郭松子，馬俊，李志印，張進(jìn)華

1 中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064

2 海軍裝備部 項目管理中心，北京 100071

3 西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049

0 引 言

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，陸地石油、天然氣、稀有金屬等各類資源日益減少。面對陸地資源日趨枯竭的現(xiàn)狀，開發(fā)和利用海洋資源是人類的迫切任務(wù)之一。為了滿足海洋探索和資源開發(fā)的需求，近幾十年來，各國不斷加大水下自主水下航行器（AUV）的研究力度，AUV 領(lǐng)域發(fā)展迅猛。傳統(tǒng)AUV 多采用由螺旋槳組成的常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單、可靠性高、密封性好等優(yōu)點(diǎn)。但由于螺旋槳工作時會產(chǎn)生大量空泡與旋渦，傳統(tǒng)AUV 工作時產(chǎn)生的噪音較大，對環(huán)境擾動明顯，不利于在對靜謐性要求較高的條件下工作[1]。此外，螺旋槳驅(qū)動器無法產(chǎn)生矢量推進(jìn)力，導(dǎo)致本體水下運(yùn)動時機(jī)動性較差，難以滿足環(huán)境日趨復(fù)雜的水下勘探任務(wù)。

為了探索不同于螺旋槳推進(jìn)的其他高效率、機(jī)動靈活的水下推進(jìn)方式，國內(nèi)外工程師將目光聚焦于海洋中各式各樣的魚類，從魚類的游動方式中汲取靈感，希望通過模仿自然界中海洋生物的形態(tài)特征與游動機(jī)理，為研制新型的高性能AUV 提供思路[2]。鲼科魚類是典型的采用中央對鰭推進(jìn)的魚類，擁有優(yōu)異的流體動力學(xué)外形。其自身通過中央對鰭的拍動產(chǎn)生推進(jìn)力與附加控制力矩，具有水下運(yùn)動靈活與穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。既能適應(yīng)遠(yuǎn)洋的長距離遷徙，又具有低速靈活機(jī)動的能力。采用中央對鰭拍動推進(jìn)的鲼科魚類逐漸成為工程師在設(shè)計新一代水下推進(jìn)器時不斷模仿與學(xué)習(xí)的對象。

早期拍動式仿生機(jī)器魚的設(shè)計多以剛性為主，具有結(jié)構(gòu)可靠性高，產(chǎn)生推進(jìn)力大等優(yōu)點(diǎn)。但其也存在諸多不足，例如支撐骨架笨重、游動效率低與環(huán)境適應(yīng)性差等，難以應(yīng)對日趨復(fù)雜的海洋探測任務(wù)。早在2004 年，日本學(xué)者就研發(fā)出了采用拍動胸鰭驅(qū)動的仿生魚原型機(jī)。機(jī)器魚胸鰭采用剛性骨架支撐，鰭面使用柔性硅膠板制作。原型樣機(jī)長約為650 mm，翼展500 mm，重量為640 g，由伺服電機(jī)驅(qū)動，最大游動速度可達(dá)每秒1 倍體長。此后，國內(nèi)學(xué)者Xu 等[3]與Gao 等[4]采用類似的胸鰭結(jié)構(gòu)，設(shè)計出采用雙側(cè)剛性胸鰭拍動推進(jìn)的仿蝠鲼機(jī)器魚BH-RAY3，通過水動力學(xué)試驗研究了其基本的推進(jìn)機(jī)理。德國Festo 公司也以蝠鲼為仿生對象，設(shè)計出采用剛性支撐電機(jī)驅(qū)動的仿魔鬼魚機(jī)器魚AquaRay，憑借精妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制方法，該機(jī)器魚能實現(xiàn)水中滑行，極大提升了機(jī)器魚的游動效率。EvoLogics 公司研發(fā)了采用人工噴氣推進(jìn)器作為驅(qū)動器的仿蝠鲼機(jī)器魚。弗吉尼亞大學(xué)和美國海軍實驗室共同研發(fā)的MantaBot 原型樣機(jī)采用剛?cè)狁詈系脑O(shè)計思路，通過柔性胸鰭內(nèi)置剛性張拉機(jī)構(gòu)的伸縮來控制胸鰭擺動，能較好模擬真實蝠鲼的運(yùn)動狀態(tài)[5]。

隨著研究的深入，采用全柔性設(shè)計的仿生魚機(jī)器人因其具有結(jié)構(gòu)重量輕、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、游動效率高等特點(diǎn)，受到越來越多的學(xué)者重視。Chew 等[6]通過水動力學(xué)試驗發(fā)現(xiàn)仿生胸鰭外側(cè)的被動大變形有助于推進(jìn)效率的提升，并制作了鰭條與鰭面均為柔性材料的全柔性仿生胸鰭[7]。測試結(jié)果表明，采用此種柔性胸鰭推進(jìn)的原型樣機(jī)MantaDroid 的游動速度最高可達(dá)1.7 倍體長每秒，擁有較快的水下游動速度。

通過總結(jié)近年來國內(nèi)外拍動式仿生魚的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，其研究焦點(diǎn)已從剛性鰭驅(qū)動轉(zhuǎn)換到柔性鰭驅(qū)動，從多自由度的主動變形控制轉(zhuǎn)換到順應(yīng)周圍水流環(huán)境的被動變形設(shè)計，機(jī)器魚本體逐步實現(xiàn)了從身體外形相似到運(yùn)動變形相似，基本實現(xiàn)了對仿生對象“形”和“態(tài)”的模仿?，F(xiàn)有的拍動式機(jī)器魚樣機(jī)能完成包括直線游動與定深巡游在內(nèi)的簡單運(yùn)動功能，但其水下機(jī)動性能仍與真實的魚類相差甚遠(yuǎn)，嚴(yán)重限制了它們在工程中的應(yīng)用[8]。

針對上述不足，以研制游動速度快，機(jī)動性能高的拍動式仿生魚為目標(biāo)，本文將提出一種采用對側(cè)柔性胸鰭拍動推進(jìn)的仿生機(jī)器人（以下簡稱“機(jī)器魚”）設(shè)計方案，并完成相關(guān)樣機(jī)的制作與游動測試工作。制作完成的機(jī)器魚樣機(jī)（XJRoman）全長385 mm，翼展寬度為550 mm，總質(zhì)量約為720 g。樣機(jī)在外形上充分借鑒真實鷂鲼（Eagle-ray）的流線型外形，以減少游動時來自水流的阻力。通過兩側(cè)的柔性仿生胸鰭同步或異步地拍動，機(jī)器魚能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度的靈活運(yùn)動，擁有良好的水下機(jī)動性。

1 拍動式仿鷂鲼機(jī)器魚的設(shè)計與制作

1.1 機(jī)器魚整體設(shè)計方案

在充分參考幼年鷂鲼真實的尺寸大小與形態(tài)特征后，仿鷂鲼機(jī)器魚樣機(jī)設(shè)計方案如圖1 所示。樣機(jī)整體呈流線外形，全長385 mm，翼展寬度為550 mm，采用一對中央柔性仿生胸鰭驅(qū)動，并通過位于后端的水平尾舵調(diào)控俯仰游動姿態(tài)。機(jī)器魚中間艙段用于容納包括運(yùn)動控制板、慣性測量單元與水壓傳感器在內(nèi)的多種電子設(shè)備，為機(jī)器魚樣機(jī)游動時的姿態(tài)與深度信息提供控制與實時數(shù)據(jù)反饋。

圖1 仿鷂鲼機(jī)器魚樣機(jī)設(shè)計方案示意圖Fig. 1 Schematic design of the myliobatid-inspired robot

1.2 拍動式仿生胸鰭的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作

仿生胸鰭是仿鷂鲼機(jī)器魚樣機(jī)的拍動推進(jìn)裝置，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理與否很大程度上會影響機(jī)器魚本體的整體運(yùn)動性能。仿生胸鰭的結(jié)構(gòu)設(shè)計既要考慮柔性拍動胸鰭的解剖結(jié)構(gòu)特征，又要便于實現(xiàn)和控制[9]。為指導(dǎo)仿鷂鲼機(jī)器魚柔性胸鰭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對鷂鲼胸鰭進(jìn)行了解剖實驗。胸鰭樣本整體呈三角旗狀，展弦比約為2。在使用外科手術(shù)刀剔除胸鰭表面肌肉組織結(jié)構(gòu)后，得到胸鰭內(nèi)部的骨骼結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。其結(jié)構(gòu)由多根呈放射狀排布的鈣化輻骨（鰭條）與輻間軟組織交疊組成。其中，每根輻骨由多段橈骨通過柔性關(guān)節(jié)連接，并可繞柔性軟骨關(guān)節(jié)小幅旋轉(zhuǎn)，展現(xiàn)出良好的生物柔順性。同時，胸鰭相鄰兩根輻骨之間通過細(xì)密的軟骨小節(jié)連接，一定程度上加強(qiáng)了沿弦長方向的剛性，保證了胸鰭對弦向波形的控制。胸鰭樣本的整體厚度由根部至端部逐漸減小，因此其剛度由內(nèi)至外逐漸遞減，如圖2(b)所示。

圖2 解剖后的鷂鲼胸鰭實驗樣本Fig. 2 The specimens of a dissected eagle-ray's pectoral fin

通過上述針對鷂鲼胸鰭的解剖學(xué)研究可總結(jié)出以下結(jié)論：

首先，鷂鲼胸鰭整體呈三角旗狀，弦展比約為2。胸鰭內(nèi)部多輻骨的布局與輻骨上的柔性軟骨相結(jié)合，可保證胸鰭運(yùn)動時的生物柔性，使鷂鲼能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的拍動前進(jìn)動作，這對其運(yùn)動的靈活性和穩(wěn)定性具有較大貢獻(xiàn)。

其次，胸鰭沿翼展方向的非均勻剛度分布特點(diǎn)對鷂鲼運(yùn)動時的胸鰭展向變形具有重要意義。

因此，在后續(xù)的仿鷂鲼機(jī)器魚柔性胸鰭的設(shè)計中，為達(dá)到形態(tài)學(xué)仿生的目的，應(yīng)充分借鑒鷂鲼胸鰭的三角旗狀外形、多輻骨的布局與翼展方向的非均勻剛度分布的特點(diǎn)。通過類似的輻骨驅(qū)動結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)胸鰭的周期性往復(fù)拍動。

基于上述鷂鲼胸鰭的形態(tài)學(xué)特征與解剖學(xué)特點(diǎn)，本文中試驗樣機(jī)（XJRoman）采用的柔性仿生胸鰭如圖3 所示。柔性仿生胸鰭整體由柔性鰭面與柔性鰭條組成。其中3 根鰭條沿體長方向橫置排列，其間距為100 mm。前緣驅(qū)動鰭條（leading edge）與體長方向夾角為80°，翼展方向長度為220 mm，寬6 mm，厚度由根部6 mm 逐漸過渡至端部1 mm。驅(qū)動鰭條的非均勻剛度分布設(shè)計，可保證拍動時仿生胸鰭外側(cè)部分的大幅變形；中部及尾部被動鰭條翼展方向長度分別為180 與100 mm，寬度為4 mm?？紤]到仿生胸鰭的整體柔性變形需求，3 根鰭條均采用柔性較好的高韌性尼龍（PA12）材料通過激光燒結(jié)技術(shù)制造，其拉伸模量約為1 700 MPa。尼龍材料的密度與水接近，約為1.13 g/cm3，沿XY方向抗斷裂延展率可達(dá)20%，能夠滿足柔性仿生胸鰭對材料機(jī)械性能的需求。仿生胸鰭的柔性鰭面采用硬度為30A 的硅膠澆筑成型。其中上部鰭面弦向高度為100 mm，展向?qū)挾葹?20 mm，厚度為2 mm；下部鰭面弦高100 mm，上端與底部寬度分別為180 和100 mm，厚度為2 mm。

圖3 試驗樣機(jī)采用的柔性仿生胸鰭Fig. 3 A bionic pectoral fin adopted by the prototype

整個柔性仿生胸鰭通過位于前緣的驅(qū)動鰭條往復(fù)擺動，被動地驅(qū)動整個胸鰭拍動。同時，仿生胸鰭在拍動時能充分利用自身結(jié)構(gòu)剛度分布的特點(diǎn)，通過被動變形形成的擊水角產(chǎn)生向前的推進(jìn)力。鰭面與鰭條均采用柔性材料制作，鰭面直接與鰭條連接。柔型仿生胸鰭除驅(qū)動裝置以外，均采用密度與水接近的零浮力柔性材料制作。單側(cè)胸鰭由一個與驅(qū)動鰭條相連接的高性能防水舵機(jī)驅(qū)動，在降低整體質(zhì)量的同時，最大程度上減少由驅(qū)動器引入的機(jī)械能損耗，提升機(jī)器魚整體的工作效率。

1.3 機(jī)器魚樣機(jī)

制作完成的仿鷂鲼機(jī)器魚樣機(jī)（XJRoman）如圖4 所示。整個系統(tǒng)主要由艙體部分、仿生柔性胸鰭、驅(qū)動舵機(jī)及其內(nèi)部搭載的電子設(shè)備組成。其中，機(jī)器魚艙體部分呈流線型，包含頭部艙段、中間艙段與尾舵三個組成部分。上述組成部分均由PA12 尼龍材料通過3D 打印技術(shù)制造而成，具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。頭部艙段與中部艙段間采用可拆卸式拔插設(shè)計。當(dāng)頭部艙段與中部艙段扣合后，通過O 型密封圈能有效防水。仿生柔性胸鰭與艙體部分通過柔性旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接，并通過位于首部的防水舵機(jī)驅(qū)動，產(chǎn)生推進(jìn)力與附加控制力矩。機(jī)器魚的尾舵結(jié)構(gòu)主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生俯仰力矩，調(diào)節(jié)俯仰姿態(tài)角。機(jī)器魚樣機(jī)整體質(zhì)量為720 g，與其排水量相當(dāng)。因此在水中剛好保持零浮力狀態(tài)。

圖4 仿鷂鲼機(jī)器魚樣機(jī)的等軸側(cè)視圖Fig. 4 The isometric view of the fabricated prototype (XJRoman)

機(jī)器魚搭載的電子設(shè)備如圖5 所示，主要包括數(shù)據(jù)通信模塊、姿態(tài)感知模塊、深度位置感知模塊、供電模塊及運(yùn)動控制板。運(yùn)動控制板由一塊STM32F407IG 單片機(jī)及一塊電源管理芯片組成，能為外圍設(shè)備提供豐富的接口，其功能主要是負(fù)責(zé)接收各傳感器傳輸過來的數(shù)據(jù)，并通過定時器產(chǎn)生相應(yīng)的脈寬調(diào)制（PWM）控制信號，調(diào)整舵機(jī)擺動角度與速度；無線通信模塊通過USART串口與運(yùn)動控制板連接，將期望的運(yùn)動指令傳輸至機(jī)器魚；姿態(tài)感知模塊與深度位置感知模塊通過I2C 串行通信總線與運(yùn)動控制板相連，并通過運(yùn)動控制板中的定時器控制數(shù)據(jù)的采樣周期。

圖5 試驗樣機(jī)電子設(shè)備鏈接框圖及物理連接Fig. 5 Diagram of the electronic connection of the prototype

自然界中，鲼科魚通過協(xié)調(diào)兩側(cè)胸鰭的擺動頻率切換不同運(yùn)動步態(tài)，實現(xiàn)靈活且平穩(wěn)的水中運(yùn)動。對于拍動式機(jī)器魚而言，設(shè)計其控制系統(tǒng)不僅需控制各驅(qū)動器控制量當(dāng)前的輸出狀態(tài)，還需要考慮各輸出控制量之間的關(guān)系對樣機(jī)整體運(yùn)動姿態(tài)的影響。因此，本文基于生物分層控制的思想，采用中樞模式發(fā)生器 （central pattern generator,CPG） 底層驅(qū)動方法，通過控制兩側(cè)胸鰭與尾鰭所對應(yīng)驅(qū)動器的輸出角度與耦合關(guān)系。試驗樣機(jī)CPG 底層驅(qū)動控制方法示意圖如圖6 所示。描述CPG 動態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

圖6 試驗樣機(jī)CPG 底層驅(qū)動控制方法示意圖Fig. 6 Diagram of the coordinating control method for multiacutators based on CPG

式中：ai，bi和xi為方程中的狀態(tài)變量，分別代表第i個振蕩器當(dāng)前的幅度、偏移量與相位；i=1，2，3 分別為與仿鷂鲼機(jī)器魚左側(cè)舵機(jī)、右側(cè)舵機(jī)和尾部舵機(jī)相對應(yīng)的相位振蕩器；Ai與Bi分別為第i個振蕩器的期望幅度與期望偏移量；γi與ηi分別為幅值與偏移量的收斂系數(shù)，決定了方程中狀態(tài)量ai和bi收斂至期望值的速度；fi為振蕩器產(chǎn)生節(jié)律信號的頻率；μij為第i個振蕩器與第j個振蕩器之間的耦合系數(shù)，決定了對應(yīng)振蕩器之間的耦合強(qiáng)弱；φij為第i個振蕩器與第j個振蕩器之間的鎖存相位差；θij為第i個相位振蕩器最終輸出的舵機(jī)角度。上層PID 控制器僅需通過控制CPG網(wǎng)絡(luò)入口，即可實現(xiàn)各驅(qū)動器間的協(xié)調(diào)控制。

PID1 控制器以中央控制板中集成的慣性傳感器（inertial measurement unit , IMU）采集的偏航角作為反饋信號，通過控制f1與f2左右胸鰭拍動頻率的差值，實現(xiàn)游動航向的控制；PID2 控制器則以IMU 采集的俯仰角作為反饋信號，通過調(diào)節(jié)φ3實現(xiàn)機(jī)器魚游動深度的控制。

2 樣機(jī)游動性能試驗

2.1 試驗環(huán)境與數(shù)據(jù)處理

仿鷂鲼機(jī)器魚樣機(jī)（XJRoman）在50 m × 21 m ×2 m 的試驗水域中進(jìn)行游動性能試驗（圖7）。試驗中使用分辨率為4K 的GoPro-Hero8 防水?dāng)z像機(jī)對仿生魚樣機(jī)的運(yùn)動實現(xiàn)每秒60 幀的拍攝，隨后通過Adobe Premiere 幀處理軟件計算出機(jī)器魚的平均游動速度。

圖7 試驗樣機(jī)游動性能測試環(huán)境Fig. 7 Experimental environment to test the prototype

2.2 游動速度試驗

基于對鷂鲼游動形態(tài)的觀察，鷂鲼主要通過改變對側(cè)胸鰭的拍動頻率實現(xiàn)游動姿態(tài)、速度的調(diào)節(jié)。此外，在靜水條件下通過對仿生柔性胸鰭進(jìn)行的水動力學(xué)試驗（圖8 所示）發(fā)現(xiàn)，胸鰭在拍動幅度為80°時各拍動頻率下輸出推進(jìn)力較大。繼續(xù)增加拍動幅度，推進(jìn)力無明顯提升，機(jī)器魚反而將受交替變化的升力影響，游動穩(wěn)定性降低。

圖8 不同驅(qū)動參數(shù)下仿生胸鰭輸出的平均推進(jìn)力Fig. 8 The average thrust of the bionic pectoral fin under different actuating frequencies and amplitudes

為測試試驗樣機(jī)（XJRoman）的直線游動速度，本文測試了試驗樣機(jī)在胸鰭拍動幅度為80°時不同胸鰭驅(qū)動頻率下的平均游動速度，測試結(jié)果如圖9 所示，試驗測得的游動速度均以倍體長每秒（BL/s）表示。

圖9 試驗樣機(jī)在不同拍動頻率下的平均游動速度Fig. 9 The average speed of the prototype while the pectoral fins being actuated in different frequencies

由圖可見，拍動頻率的大小對試驗樣機(jī)的游動速度產(chǎn)生了顯著的影響。當(dāng)機(jī)器魚胸鰭的拍動頻率低于0.7 Hz 時，試驗樣機(jī)的游動速度隨著胸鰭拍動頻率的增加而大幅增加，并在0.7 Hz 時達(dá)到最大值，約為1.9 倍體長每秒。當(dāng)胸鰭的拍動頻率超過0.7 Hz 后，試驗樣機(jī)的平均游動速度隨著胸鰭拍動頻率的遞增而呈現(xiàn)出遞減趨勢。在拍動幅度80°時，機(jī)器魚的直線游動速度隨驅(qū)動頻率的變化趨勢與仿生胸鰭靜水條件下測得的平均推進(jìn)力隨驅(qū)動頻率的變化趨勢基本一致，且最大值點(diǎn)均出現(xiàn)在拍動頻率0.7 Hz 處。

2.3 機(jī)動性能試驗

圖10（a）展示了仿鷂鲼機(jī)器魚進(jìn)行側(cè)V 型機(jī)動時的運(yùn)動圖像序列。在游動過程中，胸鰭最大拍幅始終保持80°；左側(cè)胸鰭拍動頻率為0.7 Hz；右側(cè)胸鰭拍動頻率為0.5 Hz，略小于左側(cè)胸鰭。通過對機(jī)器魚左右胸鰭的差速控制，提升一側(cè)胸鰭所產(chǎn)生的升力與推進(jìn)力，為機(jī)器魚本體提供橫滾與偏航力矩。另一方面，通過調(diào)整尾舵的升降幅度，為機(jī)器魚本體提供俯仰力矩。V 型機(jī)動成功模擬了真實鷂鲼捕捉獵物時的運(yùn)動狀態(tài)，在執(zhí)行特定目標(biāo)水域的環(huán)境探測以及樣本收集任務(wù)中具有潛在應(yīng)用價值。

圖10（b）展示了機(jī)器魚完成橫滾盤旋機(jī)動時的運(yùn)動圖像序列，整個過程可依次分為3 個階段：加速爬升、橫滾與盤旋。首先，機(jī)器魚通過同步拍動兩側(cè)胸鰭，加速爬升至一定深度，隨后加快左側(cè)胸鰭拍動速度使其本體向右弦橫傾，最后協(xié)調(diào)兩側(cè)胸鰭同步慢速拍動以實現(xiàn)平穩(wěn)的盤旋作動。在本次試驗中機(jī)器魚水中盤旋半徑約為0.5 m，展現(xiàn)出了靈活的機(jī)動性。橫滾盤旋機(jī)動動作模擬了真實鷂鲼搜尋獵物時的運(yùn)動狀態(tài)，可應(yīng)用于執(zhí)行對特定目標(biāo)的偵察跟蹤任務(wù)中。

圖10（c）展示了鷂鲼機(jī)器魚進(jìn)行下潛翻滾時的運(yùn)動序列，從運(yùn)動序列中可觀察到，機(jī)器魚在推進(jìn)力與尾舵提供的俯仰力矩共同作用下，沿逆時針方向進(jìn)行翻滾下潛。試驗結(jié)果表明，機(jī)器魚在尾舵與胸鰭的配合下可以在水中實現(xiàn)大角度的翻滾，展現(xiàn)出了優(yōu)異的垂直機(jī)動性能。

圖10 仿鷂鲼機(jī)器魚的機(jī)動性能測試序列圖Fig. 10 Snap shots of the prototype during swimming tests

3 結(jié) 語

本文基于鷂鲼的生物解剖特點(diǎn)，提出了拍動式仿鷂鲼機(jī)器魚樣機(jī)的整體設(shè)計方案，并完成了初代原型樣機(jī)的制作工作。樣機(jī)由位于對側(cè)的全柔性仿生胸鰭驅(qū)動，并依靠尾舵實現(xiàn)俯仰自由度的調(diào)控。采用密度較小的高韌性尼龍(PA12)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料制作殼體，降低了整體質(zhì)量，從而保證了樣機(jī)水下的機(jī)動性。設(shè)計的CPG底層驅(qū)動方法能有效協(xié)調(diào)左右胸鰭及尾舵的周期性擺動，提升機(jī)器魚樣機(jī)游動時的穩(wěn)定性。通過對仿生機(jī)器魚樣機(jī)的游動性能測試可知，在保持柔性胸鰭拍動幅度為80°的條件下，兩側(cè)柔性胸鰭拍動頻率大小的改變對試驗樣機(jī)的游動速度產(chǎn)生了顯著的影響。在一定頻率范圍內(nèi)，通過增加對側(cè)胸鰭的拍動頻率能提升柔性仿生胸鰭輸出的平均推進(jìn)力，從而提升機(jī)器魚樣機(jī)的游動速度，其最大游動速度可達(dá)1.9 倍體長每秒。而當(dāng)拍動頻率超過0.7 Hz 后，增加對側(cè)胸鰭的拍動頻率未能有效提升機(jī)器魚樣機(jī)的游動速度。因此在后續(xù)的研究中，實現(xiàn)柔性胸鰭拍動頻率的在線監(jiān)測與控制，使樣機(jī)處于較高效的工作區(qū)間尤為重要。

此外在機(jī)動性能測試中，本文所設(shè)計的拍動式仿鷂鲼機(jī)器魚可實現(xiàn)側(cè)V 機(jī)動、橫滾盤旋與翻滾機(jī)動等多種敏捷的水下運(yùn)動，展現(xiàn)出了優(yōu)異的機(jī)動性能。樣機(jī)在執(zhí)行水下搜救、探測以及戰(zhàn)術(shù)打擊等任務(wù)中具有較大應(yīng)用前景。