第1章 绪论 1
1.1引言 1
1.2仿生机器人简介 3
1.3水下仿生机器人简介 7
1.3.1鱼类生物学基础 7
1.3.2水下仿生机器人的主要研究内容 10
1.3.3水下仿生机器人的技术难点 12
1.4国内外研究现状 13
1.4.1机器鱼的研究现状 13
1.4.2机器海豚的研究现状 19
本章参考文献 23
第2章 仿生鱼体波及鱼体形态学设计 27
2.1引言 27
2.2高效游动的必要条件 28
2.3鱼体波设计 28
2.4鱼体形态学设计 30
2.4.1尾鳍及其对应鳍的生成 34
2.4.2胸鳍与其对应鳍的生成 35
2.4.3金枪鱼腹鳍的生成 35
2.5鱼体波仿真 36
2.6与Lighthill鱼体波的关系 40
2.7应用与讨论 41
2.8小结 42
本章参考文献 42
第3章 机器鱼二维高机动精准控制 44
3.1引言 44
3.2 C形起动的定义 45
3.3 C形起动各阶段的设计 45
3.3.1弯曲阶段 46
3.3.2保持阶段 49
3.3.3伸展阶段 51
3.3.4精准转弯控制策略 55
3.4定向游动 55
3.5实验 57
3.5.1三关节小型机器鱼原地转向实验 59
3.5.2四关节大型机器鱼C形起动实验／ 61
3.5.3四关节中型机器鱼高速C形起动实验 64
3.5.4四关节中型机器鱼S形起动与定向游动实验 69
3.6讨论 70
3.7小结 72
本章参考文献 72
第4章 基于仿生CPG的机器鱼运动控制 74
4.1引言 74
4.2仿生CPG模型 75
4.2.1 Hopf振荡器的CPG模型 75
4.2.2引入相位因子的C PG模型 75
4.3基于Kane动力学模型的CPG参数优化 77
4.3.1 Kane动力学建模 77
4.3.2 CPG参数优化 82
4.3.3仿真与实验 83
4.4 CPG振荡器相位差对游动性能的影响 86
4.4.1游动性能指标 87
4.4.2一致相位差下的性能分析 88
4.4.3非一致相位差下的性能分析 89
4.4.4讨论 91
4.5机器鱼倒游机动运动控制 92
4.5.1倒游机动运动控制 92
4.5.2实验结果 96
4.6机器鱼直游、倒游运动学分析 99
4.7小结 101
本章参考文献 102
第5章 机器鱼的三维机动转向控制 105
5.1引言 105
5.2机器鱼机构设计 106
5.2.1偏航头部设计 107
5.2.2多自由度胸鳍机构设计 108
5.2.3多关节鱼体及尾鳍设计 109
5.3基于CPG的多模态运动控制 109
5.3.1 CPG网络拓扑结构 110
5.3.2多模态运动控制 110
5.4机器鱼S形起动运动控制 113
5.4.1北美狗鱼S形起动分析 113
5.4.2弯曲阶段设计 114
5.4.3伸展阶段设计 116
5.4.4实验与分析 121
5.5机器鱼三维机动运动控制 124
5.5.1偏航机动 124
5.5.2俯仰机动 125
5.5.3横滚机动 127
5.6小结 129
本章参考文献 129
第6章 机器海豚俯仰及滚翻控制 132
6.1引言 132
6.2海豚推进机构 133
6.3俯仰控制 134
6.4前滚翻控制 135
6.4.1前滚翻实验 135
6.4.2前滚翻模型 137
6.5后滚翻控制 140
6.5.1后滚翻实验 140
6.5.2后滚翻模型 142
6.6复合滚翻运动 142
6.7讨论 144
6.8小结 145
本章参考文献 145
第7章 机器海豚跃水运动控制 147
7.1引言 147
7.2海豚跃水建模与分析 148
7.2.1生物学特性 148
7.2.2三阶段跃水模型 149
7.2.3尾关节功率估算 156
7.3机器海豚机构设计 158
7.3.1总体设计 158
7.3.2颈关节及头部设计 162
7.3.3腰关节及躯干设计 163
7.3.4尾关节及尾柄设计 164
7.3.5胸鳍设计 164
7.3.6背鳍设计／ 165
7.3.7尾鳍设计 165
7.3.8平衡块设计 165
7.4 攻角控制算法 167
7.4.1攻角变化规律 168
7.4.2关节角计算 169
7.4.3快速游动反馈控制策略 171
7.5转向及定向控制策略 172
7.6跃水控制 174
7.6.1俯仰控制方法 174
7.6.2横滚控制方法 177
7.6.3偏航控制方法 177
7.6.4深度控制方法 178
7.6.5 跃水控制方法 178
7.7实验与讨论 180
7.7.1游速测试与分析 181
7.7.2跃水测试与分析 183
7.7.3讨论 188
7.8小结 189
本章参考文献 190
第8章 总结与展望 192
8.1仿生机器鱼的特征和优势 192
8.2仿生机器鱼的重点发展方向 195