速度和運(yùn)動(dòng)方向，通過(guò)改變重心來(lái)調(diào)整海豚的俯仰角實(shí)現(xiàn)上浮下潛運(yùn)動(dòng)，機(jī)器海豚前端安裝有攝像頭，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法處理獲取的圖像信息，實(shí)現(xiàn)避障功能。

3 小結(jié)

仿生水下機(jī)器人以及高機(jī)動(dòng)、低擾動(dòng)、無(wú)污染和高效的推進(jìn)效率將成為未來(lái)水下航行器的發(fā)展方向并將滲透到各個(gè)水下應(yīng)用領(lǐng)域。然而，目前的仿生水下機(jī)器人還是以電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，這決定了其剛性的身體機(jī)構(gòu)，如何采用柔性材料比如用離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料、形狀記憶合金（SMA）和人工肌肉等構(gòu)造軟體機(jī)器人達(dá)到外形、游動(dòng)方式與真正的水生生物相似，并且能滿足應(yīng)用需求是以后研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

[1]任光,戴亞平.機(jī)器海豚行波推進(jìn)模式下的平均速度控制方法[J].機(jī)器人,2015,37(03):343-350.

[2]羅慶生,韓寶玲,現(xiàn)代仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[3]沈飛.仿生機(jī)器海豚的建模、控制及其在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[D].博士學(xué)位論文,中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京:中國(guó),2012.

[4]王龍,喻俊志,胡永輝,范瑞峰,霍繼延,謝廣明.機(jī)器海豚的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào),2006,42(03):294-301.

[5]趙寧寧,徐德民,高劍,基于路徑參數(shù)一致性的多AUV協(xié)同路徑跟蹤控制[J].火力與指揮控制,2015(10):90-93.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.180

劉珍娜（1987-）,女,山東巨野人,碩士研究生,初級(jí)職稱,教師,研究方向：機(jī)器人。