3自由度胸鳍机器鱼动力学建模及推进性能分析.pdf

Aug.JOURNALOFMACHINEDESIGN20232023年8 月No.8Vol.40第4 0 卷第8 期机计设械3自由度胸鳍机器鱼动力学建模及推进性能分析杨佳瑞1-2，李宗刚1-2，陈引娟1-2,杜亚江1.2（1.兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州730070;2.兰州交通大学机器人研究所，甘肃兰州730070)摘要：为了提高仿生机器鱼在复杂水环境中的游动性能和推进效率，文中设计了一种3自由度胸鳍机器鱼推进机构，研究了鱼体在3自由度胸鳍推进和两侧胸鳍与尾鳍协同推进两种模式下的游动性能。首先，基于鱼体波传播理论分析3自由度胸鳍关节空间运动规律，采用微元法分析建立其动力学模型，并对不同推进方式下运动参数的影响程度进行了比较和仿真。仿真结果表明：当两个胸鳍相互协同时，机器鱼的平均速度为0.2 8 m/s，当双侧胸鳍与尾鳍共同协同时，机器鱼的平均速度为0.4 2 m/s，对比发现胸鳍和尾鳍协同推进时速度更高且推力更大，可实现较宽的游速范围，推进性能更好。关键词：机器鱼3自由度胸鳍；动力学建模；协同推进中图分类号：TP24文献标识码：A文章编号：10 0 1-2 354（2 0 2 3)0 8-0 0 33-0 9Dynamics modeling and propulsion-performance analysis of3-DOF pectoral-fin robotic fishYANG Jiaruil-2,LI Zonggang.*,CHEN Yinjuan*2,DU Yajang1,2(1.School of Mechatronic Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070;2.Robotics Institute,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070)Abstract:In this article,in order to improve the bionic robot fishs swimming performance and propulsion efficiency in thecomplex water environment,a propulsion mechanism is specifically designed for the 3-DOF pectoral-fin robotic fish.Efforts aremade to explore the robotic fishs swimming performance under two modes of 3-DOF pectoral-fin propulsion as well as cooperativepropulsion of bilateral pectoral fin and caudal fin.Firstly,based on the fish-body wave-propagation theory,the motion laws of the3-DOF pectoral-fin joints are given,and the dynamics model is set up with the help of the micro-element method.Then,the in-fluence of the motion parameters under different propulsion modes are compared and simulated.The simulation results show thatthe average speed of the robot fish is 0.28 m/s when the two pectoral fins cooperate with each other,while the average speed isO.42 m/s when the bilateral pectoral fins and the caudal fin cooperate with each other.It is found that the robot fish has greaterspeed and thrust when the pectoral fins and the caudal fin cooperate with each other,thus ensuring a wider range of speed andbetter propulsion performance.Key words:robot fish;3-degree-of-freedom pectoral fin;dynamics modeling;coordinated propulsion随着人类对水下资源探索需求的不断增加，近年来水下机器人成为机器人领域的研究热点之一1-2 O仿生机器鱼作为水下机器人领域一种新型海洋工程装备，在海洋资源勘探、生物观测、水环境监测，以及军事侦查等领域具有潜在的应用价值3近些年来，研究人员对仿生机器鱼的研究取得了*收稿日期：2 0 2 1-0 7-14；修订日期：2 0 2 3-0 2-2 0基金项目：国家自然科学基金项目（6 16 6 30 2 0）；甘肃省高等学校科研项目成果转化项目（2 0 18 D-10）；兰州交通大学“百人计划 项目资助34计设机械第4 0 卷第8 期许多研究成果,文献4 中根据推进方式的不同,将仿生机器鱼分为中央鳍/对鳍（Medianand/orPairedFin，MPF）和身体/尾鳍（Body and Caudal Fin，BC F）推进两类3。王田苗等3 详细介绍了MPF模式运动优势的研究工作。王安忆等5 介绍了BCF推进模式运动优势的研究工作。在BCF模式推进机器鱼的研究中，2 0 18 年麻省理工学院使用其研制出的气压驱动柔性仿生机器鱼“SoFi进行海洋勘探活动以完成近距离记录海洋生物生态行为的目的,取得了良好的水下作业效果6 。瑞士洛桑联邦理工学院研制了箱机器鱼BoxyBot,由电机驱动单自由度胸鳍和尾鳍推进，可实现旋转、倒游和下潜等动作5-6 。2 0 18 年北京大学仿生机器鱼团队研制的仿箱机器鱼，通过改进的中枢模式发生器控制实现了水下的三维运动，包括直游、转弯、俯仰、翻滚和螺旋前进等运动7 对于MPF模式机器鱼，2 0 13年北京航空航天大学团队设计出一款仿蝠机器鱼，并利用该款机器鱼实现了深度控制1-3;Yong等8 研制了一种具有成对柔性多鳍条摆动胸鳍蝠机器鱼，并使用中心模式发生器（Central PatternGenerator，C PG)和模糊算法控制它完成逼真稳定的三维运动。日本东海大学Kato教授9 研制了一种两鳍推进的仿生黑鲈机器鱼，能够以胸鳍的拍动和摇翼驱动低速前进，同时还可实现水中稳定悬停，在低速游动时具有良好的稳定性和机动性。一些机器鱼推进方式实现了BCF模式和MPF模式的结合10-=。Wang 等7 基于仿箱型机器鱼使用PID控制方法控制其CPG网络参数，实现了机器鱼的欧拉角姿态控制。中科院自动化研究所设计的一款仿北美狗鱼的机器鱼,基于Hopf神经元振荡器提出了一种改进CPG模型能够通过胸鳍的上下拍翼运动和摇翼运动，以及多关节的摆动实现前进运动12 。2 0 13年WU等【13 根据Lighthill鱼体波理论，使用线驱动的方式驱动尾部机构进行摆动，成功设计出一款具有一对胸鳍和线驱动尾鳍的机器鱼，通过改进Jjspeet振荡器模型实现了良好的推进性能，目前,对多自由度胸鳍的动力学,以及机器鱼在多自由度胸鳍和尾鳍协同推进模式下的游动机理研究较少。文中设计了灵活的3自由度胸鳍推进机构,结合鱼类BCF模式下快速高效和MPF模式下机动性高的特点,研究了两侧胸鳍单独推进,以及双侧胸鳍与尾鳍协同时的推进性能。首先,基于鱼体波传播理论分析了3自由度胸鳍关节空间运动规律，然后，通过改变动力学方程参数，对不同推进模式下的运动模型参数进行对比仿真分析，验证了所建立模型的准确性。1仿生机器鱼运动学建模1.13自由度胸鳍协同推进运动学建模鱼类胸鳍的运动可以分解为3个独立的运动分量：（1）前后拍翼运动；（2）摇翼运动；（3）上下拍翼运动,如图1所示。(a)前后拍翼运动(b)摇翼运动(c)上下拍翼运动图1鱼类胸鳍运动鱼类胸鳍的推进方式包括升力模式和阻力模式，一般是由2 种或3种运动组合起来的复合运动，根据研究表明，鱼类在不同的情况下会采取不同运动方式。文中设计了一种3自由度胸鳍推进机构，机构原理如图2 所示，两侧机构并排对称布置，通过舵机驱动实现胸鳍的运动，该机构既能实现3个自由度各自独立运动，又能实现复合运动。输出轴处于机构下半部，符合鱼类胸鳍位于鱼体两侧下半部的特征，可以更好地表现机器鱼胸鳍形体的仿生效果14 ，三维模型如图3所示左侧上下右侧上下右侧摇拍翼能机拍翼舵机翼舵机左侧胸鳍左侧前后拍翼舵机左侧摇翼舵机右侧前后拍翼舵机右侧胸鳍图23自由度胸鳍推进机构原理图摆动频率。FR幅值；352023年8 月杨佳瑞，等：3自由度胸鳍机器鱼动力学建模及推进性能分析图33自由度胸鳍推进机构三维模型所设计的仿生机器鱼如图4 所示，为了实现机器鱼的稳定游动，鱼体内经过合理配重使其重心与浮心相重合，两侧胸鳍对称布置分别由3个舵机驱动关节，3个关节可独立实现前后拍翼、上下拍翼和摇翼及三者的复合运动，胸鳍推进机构如图5所示，机器鱼右胸鳍坐标系如图6 所示。图4仿生机器鱼整体样机RFE图5胸鳍推进机构运动示意图V0FRPXZ图6机器鱼右胸鳍坐标系如图6 所示，将刚性胸鳍的前后拍动角、上下拍动角和摇翼拍动角定义为R，p R，O E。为实现仿生机器鱼稳定且高效的推进，根据Lightill鱼体波理论,4 ,为了实现稳定高效的运动规律，胸鳍采用余弦运动，依此为根据确定胸鳍的复合运动规律，沿鳍面坐标系分解为：0=-ArCos(2mft+9ra)FE=-ArECOs 2mft+OPEa(1)FR=-ArRCOs2mft+OrRa式中：OEa,OFRa一上下拍动角和摇翼角的均值；RaOR，O F E，O F R 之间的相位差；对式(1)关于时间求导得wxw,w，则在3自由度协同推进下舵机关节角速度分别为wx，Wy,z，可表示为：Wx=,cos R-w,cos ORWy=0,cos OR+0,OrnCos OR(2)=w,+0,sin OrR设在推进的过程中,胸鳍后摆和回摆时间相同,胸鳍机构运动关系如图7 所示，机器鱼的推进过程如图8所示，以右侧胸鳍后摆行程为例，根据胸鳍摆动的运动学方程，其运动规律为：R=-ARCOs(2Tft+PRa)(3)XW前后拍翼能机上下拍翼能机能机菲图7胸鳍机构运动关系示意图后摆行程XO第1次旋转0，Zu第2 次旋转Qx回摆行程图8机器鱼推进过程示意图则因胸鳍单元摆动引起的流体速度为：,=0zr=(a,+0,sin Om)r(4)36计设机械第4 0 卷第8 期式中：广一胸鳍展向半径。回摆行程中，根据胸鳍摆动的运动学方程和运动规律可得胸鳍单元绕其基点的摆动角速度为x，则因胸鳍单元摆动引起的流体速度为：=Wxr=(W,cosOR-W,cosOR)r(5)1.2尾鳍推进机构运动学建模仿生机器鱼尾部设计采用线驱动主动关节加被动柔性尾鳍的方式实现推进，当尾鳍相对于鱼体中心轴对称往复拍动时，鱼体尾涡的水射流会产生前进的推力；当尾鳍绕与中心轴线成一定偏置角拍动时，会产生侧向力以实现偏航运动12.15-17 ,如图9所示。3自由度胸鳍关节复合运动所产生的涡流与尾鳍涡流的叠加提高机器鱼的游速，根据参考文献13 所研制样机的驱动结构，尾鳍串联关节转角与主动部分的弯曲角有如下的关系：180+d,(6)sin22N1=0式中：D，d 第i个关节的拉线孔距离（图9)；N一关节的数量,N=5;一主动部分与被动部分的相位差YH.hoX图机器鱼尾鳍坐标系在此基础上，建立了鱼尾坐标系。其中，每个主动关节在任一时刻相对于尾鳍坐标系的位置在O-XY平面内的坐标可表示为：5(H+ho)cosN1=1(7)5Z（H +h o)s i niy.(t)=1式中:x,(t)和y(t)一第i个关节的坐标；H,ho一各关节的厚度及初始间距。一利用式(7)可计算出主动体的中线曲线。为模拟主动关节和被动柔性尾鳍的弯曲曲线，给定主动体的运动规律：（t)=A s i n 2 ft,A。为拍动幅值，柔性尾鳍的起始坐标可表示为：2(+ho)os%Ni1N(8)（H+h o)0)sin一i=1相应地,坐标系O-XY到坐标系OX Y 的齐次变换矩阵为：Cos-sinT%=sinCos0(9)L001通过变换矩阵，柔顺尾鳍的任意点P。在坐标系0-XY中可表示为：P.=To.P。(10)另外，为计算水动力须获得柔性尾鳍的横向速度分布，由主动体弯曲角度（t）可知，起始点O的速度可以从式(10)的时间导数和X轴、Y轴上的投影得到：-1doH+hoisinCos?dtNcosS=1Ndt(11)do,H+hoN1d二icosCos?dtNcosi=1Ndt主动关节带动柔性尾鳍摆动使柔性尾鳍发生柔性变形,可将其视为一摆动链，由4 个串联的杆系来模拟,其中的第1个链杆可近似为一个在点P处旋转的杆。因此,杆长可从F到P和O到P之间的距离的比率中导出：O,+xsin?(0,?0)(12)D式中:x=0.25L.;L一一主动部分长度。2仿生机器鱼动力学建模与分析根据使机器鱼推进部位的不同，可将推进方式分为单独双侧胸鳍推进、单独尾鳍推进，以及胸尾鳍协同直游3种，其中依靠3自由度胸鳍摆动时鳍面上不同位置有不同的速度，进而采用微元积分法对胸鳍在两个行程中的受力情况进行分析，最后通过积分得到整个胸鳍推进产生的力12.14 。根据仿生机器鱼游动机理的研究成果，游动过程中的力一般包括推进力、体阻力、胸鳍摆动阻力和附加质量力。为了确定机器鱼的游动方式，下面分析了上述3种游动方式的受力情况17.19372023年8 月杨佳瑞，等：3白由度胸鳍机及推进性能分析2.1双侧胸鳍协同推进直游水动力学分析由于仿生机器鱼的两个胸鳍对称分布,两个胸鳍同时前进时必须满足以下条件：左右胸鳍必须保持相同的频率、幅度、初始相位值和初始位置偏移角19由前可知，机器鱼采用双侧3自由度胸鳍复合推进时，在后摆行程产生推力，而回摆行程产生阻力，机器鱼所受的力和力矩为两胸鳍所产生力和力矩的叠加，沿胸鳍展向的力和力矩相抵消，沿前进方向产生推力。此部分以右胸鳍的拍动行程为例，采用微元分析方法对其进行分析，建立其动力学模型图10 所示为右胸鳍微元P的受力情况，在右胸鳍后摆过程中，设鱼体游动速度为u，则摆动胸鳍微元P处运动引起流体在惯性坐标系下的速度及其沿胸鳍法线方向与切线方向上的分量为u,和，为合速度，由图10 可知，水动力学攻角满足：w,rusinRtan(13)ucosR式中.一后摆角速度。dFndFaPYdF.RuORXX图10右胸鳍后摆受力分析图则周围流体作用在鳍面微元法向和切向上的力的分量dF.和dF，分别为：(dF,=0.5C,pugds(14)(dF,=0.5C.pugds式中：p鱼体周围水流密度；C,C.切向和法向升力系数；ds月胸鳍微元面积。根据Dickinson对来流中平板的举力系数试验结果14 ,将胸鳍简化为扇形,在雷诺数ReE10,10”时，流体的升力系数和阻力系数可视为恒定值，则有：C,=1.92 1.55cos(2.04-9.82)C,=15.4(hu/)0.4(15)ds=0.58rdr式中：从流体运动黏度系数；h鱼体的长度；近扇形鳍面的展向角在后摆进程中，胸鳍微元在纵向和横向上所产生的推力dF,dF、分别为：(dF,=dF,sin OR+dF.cos OR(16)(dF,=dF,cosOR+dF,sinORR胸鳍单元在X轴方向上所产生的推力dF，沿胸鳍的展向进行积分，则可得到其沿X轴方向的力F，为：Cr=LFdF(dF,sin OR+dF.cos OR)(17)XF=0F=0由于摆动胸鳍非匀速周期性拍动,因而会引起鱼体周围水流的动量变化，因此，鱼体会受到流体动量变化而产生的反作用力dF,其大小与附加流体质量dma、流体密度和胸鳍单元摆动线加速度有关，其大小为：dm,=pm(0.5r)drdoddFdma=0.25Tp82(18)二adtadt根据式（18）胸鳍单元受到的力为：(dF=dF,cosX(19)dF,dF,sinFE由于两胸鳍关于X轴对称，如图8 所示，因此，整个胸鳍在OY方向受到的合力为零,故胸鳍摆动区域在OX方向产生的总推力为：Fox=2dF,=2 faF,sin Or(20)其次，如图11所示对胸鳍的回摆行程进行了受力分析。当胸鳍回程摆动时，其运动是绕传动轴轴线作上下、前后拍翼和摇翼运动三者的复合运动，此时，胸鳍会受到周围流体的阻碍,其阻力与胸鳍的来流速度，以及胸鳍鳍面有效阻力面积有关。dF.dFVdFZTXPFEUV图11右胸鳍回摆受力分析图在胸鳍回摆的过程中,流体在X轴方向作用于胸鳍单元的阻力dF为：dF=0.5C.puidSex（2式中C与雷诺数成反比的阻力系数，C=1.33 Re-0.5=1.33 (Lu/)-0.5;L机器鱼体长；相对来流速度鱼鳍回程过程中3种运动的复合运动，则胸鳍平摆动角度；38计设机械第4 0 卷第8 期面与O-YZ平面的夹角为QFR，由图11所示的几何关系，胸鳍单元在X轴方向上的有效阻力面积Sex和相对来流速度为：SEx=SCOsOFRCOSOrEU=UgCOs(OFR-)+u-usin(22)sin-2uw,rsinuFE式中：S-胸鳍的有效面积将胸鳍单元在X轴方向上所产生的阻力dF，沿胸鳍的展向进行积分，则可得其沿X轴方向的阻力F为：T=LT=LdF0.5C.pusdSex(23)FF=0XT=0机器鱼在游动时，也会受到周围流体造成的身体阻力的影响。主要原因是鱼体周围的流体在游动时有一定的变形，因此流体对鱼体不同部位产生的压力不同,阻力与鱼体的形状有关。对于高雷诺数游动，黏性阻力可以忽略不计，流体阻力可以表示为：Fp=0.5CpuSp(24)式中：S,仿生机器鱼游动时的横向迎流面积；Cp一流体阻力系数，仅与雷诺数有关，C，=15.4 Re0.4,水的运动黏度系数，V=10-m/s。V-基于仿生机器鱼直游的游动机理，两侧胸鳍需按相同步态规律做同步运动，则Y轴方向上合力为零，由式（17），式（2 0），式（2 3）和式（2 4）可得在X轴方向上的动力学方程为：du2F,+Fo-2F,-FD(25)mdtO.x式中：m仿生机器鱼的质量。2.2尾鳍推进直游水动力学分析机器鱼尾部主动部分由电机驱动钢丝绳，进而主动体带动柔性尾鳍弯曲成弧形如图12 所示鱼体X811F4FX图12机器鱼尾鳍推进受力分析图当尾鳍OA围绕O点旋转产生攻角时，相对于来流方向的摆角为，摆角幅度为o。同时，尾鳍沿垂直于中心轴X方向左右拍动，其拍动相位差为,振幅为A。1。尾鳍相对于水流的速度为V、横向的拍动速度为Va。下面讨论速度V与横向拍动速度V的关系，已知尾鳍主动部分和被动部分的基本规律为：(p(t)=Asin2mft(26)(t)=gsin(2ft+$)由于主动部分和被动部分连接关节的存在，被动部分的摆角变化比主动部分慢，则：V,=0(t)=2mfAosin 2mft(27)根据王田苗等3 对多关节仿生机器鱼的尾鳍进行的分析，得出推动力公式为：F,=pscososin(2ft+)2fAsin 2mft-tanosin(2ft+)fA/St2mfAgsin2ft(28)式中：9尾柄和尾鳍的相位差；St-斯特劳哈尔数，St=St/2=fA/2u18直线游动时，由于在OZ方向上受到重力、浮力和推进力的分量F，处于平衡状态，所以无位移产生。由以上分析表明，所设计的仿生机器鱼能以多种形式实现直线运动，由刚体动力学方程式（2 3）和式(26)得，可统一表示仿生机器鱼游动方向上的水动力学方程：dum$(2F+Fx-2F-Fp)+(F-F,)+dtn(2F,+F,+Fo-2F,-F,)(29)式中:5,5,n胸鳍单独驱动模式、尾鳍单独驱动模式、胸尾一鳍协同模式参数,$,s,ne0,1。当=1,=0,n=0时，机器鱼在3自由度胸鳍单独驱动模式下游动；当=0,=1,n=0时，机器鱼在尾鳍单独驱动模式下游动；当=0,=0,n=1时，机器鱼在3自由度胸鳍及尾鳍协同推进模式下游动。3仿生机器鱼游动性能分析根据上面所建立的机器鱼模型，采用MATLAB求解常微分方程进行数学仿真分析，利用数值仿真方法K-392023年8 月杨佳瑞，等：3自由度胸鳍机器鱼动力学建模及推进性能分析对机器鱼推进性能进行分析，各运动学参数初值如表1所示。表1运动学参数初值ARAFEAFRf/HzPRa/()T/3T/3T/20.690则当=1,=0,n=0时,机器鱼在3自由度胸鳍复合驱动模式下游动，鱼体游动速度在第3个周期就达到了稳态，不同频率下，胸鳍推进速度随时间的变化关系如图13所示。由图13可以看出，随着摆动频率的逐渐升高，速度也逐渐提高，启动加速度也逐渐提高；在同一频率下，振幅会随之增大，但变化关系并不明显，这主要是由于振幅变化引起流场变化与尾鳍涡流的耦合作用不能在公式中反映。考虑到鱼体游动自身结构和能耗的问题，所研制的该机器鱼适宜速度为0.1 1m/s17。在不同AR角下，尾鳍推进速度随时间的变化关系如图14 所示。在不同频率下，尾鳍推进速度随时间的变化关系如图15所示。0.6F-0.2Hz-0.4Hz0.5F-0.6HzF-0.8HzF-1.0Hz0.4(s/u)/a单0.30.20.10012345678910时间t/s图13不同频率下，胸鳍推进速度随时间的变化曲线0.40.350.3(s/u)/a率0.250.2AR=元/120.15RAR=元/60.14/4=元/312345678910时间t/s图14不同AR角下，胸鳍推进速度随时间的变化曲线0.6-0.2HzF-0.4Hz0.5F-0.6HzF-0.8HzF-1.0Hz(s/l)/a.(率0.40.30.20.100一2345678910时间t/s图15不同频率下，尾鳍推进速度随时间的变化曲线当=0,=1,n=0时,机器鱼在尾鳍单独驱动模式下游动，其运动仿真如图15所示，机器鱼在第2 个周期就达到了稳态，随着摆动频率的升高，速度逐渐提高，结合图16 可以看出，随着幅值的增大，速度逐渐降低。上述仿真结果表明：小振幅高频率能产生较大推力，在实际中机器鱼运动最高频率会受到与自身结构固有频率的限制，小振幅摆动在鱼体流场正后方会产生稳定的涡流，且在推进方向上力的分量较大，侧向力较小，适合较高速度的游动。因此,对于一个特定的机器鱼模型,存在一个使推力最大化的最佳振幅。胸/尾鳍单独推进速度与时间关系如图17 所示，胸/尾鳍协同推进速度、位移与时间关系如图18 所示，胸/尾鳍速度随幅值的变化关系曲线如图19所示，胸/尾鳍速度随频率的变化关系曲线如图2 0所示，推力与斯特劳哈尔数变化关系曲线如图2 1所示。0.450.400.350.30(s/l)/a率0.250.200.150.10元/12R0.05一元/9R=元/6一元/420R一元/3-0.05R012345678910时间t/s图16不同A。角下,尾鳍推进速度随时间的变化曲线0.400.350.30(s/u)/a率0.250.200.150.100.05尾推进胸鳍推进0012345678910时间t/s图17胸/尾鳍单独推进速度随时间的变化关系40计设机第4 0 卷第8 期械0.92.50.80.72.0(s/u)/率0.60.51.50.40.31.00.20.10.50180123456789时间t/s图18胸/尾鳍协同推进速度、位移随时间的变化关系0.40一尾鳍幅值一一胸鳍幅值0.350.30(s/u)/率0.250.200.150.100.20.30.40.50.60.70.8 0.91.0幅值/rad图19胸/尾鳍速度与幅值A的变化关系0.55一尾鳍频率0.50胸鳍频率0.45(s/ul)/a平0.400.350.300.250.200.15元0.20.30.40.50.60.70.80.91.0频率f/Hz图2 0胸/尾鳍速度与频率f的变化关系80尾鳍70一胸鳍6050403020100.550.600.650.700.750.800.850.900.951.00斯特劳哈尔数St图2 1推力与斯特劳哈尔数的变化关系当=0,9=0,=1时,机器鱼在3自由度双侧胸鳍复合和尾鳍协同推进模式下运动，其运动参数仿真如图18 所示，机器鱼在第3个周期达到了完全稳态，对比图13 图2 1可知，仿生机器鱼采用3自由度胸鳍推进时速度变化较大，尾鳍单独驱动时会产生周期稳定的水射流，所以游动速度较为平稳。在相同振幅和频率条件下，尾鳍推进平均速度稍高于胸鳍推进平均速度、胸/尾鳍协同推进运动的平均游速和最高游速均高于胸/尾鳍单独推进时的平均游速和最高游速出现上述仿真结果的可能原因是由于在胸/尾鳍协同推进过程中，胸鳍产生的推进行波与尾鳍产生的涡流行波在流场中有相互耦合和叠加作用，对整个鱼体前进起到了一定的促进作用2 0 4结论文中以仿生机器鱼为研究对象，为了提高仿生机器鱼的游泳性能和推进效率,设计了一种具有3自由度胸鳍和尾鳍共同驱动的仿生机器鱼。分别分析了胸鳍与尾鳍单独推进和二者协同推进时动力学参数频率、幅值等对推进性能的影响。研究结果表明：仿生机器鱼采用小振幅高频率拍动可获得较大推力，而大摆幅低频率拍动可实现稳定游动，平均游速为0.2 8 m/s，协同推进时平均游速达0.4 2 m/s，高于二者单独推进时的平均游速，能够实现稳定游动且稳定游速范围较宽，机动性较好。在后续的工作中,将对以下两个方面进行更加深人的研究：一方面是运用CFD的流体仿真分析3自由度胸鳍和尾鳍协同推进时涡流的叠加作用和胸鳍最优摆动规律及空间轨迹，进而使用中枢模式发生器控制模型对其游动机理进行研究；另一方面对3自由度胸鳍和尾鳍之间的协同产生其他游动模态的机理进行研究。参考文献1Scaradozzi Dalvid,Palmieri Giacomo,Costa Daniele,et al.BCF swimming locomotion for autonomous underwater robots:a review and a novel solution to improve control and efficien-cyJ.Ocean Engineering,2017,130:437-453.2蔡月日，毕树生.胸鳍摆动推进模式仿生鱼研究进展J.412023年8 月杨佳瑞，等由度胸鳍机器学建模及推进性能分析机械工程学报，2 0 11，4 7（19）：30-37.3王田苗，杨兴帮，梁建宏.中央鳍/对鳍推进模式仿生自主水下机器人发展现状综述J.机器人，2 0 13，35（3）：352-384.4Webb,P W.Kinematics of pectoral fin propulsion in cyma-togaster aggregate J.Journal of Experiment Biology,1973,59;1356-1362.5王安忆，刘贵杰，王新宝，等.身体/尾鳍推进模式仿生机器鱼研究的进展与分析J.机械工程学报，2 0 16,52(17):137-146.6崔祚，姜洪洲，何景峰，等。BCF仿生鱼游动机理的研究进展及关键技术分析J.机械工程学报,2 0 15(16)：17 7-18 4.7Wang 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