1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1目的及意义

自然界的各种各样的生物通过优胜劣汰而生存，在亿万年中孕育、演变、进化，每种生物都有其独特的运动方式与生存能力，能够在诸多复杂且恶劣的环境下活动以及生存。因此，人们开始对自然界某些生物的形体、结构、特性、功能等进行研究，然后对其学习、防制到各种人造装置中，以帮助人们完成生产、考察等各式各样的工作任务，使得人工操作方式的效率、安全性逐渐提高，有效扩大了人类的活动范围。20世纪60年代诞生的仿生学作为生物、材料、控制、机械等多学科交叉融合的新型学科,可以从生物的多个角度对其进行仿生制造，其中一个重要模块便是驱动仿生，专门研究各种生物的形体参数，运动方式运用到人造驱动装置上来实现更高的效率、速度和更好的抗扰性、机动性等^[1]。

机器人仿生学是机器人技术领域的一个重要分支，是从仿生物的形状、结构、特性、功能等角度对机器人进行研究，改善或者改变整机的机械结构、控制策略、传动机构和推进方式，使得某些传统机器人在运动性、抗扰性、机动性等方面得到了优化，并且逐渐进入实用化阶段。在早期的科幻作品中，“机器人”一词已有出现，但现实中，最早的机器人是于1959年由美国制造的一台工业机器人^[2]。而机器人的技术发展，得益于人类早期发明的汽车、飞机、船舶等各种运输装置。为了达到机器人运动对地形和环境的高度适应性，研究人员在以前传统运输装置的推进方式的基础上，积极地开展对传统推进方式的改善和新型仿生推进机构的研究。例如：针对水下机器人或者空中机器人，既有传统的推进器及螺旋桨方式推进，也正在着手仿鱼鳍和鸟翅等推进机构^[3]。

中国拥有两百多万平方公里的海域与一碗多公里长的大陆海岸线，随着我国国家海洋开发战略和军事战略的发展，国家“十三五”计划已将海洋技术纳入重点规划内容。研究既能实现水中推进效率高、抗扰性能好，又能实现在陆地上具有动力性、机动能力强的水陆两栖推进装置，对于实现军事情报收集、军事戒备或军事物资输送等军事任务有重要的军事意义，同时新型的水陆两栖机器人在水陆两地的科考、海洋资源的探测以及水下打捞作业也具有广泛的应用前景。

两栖机器人的工作环境是一种复杂的地形环境，除了易于区分的水体环境、陆地环境，还存在水陆过渡区域，这一部分土壤成分复杂，主要由泥和沙等松软介质组成，很难建立精确的土壤模型，因此，这就为研究两栖机器人的推进方式带来困难。两栖类动物在漫长岁月的演变进化中，既能适应陆地及水陆交界处复杂地面环境，又能适应水中环境，在这三种环境中均有良好的运动结构，人们受到此类生物的运动启发，通过研究、学习、仿制这些生物控制机理和推进机制，展开对两栖机器人的研究及设计，自然界中的蟹、龟、蛙、弹涂鱼、鳄鱼、蝾螈等动物为两栖机器人设计提供了生物原型^[4]。人们利用这一点发现，仿生两栖机器人的实际意义以及社会应用价值可能将远超过常规驱动方式的机器人，特别在军事应用方面更容易实现隐蔽性、生存性和地形适应性三种重要性能要求^[5]。

针对两栖环境的特点，两栖机器人通常需将水陆两种推进机构进行有效的复合运用，包括采用分开式推进机构和一套复合推进机构实现水陆两栖推进功能^[2]。而本文拟提出一种新型仿生波动鳍水陆一体化推进机构概念方案，效仿黑魔鱼波动鳍推进机理，通过刚性鳍条驱动柔性鳍面与水作用实现水中的灵活运动，具备真实鱼类水中游动机动性强、推进效率高和环境扰动性小等优点。同时，其还能利用宽大的波动鳍与地面作用产生前进推力，实现水陆两栖环境的一体化推进。对于仿生波状鳍驱动机器人而言，开展地面推进性能研究，建立精确的地面推进动力学模型，对推进器的推进力、推进速度和推进效率进行数值预报，能够为两栖机器人的研发奠定技术基础。

1.2两栖机器人国内外研究现状

两栖机器人，既要适应在陆地上的移动以及水中的游动，更要能够稳定的，高效的通过水陆交界处的地形，目前国内外研究最多的两栖推进方式是足式和蛇形式推进。

（1）足式推进两栖机器人

腿式机器人具有良好的适应能力，能够适应复杂多变的地形环境，但是其运动机构及控制算法较为复杂，国内外对腿式两栖机器人的研究还在不断改进中。AQUA,一款由麦吉尔大学研制出的一种两栖机器人，如图2.1所示^[6]。AQUA是一种仿生两栖六脚机器人，而这“六只脚”，在水中游泳时充当桨，在陆地行走时充当腿部，可以控制机器人前进、转弯，甚至在水中的升沉、俯仰。除了地面和水下游泳之外，AQUA还能够潜水至30米深，悬停以及在海底爬行。

图2.1两栖机器人AQUA

由岭南大学机械工程学院与韩国原子能研究所核聚变技术系联手研制的一款两栖六足机器人平台，用于在地面和水面上进行两栖运动，如图2.2所示^[7]。这一款机器人来源于生物灵感，是以蛇怪蜥蜴为原型来设计的。它使用三脚架步态和矩形脚垫来实现稳定的水上运动与地面运动，通过六脚架配置与四杆腿部重复运动实现三脚架步态。陆地上行走时，类似于蜥蜴的爬行运动，而在水中时，脚垫接触水面后，会产生空气腔，随着六足的循环运动，会产生一定的提升力，实现水中运动。

图2.2两栖六足机器人平台

国外研究机构在两栖足式机器人方面研究的越发火热的同时，国内也有相关机构对其进行探索，涌现出了许多不错的研究成果。

哈尔滨工程大学在对浅滩水陆两栖环境的对比分析下，研制了一款八足式仿生机器蟹，如图2.3所示^[8]。图为该种仿生机器蟹的样机图，它采用并行8步行足，每条足为三自由度的伺服驱动方式，步行足关节采用螺旋伞齿轮的传动方式，并且采用形状记忆合金作为关节驱动器，借助多种手段与技术，设计出了原理样机。中国科学技术大学也研制了一款具有可变换的鳍状腿复合推进机构的两栖足式机器人，如图2.4所示^[9],其在身形上与国外的AQUA类似。由于灵活的鳍状肢结构，该机器人能够适应复杂的水陆地形，其中，可以在弯曲腿状态和直脚蹼状态之间切换柔性脚蹼腿，使之实现水陆两个环境的运动状态。

图2.3八足式仿生机器蟹图2.4可变换鳍状腿两栖机器人

(2)蛇推进两栖机器人

蛇形推进可以通过狭小的空间，在比较复杂，松软介质地面环境中移动，适用于狭小空间的勘察，探测任务，具有广泛的应用前景^[10]。日本九州工业大学在第一代多链接移动两栖蛇形机器人MLMR的优化下，开发了MLMR II二代两栖机器人，如图2.5所示^[11]。这个机器人，在第一代MLMR的基础上使用了混合动力系统，采用中央模式发生器进行运动控制。MLMR II具有八个连接件和七个关节，适应于水下和地面运动，通过直流电动机和齿轮箱实现身体波动，类似于蛇一样运动。EPFL瑞士联邦理工学院计算机与通信科学学院同样制造了一款两栖蛇状机器人，如图2.6所示^[12]。该机器人能够在水中类似海蛇和鳗鱼一样游动，在地面上像蛇一样横向波动前行，其中，中央模式发生器产生的震荡波起到主要的作用。

图2.5机器人MLMR II图2.6两栖蛇状机器人

蛇形机器人的研究在我国虽然起步不久，但是，随着研究人员不断探索与学习，蛇形推进机器人也有了很快的发展。上海交通大学研发了一款仿生蛇形机器人，如图2.7所示^[13]。它全场分为11段，每一段由一台数字电动机驱动，带动两个齿轮和一些联动单元实现波动运动，完成像蛇一样在水中和地面的两栖运动。西北工业大学也设计一种以蛇形为基础的仿生两栖机器人，如图2.8所示^[14]。这个机器人采用多台舵机连接，防蛇形动作运动，具有自主控制的优势，重点在于内部的硬件与软件系统的设置，以完成更多复杂的任务或者进入人无法到达的场所，其用途广泛。

图2.7上海交通大学蛇形机器人 图2.8西北工业大学蛇形机器人

（3）仿生波动鳍推进

本文效仿黑魔鱼波动鳍推进，拟提出一种新型仿生波动鳍水陆一体化推进机构概念方案，其中仿生波动鳍机器人国内外也有相关研究，不过大都是水下推进设计与理论的研究。2003年，美国西北工业大学研发了一种仿鱼长鳍波动推进水下航行器，如图2.9所示。这是一款仿裸背鳗科鱼的长臀鳍波动方式，其推进机构由鳍条与鳍膜构成，靠长鳍波动能产生向前的推进力。来自于瑞士联邦理工学院的Buholzer也设计了一款拥有分布四周的四条长鳍推进游动的仿鱼长鳍波动水下机器人，如图2.10所示^[15]。

图2.9美国工业大学水下推进器图2.10瑞士联邦理工学院水下机器人

根据文献所示，国内也有研究仿鱼长鳍波动水下机器人的相关单位，主要有四家，分别为国防科技大学、中国科技大学、哈尔滨工业大学和中国科学院自动化研究所^[16]。目前，国内很多仿鱼长鳍波动机器人研究多存在于实验室阶段，如图2.11所示，是由国防科学技术大学设计的波动鳍实验装置，用于其控制方法的研究，新型的水下推进方式的研究，为未来波动鳍仿生水下推进性能的提高提供了重要的方向^[17]。而中国科学技术大学也对蓝点魟鱼类进行仿生研究，设计了一款柔性仿生波动鳍机器人样机，如图2.12所示，两队宽长的柔性鳍是是整个机器人推进机构的重要组成部分，由每根鳍条对应的舵机进行驱动，产生有相位差的摆动，实现柔性长鳍的波动运动^[18]。

图2.11国防科技大学仿生波动鳍 图2.12中国科学技术大学仿生机器人

而在本文中，我们将尝试利用类似黑魔鬼刀鱼的波动鳍在地面上运动的探讨，对仿生波状鳍驱动推进器的地面运动性能预报研究。而在国内外，很少有关于波动鳍地面运动研究的相关文献，不过，我们却可以从对沙鱼蜥蜴和蛇的运动中受到启发，讨论鳍波动参数与推进性能之间的关系^[19],[20],以及将车轮运动与鳍运动相互联系，研究推到鳍与地面相互作用力与推进机理^[21]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究目标

本项目以实现全天候的运输作战和情报收集等任务的小型无人化水陆两栖航行器的一体化高效推进需求为牵引，针对传统水陆两栖平台需配备两套推进装置所造成的推进器传动机构复杂和推进效率低，以及当前普遍采用的轮桨一体化推进或划水推进等两栖一体化推进机构的机动性差、在水陆交界处通过性低等问题，师法自然，提出基于黑魔鬼鱼波动鳍波动推进仿生学原理，开展仿生波动鳍水陆一体化推进机构方案研究。将对黑魔鬼鱼的波状鳍进行形态学、运动学、地面动力学研究，并通过样机静力学仿真及地面推进实验对两栖推进器的推进性能进行验证，以实现对仿生波状鳍驱动推进器的地面运动性能预报研究。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

4.参考文献

[1]张秀丽,郑浩峻,陈恳,段广洪.机器人仿生学研究综述[j].机器人,2002(02):188-192.