喻俊志 吳正興

中國科學(xué)院自動化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室，北京，100190

0 引言

當(dāng)前人工智能發(fā)展迅速，逐步成為新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式的孵化器和助推器，深刻改變了社會經(jīng)濟活動及每個人的生活方式。作為人工智能的杰出代表和重要的應(yīng)用領(lǐng)域，機器人的研究與發(fā)展備受關(guān)注。大千世界，蕓蕓眾生，經(jīng)過35億年的自然選擇，生物種群為適應(yīng)環(huán)境已經(jīng)形成了從感知方式、執(zhí)行方式、控制方式到信息處理、行為決策、組織協(xié)調(diào)等多方面的優(yōu)勢和長處，為生物學(xué)和機器人學(xué)的結(jié)合奠定了堅實基礎(chǔ)?！兜赖陆?jīng)》有云：“人法地，地法天，天法道，道法自然”。從大自然獲取靈感、汲取精華，對于解決科學(xué)難題和指導(dǎo)生產(chǎn)實踐具有重要意義。

作為一門技術(shù)先導(dǎo)性學(xué)科，機器人具有多學(xué)科交叉與融合等特點，以功能及系統(tǒng)實現(xiàn)為載體，通過自主或半自主的感知、移動、操作，體現(xiàn)類人的智能水平，并逐步擴展人在時間、空間、尺度、環(huán)境、智能等方面的約束限制，為人類更好地服務(wù)。在現(xiàn)有技術(shù)水平下，大部分機器人系統(tǒng)的功能還無法與生物體相媲美。為了制造出結(jié)構(gòu)、功能、材料、控制、能耗等諸方面合理的機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)，從仿生的角度對機器人系統(tǒng)進行研究是目前機器人學(xué)活躍的研究領(lǐng)域之一。國家自然科學(xué)基金委員會信息科學(xué)部在2017年修訂的學(xué)科代碼也給出了仿生機器人的專門學(xué)科代碼(即F030912，仿生機器人理論與技術(shù))。仿生學(xué)在機器人學(xué)中的應(yīng)用，推動機器人向適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的方向發(fā)展；反過來，仿生機器人學(xué)的不斷成長，不僅豐富了仿生學(xué)的研究內(nèi)容，而且拓寬了仿生學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域。作為仿生學(xué)和機器人學(xué)高度發(fā)展與相互融合的產(chǎn)物，仿生機器人正在或即將對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、民用事業(yè)及國防安全等方面產(chǎn)生深遠影響。與普通工業(yè)機器人相比，仿生機器人在運動靈活性、機動性、隱形性、適應(yīng)性及能源供給等方面有明顯優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于偵察、反恐、搜索救援、星際探索、服務(wù)業(yè)及娛樂等領(lǐng)域。

近年來，隨著MEMS、制造、控制、傳感等的持續(xù)發(fā)展，仿生機器學(xué)迅速崛起，適應(yīng)海、陸、空環(huán)境的各種原理性仿生機器相繼問世。水下機器人是海洋探索與開發(fā)的重要技術(shù)手段。在水下仿生領(lǐng)域，許多學(xué)者將目光轉(zhuǎn)向形態(tài)和機理更為復(fù)雜的水下動物研究。在江河湖海中，為了攫取食餌、逃避敵害、生殖繁衍和集群洄游等生存需要，魚類、鯨豚類及頭足類軟體動物等在漫長的自然選擇過程中，其體形和運動器官都進化得特別適合于水中運動，其整體功能漸趨優(yōu)化，而當(dāng)前人造水下航行器望塵莫及。例如，在推進效率方面，依靠尾和鰭的協(xié)調(diào)運動，魚類和鯨豚類的流體推進效率可達80%以上，而普通螺旋槳推進器的平均效率僅40%～50%。在機動性方面，黃鰭鮪魚的爆發(fā)速度高達40節(jié)(約74 km/h)，梭子魚的瞬時加速性能高達20g，魚類的轉(zhuǎn)彎半徑僅為0.1～0.3 BL(body length，體長)，且轉(zhuǎn)彎時無需減速；海豚能以0.11～0.17 BL的轉(zhuǎn)彎半徑進行機動運動，轉(zhuǎn)彎速度高達450°/s；而普通船舶需以3～5 BL的半徑緩慢地回轉(zhuǎn)。對具有非凡水下運動能力的水生動物進行仿生研究將為研制新一代集機動性、高速性、隱蔽性及低擾動性于一體的自主水下航行器乃至系統(tǒng)原型設(shè)計方案提供豐富的創(chuàng)意和有益的借鑒。

基于魚類和鯨豚類獨特的推進方式，從形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、控制諸方面對動物進行模仿和學(xué)習(xí)形成的水下推進系統(tǒng)統(tǒng)稱為機器魚。與傳統(tǒng)基于螺旋槳推進的水下航行器相比，機器魚實現(xiàn)了推進器與舵的統(tǒng)一，具有高機動、低擾動、高隱蔽性等優(yōu)點，從而更加適合在狹窄、復(fù)雜和動態(tài)的水下環(huán)境中進行監(jiān)測、搜索、勘探及救援等作業(yè)。《高機動仿生機器魚設(shè)計與控制技術(shù)》一書聚焦魚類和鯨豚類的高機動性，從機器人學(xué)的角度出發(fā)，開展推進機理、機構(gòu)設(shè)計、運動控制及系統(tǒng)集成等一系列研究，研制開發(fā)具有多運動模態(tài)的水下高機動仿生機器人。該書涵蓋了仿生魚體波及魚體形態(tài)學(xué)設(shè)計、二維高機動精準(zhǔn)控制、三維機動轉(zhuǎn)向控制以及極具挑戰(zhàn)性的機器海豚躍水控制，其大部分內(nèi)容是筆者十余年科研實踐的總結(jié)與提煉。通過對高機動仿生機器魚的研制過程、控制方法、實驗驗證的詳細介紹，一方面，可以讓讀者了解水下仿生機器人的基礎(chǔ)知識及關(guān)鍵技術(shù)；另一方面，借此提供一個高機動仿生機器魚全流程開發(fā)的范例，促進和推動水下機器人與自動化技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，更好地服務(wù)國家和社會需求。

1 自由戲水，波動為先

雖然魚類的種類和形態(tài)很多，但也隱含著某些可識別的共同特征。作為游動和維持身體平衡的運動器官，大多數(shù)魚類至少有數(shù)個單獨的鰭，包括尾鰭、胸鰭、腹鰭、臀鰭等。這些附鰭通常可以分為兩類：偶鰭和奇鰭。偶鰭為成對的鰭，包括胸鰭和腹鰭各一對，相當(dāng)于陸生脊椎動物的前后肢；奇鰭為不成對的鰭，包括背鰭、臀鰭、尾鰭。一般常見的魚類均具有上述的胸、腹、背、臀、尾等五種附鰭。身體/尾鰭(body and/or caudal fin, BCF)推進模式是自然界大多數(shù)魚類采用的游動方式，相比于中間鰭/對鰭(median and/or paired fin, MPF)推進模式而言，在游動速度、推進效率和加速性能上具有無可比擬的優(yōu)勢。因而，BCF推進模式的研究是目前研究人員實現(xiàn)仿生機器魚高效、快速推進的主要手段。

作為大多數(shù)魚類采用的游動模式，BCF模式通過波動或擺動部分身體和尾鰭的方式，利用渦流將水向身后推射從而利用水的反作用力實現(xiàn)魚體的向前運動。在傳統(tǒng)的魚游水動力建模研究中，幾乎都是先假設(shè)魚體是按照給定規(guī)律運動，然后再分析其受力情況。至于為什么魚體應(yīng)該按此規(guī)律運動，則簡單地按照生物學(xué)的觀察數(shù)據(jù)，或根據(jù)簡單的原則確定，并沒有給出一種較為細致的理論解釋。針對這一問題，本書第二章給出了一種直接計算魚體波的方法，以便于后續(xù)的水動力學(xué)分析、仿真和應(yīng)用。在所提魚體波設(shè)計框架中，出發(fā)點是模仿魚類典型的穩(wěn)態(tài)游動，即只討論周期性的魚體波，這與經(jīng)典文獻中的前提條件是一致的。其次，著眼于效率，從如何獲得最高游動效率開始設(shè)計魚體波，而不是先有魚體波之后再討論游動效率。最后，將魚體波設(shè)計與仿生機器魚設(shè)計結(jié)合起來，對形態(tài)仿生、機構(gòu)仿生、運動仿生和控制仿生的理論與實踐具有重要的指導(dǎo)作用，最終提升仿生機器魚的推進效率和穩(wěn)定性，并對其他水下仿生實踐起到良好的借鑒和指導(dǎo)作用。

具體來說，要想使機器魚有比較高的效率，應(yīng)該滿足兩個條件：①魚的重心必須保持在前進方向的軸線上；②魚的外形設(shè)計要保證魚整體側(cè)向力的合力為零。值得注意的是，條件①可通過魚體波的幾何設(shè)計實現(xiàn)，條件②可通過魚的形態(tài)學(xué)設(shè)計來滿足。為了滿足這兩個條件，筆者提出了基波的概念，構(gòu)建了基波方程，然后根據(jù)魚的線密度和形態(tài)設(shè)計了穩(wěn)定的魚體波方程。對于多關(guān)節(jié)BCF模式的機器魚，只需要將機器魚看成一個連桿系統(tǒng)，即可擬合根據(jù)機器魚線密度生成的魚體波。改變基波的振幅、頻率、甚至其基本形式，就可以對應(yīng)地改變魚體波的形式。另一方面，對于外形無法精確模擬某種真實魚類的機器魚來說，利用本章形態(tài)學(xué)的解釋，進一步優(yōu)化其外形，減小身體多余的擺動，可以提高機器魚的游動效率，從而提高機器魚的航程。此外，外形的優(yōu)化及多余擺動的減少也利于提高最高游速。

基于基波的魚體波動推進描述及三維游動建模，不僅豐富和發(fā)展了英國流體力學(xué)大師LIGHTHILL提出的魚體波動理論體系，而且對BCF型游動機器人設(shè)計及其穩(wěn)態(tài)控制律推導(dǎo)具有重要的理論意義和實用價值。不過，需要首先指出的是，基波很難確定其精確方程。這是因為它可能由任何一個因素影響：魚體的某種性質(zhì)或水的某種性質(zhì)。不同的基波會改變魚體波上每一個點的運動速度。但更本質(zhì)地，不同的基波改變的是肌肉的運動形式。在小擺幅(鲹科及金槍魚模式)的情況下，一個周期內(nèi)，肌肉只在短時間內(nèi)爆發(fā)式地發(fā)力。因此，不同的基波所對應(yīng)的魚體波之間的區(qū)別，對于肌肉的運動模式的改變會非常小。在大擺幅(鰻鱺及亞鲹科模式)的情況下，體段上每一點的運動速度都相對較低，因此，肌肉在一種相對放松的狀態(tài)下工作，不同的基波對效率的影響相應(yīng)地較小。此外，幾乎每一種魚都生長有許多柔軟的邊沿(鰭或是小翅)，它們被動地運動在由魚和水組成的動力系統(tǒng)中。這些鰭減少了運動過程中運動結(jié)果對運動學(xué)參數(shù)的敏感性。對于機器魚來說，在相對低速時，只要魚體上有適當(dāng)?shù)能涍呇兀敲礄C器魚的運動性能就會有相當(dāng)?shù)奶岣?，包括游動效率和控制精度。因此，一般來說，略帶柔性的尾鰭比完全剛性的尾鰭能給機器魚帶來更好的游動效果。

天下武功，無堅不破，唯快不破。對于速度型魚類而言，速度已成為生死攸關(guān)的指標(biāo)，沒有最快，只有更快。為了得到更快的速度，BCF模式的魚類，通常都會同時增加擺幅和擺動頻率。對于大多數(shù)魚類，尾鰭產(chǎn)生絕大部分推力，而其他的鰭面則幾乎產(chǎn)生的都是阻力。因此，這些多余鰭面會盡量折疊并緊貼在身體表面，以減小前游的阻力。根據(jù)魚體形態(tài)學(xué)設(shè)計分析，鰭面的折疊會破壞魚體波側(cè)向的平衡，引起重心左右的晃動。雖然游速可以提升至極限，但極大地降低了游動效率。對于生活在復(fù)雜環(huán)境中的魚類而言，機動性是剛需，與此相適應(yīng)，進化出了更多更大的控制舵面。通常它們都擁有很大的鰭面，且可以在低速時，以MPF模式精確地定點游動。有些魚類在需要高速游動時，可以切換到BCF模式。這能很好地適應(yīng)其生存環(huán)境且在效率、機動性和速度之間具有最佳折衷，屬綜合型選手。不過，這些魚類在任何一個指標(biāo)上都不再是自然界最好的代表。

2 快速起動，C形跟蹤

快速起動，是指快速、高功率的爆發(fā)式游動，是一種典型的非穩(wěn)態(tài)運動，常見于BCF模式的魚類。它既可以從靜止?fàn)顟B(tài)開始，也可以從穩(wěn)態(tài)的游動狀態(tài)開始?？焖倨饎右话惴譃閮煞N：C形起動與S形起動。C形起動用于快速地調(diào)整游動的方向，以逃避敵害；而S形起動則更多地用于急加速，以捕捉獵物。由于S形起動幾乎就是普通游動的快速播放版，因此S形起動相對容易理解，也相對容易控制。而C形起動涉及魚體大范圍的運動，是一個典型的非穩(wěn)態(tài)過程，因而成為重點研究的對象。雖然C形起動通常由毛特訥氏系統(tǒng)(Mauthner system)調(diào)控，但不同的快速起動的運動模式與不同的神經(jīng)控制之間的關(guān)系仍是一個未決的問題。在過去的幾十年間，從進化、生物力學(xué)直到仿生機器人，各個領(lǐng)域的研究人員都對快速起動做了大量研究。顯然，如果能把快速起動及加速的能力轉(zhuǎn)化到人造水下航行器上的話，將會大大增強它們在轉(zhuǎn)向、起動、剎車方面的性能，從而可以在復(fù)雜環(huán)境或亂流中安全快速地航行。

傳統(tǒng)觀點認為，生物進化使得快速起動只快不準(zhǔn)。而最新生物學(xué)實驗表明，射水魚(archersh, Toxotes jaculatrix)在捕食時展現(xiàn)出的快速起動既快又準(zhǔn)，峰值速度可達20 BL/s，角速度可達4 500°/s，其反應(yīng)精度可達6°。筆者以此為生物學(xué)原型，設(shè)計了可以實現(xiàn)精準(zhǔn)、快速起動的機器魚。在具體的仿生實踐中，將BCF魚類的C形起動分為彎曲階段、保持階段和伸展階段。

(1)彎曲階段。該階段機器魚魚體由直線狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镃形狀態(tài)。在此階段，所有關(guān)節(jié)同時以最大速度向一側(cè)彎曲，以提供最大的轉(zhuǎn)向角速度。

(2)保持階段。該階段機器魚魚體保持C形狀態(tài)。在此階段，機器魚離開起始位置，到達目標(biāo)方向。本階段該控制方法提出動態(tài)軌跡跟蹤算法來控制機器魚的關(guān)節(jié)運動。動態(tài)軌跡跟蹤算法的基本原理為：魚在轉(zhuǎn)向的保持及伸展階段，身體后段的幾乎每一個點都會通過前段身體所經(jīng)過的空間位置。使用魚的整個轉(zhuǎn)向過程看上去就像是在一個“管道”中前進一樣。對應(yīng)于機器魚的控制算法，讓機器魚的每一個關(guān)節(jié)都必須保持在它的前一段體段的位置上。由此約束條件來求取機器魚的每一個關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角。

(3)伸展階段。該階段機器魚魚體由C形狀態(tài)轉(zhuǎn)變成直線狀態(tài)或者S形狀態(tài)。此后機器魚在魚體S形波動產(chǎn)生的推動力下開始前向游動。S形指魚體波，用來推動魚體前進。在機器魚前進時，機器魚的每個關(guān)節(jié)都會轉(zhuǎn)動，以此來產(chǎn)生一個完整周期的魚體波。最前面的關(guān)節(jié)最先進入魚體波的擺動模式，其后的所有關(guān)節(jié)仍然使用步驟(2)中的軌跡法，以盡可能減小對魚頭方向的影響。當(dāng)?shù)谝粋€關(guān)節(jié)擺動到與轉(zhuǎn)向方向相反的魚體波的極限位置時，第二個關(guān)節(jié)進入魚體波模式，但該關(guān)節(jié)之后的所有關(guān)節(jié)仍然保持為軌跡法狀態(tài)。依此類推，直到所有關(guān)節(jié)都進入魚體波模式時，轉(zhuǎn)向完成。

將該方法應(yīng)用于自主研制的仿生機器魚，在C形起動過程(圖1)中實現(xiàn)了480°/s的平均轉(zhuǎn)向角速度和約670 °/s的峰值角速度。此外，筆者也將動態(tài)軌跡法應(yīng)用于機器海豚的俯仰控制，在國際上首次實現(xiàn)了機器海豚前滾翻、后滾翻等機動運動(圖2)，驗證了前蘇聯(lián)生物學(xué)家MASLOV在1970年提出的觀點：海豚的俯仰機動性能高于其偏航機動性能。

圖1 機器魚C形起動的瞬間

圖2 CCTV科教頻道報道的機器海豚翻滾畫面

針對S形起動，以北美狗魚為仿生對象，建立了多關(guān)節(jié)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)仿生機器魚的S形起動模型。整個過程設(shè)計為兩個階段。①彎曲階段：以轉(zhuǎn)向速度最大化為目標(biāo)，在魚體S形變保證重心穩(wěn)定平移的前提下，增大較長轉(zhuǎn)向力臂處的轉(zhuǎn)向力矩，提高轉(zhuǎn)向速度，使魚體迅速轉(zhuǎn)向目標(biāo)方向。②伸展階段：以增大前推力為目標(biāo)，始終保持部分將要伸展的魚體垂直前進方向，以L形滑動方式打開魚體。同時，為保證轉(zhuǎn)向精度，采用模糊控制調(diào)節(jié)已展開魚體關(guān)節(jié)的小角度轉(zhuǎn)動，實時糾正魚體展開所引起的游動方向偏離。在S形起動末期，采用變幅值-頻率的中樞模式發(fā)生器(central pattern generator, CPG)實現(xiàn)向穩(wěn)態(tài)游動方式的過渡；前期為保證游動方向及獲取較大推進力，采用小幅值-高頻率的CPG信號，后期則進入大幅值-低頻率的穩(wěn)態(tài)游動。最終，采用四關(guān)節(jié)仿生機器魚(圖3)驗證了S形起動控制方法的有效性，實現(xiàn)了峰值轉(zhuǎn)速為(318.08±9.20)°/s、轉(zhuǎn)向誤差為(1.03±0.48)°的較好結(jié)果，對提升水下游動機器人的機動性能具有指導(dǎo)意義。

圖3 機器魚執(zhí)行S形起動

3 花樣游泳，CPG主導(dǎo)

魚類在水中的游動本質(zhì)上是一種具有時空對稱性的節(jié)律運動，由鏈?zhǔn)紺PG產(chǎn)生和控制。從生物學(xué)角度講，CPG是指一類存在于無脊椎動物和脊椎動物體內(nèi)中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)元電路。它由脊髓和腦干的中間神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)組成，通過神經(jīng)元之間的相互抑制，實現(xiàn)自激振蕩，產(chǎn)生穩(wěn)定的相位鎖定的周期信號，控制軀體相關(guān)部位的節(jié)律性運動，如游泳、呼吸、行走或飛行等。CPG作為一種生物學(xué)運動控制機制，在機器人運動控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)機器人的控制方法不同，其主要特征有：①可以在無節(jié)律信號輸入、無反饋信息及缺少高層控制命令的情況下產(chǎn)生穩(wěn)定的節(jié)律信號；②通過相位滯后及相位鎖定，可以產(chǎn)生多種穩(wěn)定的相位關(guān)系，實現(xiàn)機器人的多模態(tài)運動；③易于集成環(huán)境反饋信號，形成反饋控制系統(tǒng)；④結(jié)構(gòu)簡單，具有很強的魯棒性和適應(yīng)能力。簡言之，仿生CPG控制具有節(jié)律性、穩(wěn)定性、自適應(yīng)性、多樣性等特征。這些特征與機器人運動特點相結(jié)合，常被用于機器人節(jié)律運動的底層控制器，同時在CPG模型中耦合高層控制中心的控制命令及反饋信息，可以在線產(chǎn)生穩(wěn)定、協(xié)調(diào)的節(jié)律信號，控制機體的節(jié)律運動。

自然界，魚類在躲避障礙或者逃避敵害時能夠表現(xiàn)出一定的倒游行為。因涉及到游動方向的改變，倒游運動被生物學(xué)家歸為魚類線性機動行為。大多數(shù)魚類能夠依靠胸鰭的波動，完成身體的緩慢后退，而鰻鱺科及其他細長體魚類則能夠依靠身體的波動產(chǎn)生穩(wěn)定倒游。特別地，魚類在倒游時，尾部的神經(jīng)元領(lǐng)先頭部神經(jīng)元興奮，魚體呈現(xiàn)出由尾部向頭部傳遞的體波。生物學(xué)家針對魚類的倒游行為展開了較多研究，并同其直游行為進行了詳細對比。例如，與直游相比較，鰻鱺科魚類倒游時，擺動頻率與速度的比值要高得多。針對仿生機器魚而言，倒游運動有助于狹小空間的避障及轉(zhuǎn)向。

筆者受魚類運動由CPG控制機制主導(dǎo)的啟發(fā)，利用一類可產(chǎn)生穩(wěn)定極限環(huán)的非線性振蕩器作為神經(jīng)元振蕩器，通過振蕩器間的相互耦合，建立了多關(guān)節(jié)機器魚三維游動的CPG控制模型。同時，通過構(gòu)建雙邊擾動信號，引入相位因子，實現(xiàn)了CPG輸出信號相位的自由控制，并將此CPG模型應(yīng)用于仿生機器魚的控制中。針對CPG模型參數(shù)確定問題，通過構(gòu)建仿魚游運動的動力學(xué)模型，以魚游性能指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，利用粒子群優(yōu)化算法給出一種CPG參數(shù)的優(yōu)化整定方法。在此基礎(chǔ)上，將能夠自由切換相位的CPG模型應(yīng)用于仿生機器魚的游動控制，實現(xiàn)了機器魚直游、倒游的平滑切換及穩(wěn)定倒游。機器魚游動模式的多樣性充分驗證了哈佛大學(xué)生物學(xué)家LAUDER“魚類有多種運動步態(tài)”的觀點。通過CPG控制方法與傳統(tǒng)的魚體波控制方法的對比，發(fā)現(xiàn)CPG控制方法可以獲得更小的俯仰角和橫滾角，尤其在參數(shù)突變和有擾動的情況下具有更穩(wěn)定的游動性能和控制品質(zhì)。

4 躍然水上，追求卓越

躍水運動是海洋生物高效機動行為的集中體現(xiàn)。關(guān)于海豚躍水的原因，尚無定論。一般認為，海豚的躍水運動有多種目的，比如說為了節(jié)省能量(因為在空氣中滑行比在水中運動更容易)，獲得更好的視角來觀察獵物或逃避敵害，方便同伴交流，驅(qū)趕寄生蟲，或僅僅只是嬉戲而已。無獨有偶，魚類中的飛魚科在長期生存競爭中也形成了一種逃避敵害的高超技能：躍水飛翔。飛魚在出水之前，先在水面下調(diào)整角度快速游動，快接近海面時，將胸鰭和腹鰭緊貼在身體的兩側(cè)，然后用強有力的尾鰭快速拍擊，獲得額外推力助其身體離開水面。整個身體出水時，飛魚立即張開又長又寬的胸鰭作滑翔飛行。由于海豚(或飛魚)在躍水之前必須獲得瞬間的高速度，在出水、滑行、入水階段必須保持精巧的姿態(tài)控制，而這些技能正是現(xiàn)有自主水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)亟待加強與提高的，故躍水運動背后蘊含的運動機理、控制機制及仿生啟示是有待深入探索和揭示的前沿課題。雖然海豚的背腹式游泳方式與普通魚類的水平擺動方式相似，但在水平機動和垂直機動的復(fù)雜耦合問題上，海豚有很大不同。況且，海豚在水中的自主游動涉及高效性、高機動性、高升力、高穩(wěn)定性的流動控制機制，現(xiàn)有的運動學(xué)和動力學(xué)模型尚不完善，給機構(gòu)-驅(qū)動-傳感-控制一體化設(shè)計帶來了許多難題，因此面向躍水運動的仿生機器海豚研究面臨極大的挑戰(zhàn)。

跨介質(zhì)的躍水對生物海豚來說是一種優(yōu)勢，既可以出水呼吸又能獲得更高的游速。高游速不僅有助于躍水，而且可以逃避敵害或主動出擊。就仿生工程而言，模仿海豚躍水不僅是硬件方面的挑戰(zhàn)，建模和控制也是重要的一環(huán)。為了實現(xiàn)機器躍水，首要考慮的因素是速度。根據(jù)生物學(xué)觀察，海豚跳中展示的小幅躍水，記錄的游速為4.6 m/s，而大幅度的躍水需要的出水速度高達11 m/s。和生物對手相類似，機器海豚在躍水時經(jīng)歷了準(zhǔn)躍水、完全躍水、連續(xù)躍水等現(xiàn)象。對一條長為0.7 m的機器海豚，游速達到2 m/s、凈推重比為0.14時可成功躍出水面，這兩個特征參數(shù)都比生物海豚相應(yīng)的值要低。阻力減小是實現(xiàn)快速推進的有力途徑，而常規(guī)采用的基于直流電機驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)和基于電池的能源供應(yīng)方案制約了仿生機械設(shè)計與制造，還有相對較大的提升空間。

針對高游速和高機動性的苛刻要求，筆者首先建立了分階段的躍水模型，有效評估了最小出水速度，為躍水機器海豚原型樣機開發(fā)提供了理論指導(dǎo)和設(shè)計參考。在高游速方面，提出了尾鰭攻角控制算法，通過實時反饋，使尾鰭相對于水流的攻角盡量保持在最佳角度而最大化推力，實現(xiàn)了超過2.93 BL/s的較高游速，而文獻中報道的自由游動的機器魚或機器海豚的最高游速通常在1 BL/s左右；在姿態(tài)控制方面，構(gòu)建多通道PID控制器，通過融合多傳感器反饋的姿態(tài)、深度、速度等信息，快速、分立地調(diào)節(jié)機器海豚的尾鰭及胸鰭運動，從而精準(zhǔn)調(diào)整高速運動下的身體姿態(tài)及出入水角度。在此基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了自行推進的機器海豚躍水原型系統(tǒng)，應(yīng)用提出的五階段躍水控制算法，首次實現(xiàn)了單跳躍水(見圖4)和多跳躍水(見圖5)，并完整復(fù)現(xiàn)了出水-空中滑行-再入水這一生物海豚的躍水過程。實驗結(jié)果表明，高游速和姿態(tài)控制是實現(xiàn)躍水的兩個主要因素。

圖4 不同躍水現(xiàn)象的視頻截圖

5 結(jié)論

機器人的智能化、適應(yīng)環(huán)境與任務(wù)多變性、人機融合友好共存是機器人發(fā)展的規(guī)律與必然趨勢，在這一科技浪潮創(chuàng)新時代，機器人研究發(fā)展給中華民族偉大復(fù)興的中國夢帶來了歷史性發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)。大自然是機器人仿生設(shè)計取之不盡用之不竭的智慧寶庫，為未來科技帶來無限可能?！陡邫C動仿生機器魚設(shè)計與控制技術(shù)》一書涵蓋了面向高機動運動的仿生機器魚系統(tǒng)建模、平臺設(shè)計與運動控制等內(nèi)容。該書以十余年高機動方向的研究成果為基礎(chǔ)，對高機動仿生機器魚的研制過程和控制方法進行了系統(tǒng)梳理和闡述。特別地，所論述的高機動型仿生機器魚具有如下特征和優(yōu)勢：①靈活強勁的仿生推進機構(gòu)；②高效運動的形態(tài)學(xué)；③快速的旋轉(zhuǎn)機動；④穩(wěn)定的倒游機動；⑤高機動躍水運動。

圖5 三連跳躍水時的疊加截圖

經(jīng)過二十多年的快速發(fā)展，仿生機器魚的推進性能得到較大的提升，但是與真實魚類的游動性能還相距甚遠。例如，本書實現(xiàn)的C形起動峰值速度達到670°/s，但北美狗魚的起動速度能夠輕易超過2 000°/s。因此，仿生機器魚還有非常大的發(fā)展空間?？v觀近年來國內(nèi)外仿生機器魚的發(fā)展動向，筆者認為面向高機動性能的仿生機器魚研究，今后將重點向以下方向發(fā)展：①高性能驅(qū)動機構(gòu)；②三維精準(zhǔn)高機動運動；③環(huán)境感知能力；④智能學(xué)習(xí)研究；⑤面向?qū)嶋H應(yīng)用。相信在新技術(shù)和新需求的雙重驅(qū)動下，特別是先進制造、智能材料與仿生學(xué)的深度融合背景下，水下仿生機器人的發(fā)展將會更加穩(wěn)健，前景也更誘人。