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1. 研究目的与意义（文献综述）
一、目的及意义（含国内外的研究现状）
机器人给人类的生产生活带来了极大的便利。随着科学技术的发展, 机器人的应用愈加广泛。随着水下探索、水下环境监测等越来越受到各国的重视，由于传统的依靠螺旋桨推进的水下机器人在推进过程中会产生侧向的涡流, 增加能量的无功消耗, 降低其推进效率, 并会产生较大的噪声，而作为地球上出现最早的脊椎动物, 鱼类拥有非凡的水中运动能力, 其游动具有推进效率高、机动性强、隐蔽性好、噪声低、对周围环境影响小等优点[1]。因此，许多学者设计研发仿生机器鱼，通过模仿鱼类的外形和运动模式，以求达到鱼类运动高效、快速的特点。[2]此外，由于工作环境日益复杂, 如在一些特殊环境的工作(例如狭小空间、水下环境等)，传统刚性机器人受自身刚性机械结构的限制, 难以满足需求。而柔性机器人凭借对外部环境适应能力强、结构简单等优势成为机器人发展的重要方向之一 [3-5] 。综上所述，柔性机器鱼作为机器人中的一类, 具有可观的应用前景, 可在不同领域得到广泛应用[6]，在海底勘探及海洋救捞方面，采用仿生推进方式可以容易地进入环境复杂的海洋空间,完成常规潜器所不能完成的任务; 军用方面，其噪声低、对环境扰动小、不易被声纳发现、易于隐蔽的特点,不仅可以为人们研制新型高效、低噪声、机动灵活的柔性潜艇提供了新的思路，还可以直接进行水下侦察，发现敌方雷区；娱乐方面，随着制造工艺的进步和技术创新, “宠物鱼”将以优美的姿态和低廉的价格走向市场[7]。柔性机器鱼的设计研发越发成为许多学者的研究热点，引起了国内外学者的争相研究[8-9] 。
在仿生机器鱼的研究中，文献[10]于对鱼类的推动方式进行了分类，即身体／尾鳍推进模式（body and/or caudal fin, BCF）和中央鳍／对鳍推进模式（m-edian and/or paired fin, MPF）。身体／尾鳍推进模式又可细化分为鳗鲡模式、亚鲹科模式、鲹科模式、鲉科模式和箱鲀科模式[11]，中央鳍／对鳍推进模式可分为长鳍波动式，胸鳍扑冀滑翔式和多鳍拍动式[12]。
表1 BCF模式与MPF模式AUV 比较
| 比较内容 | BCF模式 | MPF模式 |
| 推进机理 | 由尾鳍和身体的波动或摆动产生平移波形成前进的推力 | 由成对的胸鳍，背鳍，臀鳍，或者背鳍和臀鳍混合拍动或波动产生推进力 |
| 运动速度 | 适合大航程高速巡游，加速性能好 | 适合小航程低速游动 |
| 推进效率 | 高速巡游时效率较高，但低速和转弯时效率较低 | 低速游动具有较高的效率 |
| 机动性 | 机动性较差，转弯半径较大，完全由横向摆动的单自由度尾鳍推进的BCF模式AUV不能实现俯仰和滚转运动 | 机动性优良，具有6个自由度的机动性，可原地悬停和转弯 |
| 稳定性 | 游动状态易受水体环境影响 | 游动稳定性好，抗干扰能力强 |
国内外研究现状：
BCF模式：1994年，美国麻省理工学院MIT成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生机器金枪鱼RoboTuna，鲔科推进模式[13]。具有八个关节，通过6台大功率无刷直流伺服电动机驱动，速度可达2m/s，该样机主要用来进行水下阻力性能试验研究。2014年，美国MIT大学研制成一种仿鲹科模式的柔性机器鱼，身体由柔性材料制作，尾鳍仿自然模型通过3D打印机制成，具有良好的弯曲和伸展性能(最大弯曲角达100°)。通过气动驱动，鱼体内部具有空心充气栅型单元，气缸控制其CO2充气量实现不同动作。日本香川大学研制了基于ICPF的微型机器鱼，如1998年研制的双尾鳍驱动微型机器鱼长度只有10mm，最快游速4mm/s，2010年研制的基于红外遥控的微型机器鱼，长度为15cm，可实现群游。1999年，北京航空航天大学研制出国内第一条仿生机鳗鱼器鱼[14]，具有六个关节，直流伺服电动机驱动，身长0.8m，最大速度0.6m/s。2001年研制了仿生机器海豚，在水洞实验室进行了物理参数测定和水动力学试验[15]。2008 年，中国科学院自动化研究所对仿鳍科机器鱼的倒退游动控制进行研究，给出一种仿鲹科机器鱼的倒游方式[16]。同年，对仿生机器鱼俯仰与深度控制方法进行研究，设计了重心位置的调节装置，用于控制机器鱼在水中的姿态[17]。
MPF模式：1999年, 美国 Nekton Research公司研制了第一款四鳍驱动的仿生AUV样PilotFish，PilotFish的4个柔性鳍以X型平均分布在身体周围, 利用柔性鳍拍动的方式产生推进力,每个鳍由直流伺服电机驱动, 水池测试实验表明其最大游速可达0.6m/s[18-19]；北京大学研制了一个四鳍拍动推进的仿生机器海龟[20]，该仿生海龟的4条鳍对称地分布在躯体的周围, 通过4条鳍的协调拍动,可以在任意方向产生推进力进行机动, 实现复杂的3维运动, 包括上升，下潜，滚转和悬停等；2009年, 哈尔滨工业大学研制了一条以柔性胸鳍摆动方式推进的形状记忆合金丝驱动型仿生蝠鳞机器鱼[21]；2006年, 美国西北大学研发了一套模仿黑鬼刀鱼长鳍波动式推进的实验装置[22]，选择刀鱼作为仿生对象是因为它在6个自由度的方向上都具有高效的机动能力, 并且具有良好的换向机动性。
本次毕业设计的目的和意义
本课题根据现有基础，通过设计柔性驱动结构、采用无线遥控方式优化和改进机器鱼技术，其成功研发对提高机器鱼的安全性、适应性具有重要意义。机器鱼装置应该满足以下基本要求：1）必须可靠地实现移动；2）实现不同移动动作；3）遵循小型、轻量、坚固的原则，力求结构简单。并且利用这次毕业设计的机会，把大学所学的专业知识和自身的实践操作能够做一次结合，在理论知识的指导下完成设计内容，在实践操作的指导下完成系统的优化工作。在这样的前提下去完成这次的毕业设计，将会给我的思维、知识、实践、学习等各方面的能力得到不同程度的提升，不管在以后的学习工作还是生活都将会是很大的帮助。
2. 研究的基本内容与方案
二、基本内容和技术方案
1.基本内容
（1）收集柔性机器鱼和相关控制的相关资料，并调研分析各种类型的机器鱼和通讯方式的优缺点。
3. 研究计划与安排
三、进度安排
本次设计的进度大致安排如下：
第1-2周： 进行调研，了解各种机器鱼结构及其驱动的原理和方法，利用图书馆和网上资源进一步整理并总结分析；
4. 参考文献（12篇以上）
参考文献：
[1]魏清平,王硕,等.仿生机器鱼研究的进展与分析[j].系统科学与数学,2012，32(10):1274-1286.
[2]王安忆,刘贵杰,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,2016.9.
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