自然啟迪技術(shù)靈感，仿生提升機(jī)動(dòng)性能
——解讀《高機(jī)動(dòng)仿生機(jī)器魚(yú)設(shè)計(jì)與控制技術(shù)》

喻俊志 吳正興

中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100190

0 引言

當(dāng)前人工智能發(fā)展迅速，逐步成為新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式的孵化器和助推器，深刻改變了社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)及每個(gè)人的生活方式。作為人工智能的杰出代表和重要的應(yīng)用領(lǐng)域，機(jī)器人的研究與發(fā)展備受關(guān)注。大千世界，蕓蕓眾生，經(jīng)過(guò)35億年的自然選擇，生物種群為適應(yīng)環(huán)境已經(jīng)形成了從感知方式、執(zhí)行方式、控制方式到信息處理、行為決策、組織協(xié)調(diào)等多方面的優(yōu)勢(shì)和長(zhǎng)處，為生物學(xué)和機(jī)器人學(xué)的結(jié)合奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。《道德經(jīng)》有云：“人法地，地法天，天法道，道法自然”。從大自然獲取靈感、汲取精華，對(duì)于解決科學(xué)難題和指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義。

作為一門(mén)技術(shù)先導(dǎo)性學(xué)科，機(jī)器人具有多學(xué)科交叉與融合等特點(diǎn)，以功能及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)為載體，通過(guò)自主或半自主的感知、移動(dòng)、操作，體現(xiàn)類(lèi)人的智能水平，并逐步擴(kuò)展人在時(shí)間、空間、尺度、環(huán)境、智能等方面的約束限制，為人類(lèi)更好地服務(wù)。在現(xiàn)有技術(shù)水平下，大部分機(jī)器人系統(tǒng)的功能還無(wú)法與生物體相媲美。為了制造出結(jié)構(gòu)、功能、材料、控制、能耗等諸方面合理的機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)，從仿生的角度對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行研究是目前機(jī)器人學(xué)活躍的研究領(lǐng)域之一。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)信息科學(xué)部在2017年修訂的學(xué)科代碼也給出了仿生機(jī)器人的專(zhuān)門(mén)學(xué)科代碼(即F030912，仿生機(jī)器人理論與技術(shù))。仿生學(xué)在機(jī)器人學(xué)中的應(yīng)用，推動(dòng)機(jī)器人向適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的方向發(fā)展；反過(guò)來(lái)，仿生機(jī)器人學(xué)的不斷成長(zhǎng)，不僅豐富了仿生學(xué)的研究?jī)?nèi)容，而且拓寬了仿生學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域。作為仿生學(xué)和機(jī)器人學(xué)高度發(fā)展與相互融合的產(chǎn)物，仿生機(jī)器人正在或即將對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、民用事業(yè)及國(guó)防安全等方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。與普通工業(yè)機(jī)器人相比，仿生機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)靈活性、機(jī)動(dòng)性、隱形性、適應(yīng)性及能源供給等方面有明顯優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于偵察、反恐、搜索救援、星際探索、服務(wù)業(yè)及娛樂(lè)等領(lǐng)域。

近年來(lái)，隨著MEMS、制造、控制、傳感等的持續(xù)發(fā)展，仿生機(jī)器學(xué)迅速崛起，適應(yīng)海、陸、空環(huán)境的各種原理性仿生機(jī)器相繼問(wèn)世。水下機(jī)器人是海洋探索與開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)手段。在水下仿生領(lǐng)域，許多學(xué)者將目光轉(zhuǎn)向形態(tài)和機(jī)理更為復(fù)雜的水下動(dòng)物研究。在江河湖海中，為了攫取食餌、逃避敵害、生殖繁衍和集群洄游等生存需要，魚(yú)類(lèi)、鯨豚類(lèi)及頭足類(lèi)軟體動(dòng)物等在漫長(zhǎng)的自然選擇過(guò)程中，其體形和運(yùn)動(dòng)器官都進(jìn)化得特別適合于水中運(yùn)動(dòng)，其整體功能漸趨優(yōu)化，而當(dāng)前人造水下航行器望塵莫及。例如，在推進(jìn)效率方面，依靠尾和鰭的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，魚(yú)類(lèi)和鯨豚類(lèi)的流體推進(jìn)效率可達(dá)80%以上，而普通螺旋槳推進(jìn)器的平均效率僅40%～50%。在機(jī)動(dòng)性方面，黃鰭鮪魚(yú)的爆發(fā)速度高達(dá)40節(jié)(約74 km/h)，梭子魚(yú)的瞬時(shí)加速性能高達(dá)20g，魚(yú)類(lèi)的轉(zhuǎn)彎半徑僅為0.1～0.3 BL(body length，體長(zhǎng))，且轉(zhuǎn)彎時(shí)無(wú)需減速；海豚能以0.11～0.17 BL的轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎速度高達(dá)450°/s；而普通船舶需以3～5 BL的半徑緩慢地回轉(zhuǎn)。對(duì)具有非凡水下運(yùn)動(dòng)能力的水生動(dòng)物進(jìn)行仿生研究將為研制新一代集機(jī)動(dòng)性、高速性、隱蔽性及低擾動(dòng)性于一體的自主水下航行器乃至系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)方案提供豐富的創(chuàng)意和有益的借鑒。

基于魚(yú)類(lèi)和鯨豚類(lèi)獨(dú)特的推進(jìn)方式，從形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、控制諸方面對(duì)動(dòng)物進(jìn)行模仿和學(xué)習(xí)形成的水下推進(jìn)系統(tǒng)統(tǒng)稱(chēng)為機(jī)器魚(yú)。與傳統(tǒng)基于螺旋槳推進(jìn)的水下航行器相比，機(jī)器魚(yú)實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)器與舵的統(tǒng)一，具有高機(jī)動(dòng)、低擾動(dòng)、高隱蔽性等優(yōu)點(diǎn)，從而更加適合在狹窄、復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的水下環(huán)境中進(jìn)行監(jiān)測(cè)、搜索、勘探及救援等作業(yè)?！陡邫C(jī)動(dòng)仿生機(jī)器魚(yú)設(shè)計(jì)與控制技術(shù)》一書(shū)聚焦魚(yú)類(lèi)和鯨豚類(lèi)的高機(jī)動(dòng)性，從機(jī)器人學(xué)的角度出發(fā)，開(kāi)展推進(jìn)機(jī)理、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制及系統(tǒng)集成等一系列研究，研制開(kāi)發(fā)具有多運(yùn)動(dòng)模態(tài)的水下高機(jī)動(dòng)仿生機(jī)器人。該書(shū)涵蓋了仿生魚(yú)體波及魚(yú)體形態(tài)學(xué)設(shè)計(jì)、二維高機(jī)動(dòng)精準(zhǔn)控制、三維機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)向控制以及極具挑戰(zhàn)性的機(jī)器海豚躍水控制，其大部分內(nèi)容是筆者十余年科研實(shí)踐的總結(jié)與提煉。通過(guò)對(duì)高機(jī)動(dòng)仿生機(jī)器魚(yú)的研制過(guò)程、控制方法、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的詳細(xì)介紹，一方面，可以讓讀者了解水下仿生機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)及關(guān)鍵技術(shù)；另一方面，借此提供一個(gè)高機(jī)動(dòng)仿生機(jī)器魚(yú)全流程開(kāi)發(fā)的范例，促進(jìn)和推動(dòng)水下機(jī)器人與自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，更好地服務(wù)國(guó)家和社會(huì)需求。

1 自由戲水，波動(dòng)為先

雖然魚(yú)類(lèi)的種類(lèi)和形態(tài)很多，但也隱含著某些可識(shí)別的共同特征。作為游動(dòng)和維持身體平衡的運(yùn)動(dòng)器官，大多數(shù)魚(yú)類(lèi)至少有數(shù)個(gè)單獨(dú)的鰭，包括尾鰭、胸鰭、腹鰭、臀鰭等。這些附鰭通?？梢苑譃閮深?lèi)：偶鰭和奇鰭。偶鰭為成對(duì)的鰭，包括胸鰭和腹鰭各一對(duì)，相當(dāng)于陸生脊椎動(dòng)物的前后肢；奇鰭為不成對(duì)的鰭，包括背鰭、臀鰭、尾鰭。一般常見(jiàn)的魚(yú)類(lèi)均具有上述的胸、腹、背、臀、尾等五種附鰭。身體/尾鰭(body and/or caudal fin, BCF)推進(jìn)模式是自然界大多數(shù)魚(yú)類(lèi)采用的游動(dòng)方式，相比于中間鰭/對(duì)鰭(median and/or paired fin, MPF)推進(jìn)模式而言，在游動(dòng)速度、推進(jìn)效率和加速性能上具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。因而，BCF推進(jìn)模式的研究是目前研究人員實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚(yú)高效、快速推進(jìn)的主要手段。

作為大多數(shù)魚(yú)類(lèi)采用的游動(dòng)模式，BCF模式通過(guò)波動(dòng)或擺動(dòng)部分身體和尾鰭的方式，利用渦流將水向身后推射從而利用水的反作用力實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的向前運(yùn)動(dòng)。在傳統(tǒng)的魚(yú)游水動(dòng)力建模研究中，幾乎都是先假設(shè)魚(yú)體是按照給定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，然后再分析其受力情況。至于為什么魚(yú)體應(yīng)該按此規(guī)律運(yùn)動(dòng)，則簡(jiǎn)單地按照生物學(xué)的觀(guān)察數(shù)據(jù)，或根據(jù)簡(jiǎn)單的原則確定，并沒(méi)有給出一種較為細(xì)致的理論解釋。針對(duì)這一問(wèn)題，本書(shū)第二章給出了一種直接計(jì)算魚(yú)體波的方法，以便于后續(xù)的水動(dòng)力學(xué)分析、仿真和應(yīng)用。在所提魚(yú)體波設(shè)計(jì)框架中，出發(fā)點(diǎn)是模仿魚(yú)類(lèi)典型的穩(wěn)態(tài)游動(dòng)，即只討論周期性的魚(yú)體波，這與經(jīng)典文獻(xiàn)中的前提條件是一致的。其次，著眼于效率，從如何獲得最高游動(dòng)效率開(kāi)始設(shè)計(jì)魚(yú)體波，而不是先有魚(yú)體波之后再討論游動(dòng)效率。最后，將魚(yú)體波設(shè)計(jì)與仿生機(jī)器魚(yú)設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，對(duì)形態(tài)仿生、機(jī)構(gòu)仿生、運(yùn)動(dòng)仿生和控制仿生的理論與實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)作用，最終提升仿生機(jī)器魚(yú)的推進(jìn)效率和穩(wěn)定性，并對(duì)其他水下仿生實(shí)踐起到良好的借鑒和指導(dǎo)作用。

具體來(lái)說(shuō)，要想使機(jī)器魚(yú)有比較高的效率，應(yīng)該滿(mǎn)足兩個(gè)條件：①魚(yú)的重心必須保持在前進(jìn)方向的軸線(xiàn)上；②魚(yú)的外形設(shè)計(jì)要保證魚(yú)整體側(cè)向力的合力為零。值得注意的是，條件①可通過(guò)魚(yú)體波的幾何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，條件②可通過(guò)魚(yú)的形態(tài)學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)滿(mǎn)足。為了滿(mǎn)足這兩個(gè)條件，筆者提出了基波的概念，構(gòu)建了基波方程，然后根據(jù)魚(yú)的線(xiàn)密度和形態(tài)設(shè)計(jì)了穩(wěn)定的魚(yú)體波方程。對(duì)于多關(guān)節(jié)BCF模式的機(jī)器魚(yú)，只需要將機(jī)器魚(yú)看成一個(gè)連桿系統(tǒng)，即可擬合根據(jù)機(jī)器魚(yú)線(xiàn)密度生成的魚(yú)體波。改變基波的振幅、頻率、甚至其基本形式，就可以對(duì)應(yīng)地改變魚(yú)體波的形式。另一方面，對(duì)于外形無(wú)法精確模擬某種真實(shí)魚(yú)類(lèi)的機(jī)器魚(yú)來(lái)說(shuō)，利用本章形態(tài)學(xué)的解釋?zhuān)M(jìn)一步優(yōu)化其外形，減小身體多余的擺動(dòng)，可以提高機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)效率，從而提高機(jī)器魚(yú)的航程。此外，外形的優(yōu)化及多余擺動(dòng)的減少也利于提高最高游速。

基于基波的魚(yú)體波動(dòng)推進(jìn)描述及三維游動(dòng)建模，不僅豐富和發(fā)展了英國(guó)流體力學(xué)大師LIGHTHILL提出的魚(yú)體波動(dòng)理論體系，而且對(duì)BCF型游動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)及其穩(wěn)態(tài)控制律推導(dǎo)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。不過(guò)，需要首先指出的是，基波很難確定其精確方程。這是因?yàn)樗赡苡扇魏我粋€(gè)因素影響：魚(yú)體的某種性質(zhì)或水的某種性質(zhì)。不同的基波會(huì)改變魚(yú)體波上每一個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度。但更本質(zhì)地，不同的基波改變的是肌肉的運(yùn)動(dòng)形式。在小擺幅(鲹科及金槍魚(yú)模式)的情況下，一個(gè)周期內(nèi)，肌肉只在短時(shí)間內(nèi)爆發(fā)式地發(fā)力。因此，不同的基波所對(duì)應(yīng)的魚(yú)體波之間的區(qū)別，對(duì)于肌肉的運(yùn)動(dòng)模式的改變會(huì)非常小。在大擺幅(鰻鱺及亞鲹科模式)的情況下，體段上每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度都相對(duì)較低，因此，肌肉在一種相對(duì)放松的狀態(tài)下工作，不同的基波對(duì)效率的影響相應(yīng)地較小。此外，幾乎每一種魚(yú)都生長(zhǎng)有許多柔軟的邊沿(鰭或是小翅)，它們被動(dòng)地運(yùn)動(dòng)在由魚(yú)和水組成的動(dòng)力系統(tǒng)中。這些鰭減少了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)結(jié)果對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的敏感性。對(duì)于機(jī)器魚(yú)來(lái)說(shuō)，在相對(duì)低速時(shí)，只要魚(yú)體上有適當(dāng)?shù)能涍呇?，那么機(jī)器魚(yú)的運(yùn)動(dòng)性能就會(huì)有相當(dāng)?shù)奶岣?，包括游?dòng)效率和控制精度。因此，一般來(lái)說(shuō)，略帶柔性的尾鰭比完全剛性的尾鰭能給機(jī)器魚(yú)帶來(lái)更好的游動(dòng)效果。

天下武功，無(wú)堅(jiān)不破，唯快不破。對(duì)于速度型魚(yú)類(lèi)而言，速度已成為生死攸關(guān)的指標(biāo)，沒(méi)有最快，只有更快。為了得到更快的速度，BCF模式的魚(yú)類(lèi)，通常都會(huì)同時(shí)增加擺幅和擺動(dòng)頻率。對(duì)于大多數(shù)魚(yú)類(lèi)，尾鰭產(chǎn)生絕大部分推力，而其他的鰭面則幾乎產(chǎn)生的都是阻力。因此，這些多余鰭面會(huì)盡量折疊并緊貼在身體表面，以減小前游的阻力。根據(jù)魚(yú)體形態(tài)學(xué)設(shè)計(jì)分析，鰭面的折疊會(huì)破壞魚(yú)體波側(cè)向的平衡，引起重心左右的晃動(dòng)。雖然游速可以提升至極限，但極大地降低了游動(dòng)效率。對(duì)于生活在復(fù)雜環(huán)境中的魚(yú)類(lèi)而言，機(jī)動(dòng)性是剛需，與此相適應(yīng)，進(jìn)化出了更多更大的控制舵面。通常它們都擁有很大的鰭面，且可以在低速時(shí)，以MPF模式精確地定點(diǎn)游動(dòng)。有些魚(yú)類(lèi)在需要高速游動(dòng)時(shí)，可以切換到BCF模式。這能很好地適應(yīng)其生存環(huán)境且在效率、機(jī)動(dòng)性和速度之間具有最佳折衷，屬綜合型選手。不過(guò)，這些魚(yú)類(lèi)在任何一個(gè)指標(biāo)上都不再是自然界最好的代表。

2 快速起動(dòng)，C形跟蹤

快速起動(dòng)，是指快速、高功率的爆發(fā)式游動(dòng)，是一種典型的非穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)，常見(jiàn)于BCF模式的魚(yú)類(lèi)。它既可以從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始，也可以從穩(wěn)態(tài)的游動(dòng)狀態(tài)開(kāi)始?？焖倨饎?dòng)一般分為兩種：C形起動(dòng)與S形起動(dòng)。C形起動(dòng)用于快速地調(diào)整游動(dòng)的方向，以逃避敵害；而S形起動(dòng)則更多地用于急加速，以捕捉獵物。由于S形起動(dòng)幾乎就是普通游動(dòng)的快速播放版，因此S形起動(dòng)相對(duì)容易理解，也相對(duì)容易控制。而C形起動(dòng)涉及魚(yú)體大范圍的運(yùn)動(dòng)，是一個(gè)典型的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，因而成為重點(diǎn)研究的對(duì)象。雖然C形起動(dòng)通常由毛特訥氏系統(tǒng)(Mauthner system)調(diào)控，但不同的快速起動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模式與不同的神經(jīng)控制之間的關(guān)系仍是一個(gè)未決的問(wèn)題。在過(guò)去的幾十年間，從進(jìn)化、生物力學(xué)直到仿生機(jī)器人，各個(gè)領(lǐng)域的研究人員都對(duì)快速起動(dòng)做了大量研究。顯然，如果能把快速起動(dòng)及加速的能力轉(zhuǎn)化到人造水下航行器上的話(huà)，將會(huì)大大增強(qiáng)它們?cè)谵D(zhuǎn)向、起動(dòng)、剎車(chē)方面的性能，從而可以在復(fù)雜環(huán)境或亂流中安全快速地航行。

傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，生物進(jìn)化使得快速起動(dòng)只快不準(zhǔn)。而最新生物學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，射水魚(yú)(archersh, Toxotes jaculatrix)在捕食時(shí)展現(xiàn)出的快速起動(dòng)既快又準(zhǔn)，峰值速度可達(dá)20 BL/s，角速度可達(dá)4 500°/s，其反應(yīng)精度可達(dá)6°。筆者以此為生物學(xué)原型，設(shè)計(jì)了可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、快速起動(dòng)的機(jī)器魚(yú)。在具體的仿生實(shí)踐中，將BCF魚(yú)類(lèi)的C形起動(dòng)分為彎曲階段、保持階段和伸展階段。

(1)彎曲階段。該階段機(jī)器魚(yú)魚(yú)體由直線(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镃形狀態(tài)。在此階段，所有關(guān)節(jié)同時(shí)以最大速度向一側(cè)彎曲，以提供最大的轉(zhuǎn)向角速度。

(2)保持階段。該階段機(jī)器魚(yú)魚(yú)體保持C形狀態(tài)。在此階段，機(jī)器魚(yú)離開(kāi)起始位置，到達(dá)目標(biāo)方向。本階段該控制方法提出動(dòng)態(tài)軌跡跟蹤算法來(lái)控制機(jī)器魚(yú)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)態(tài)軌跡跟蹤算法的基本原理為：魚(yú)在轉(zhuǎn)向的保持及伸展階段，身體后段的幾乎每一個(gè)點(diǎn)都會(huì)通過(guò)前段身體所經(jīng)過(guò)的空間位置。使用魚(yú)的整個(gè)轉(zhuǎn)向過(guò)程看上去就像是在一個(gè)“管道”中前進(jìn)一樣。對(duì)應(yīng)于機(jī)器魚(yú)的控制算法，讓機(jī)器魚(yú)的每一個(gè)關(guān)節(jié)都必須保持在它的前一段體段的位置上。由此約束條件來(lái)求取機(jī)器魚(yú)的每一個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角。

(3)伸展階段。該階段機(jī)器魚(yú)魚(yú)體由C形狀態(tài)轉(zhuǎn)變成直線(xiàn)狀態(tài)或者S形狀態(tài)。此后機(jī)器魚(yú)在魚(yú)體S形波動(dòng)產(chǎn)生的推動(dòng)力下開(kāi)始前向游動(dòng)。S形指魚(yú)體波，用來(lái)推動(dòng)魚(yú)體前進(jìn)。在機(jī)器魚(yú)前進(jìn)時(shí)，機(jī)器魚(yú)的每個(gè)關(guān)節(jié)都會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，以此來(lái)產(chǎn)生一個(gè)完整周期的魚(yú)體波。最前面的關(guān)節(jié)最先進(jìn)入魚(yú)體波的擺動(dòng)模式，其后的所有關(guān)節(jié)仍然使用步驟(2)中的軌跡法，以盡可能減小對(duì)魚(yú)頭方向的影響。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)關(guān)節(jié)擺動(dòng)到與轉(zhuǎn)向方向相反的魚(yú)體波的極限位置時(shí)，第二個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)入魚(yú)體波模式，但該關(guān)節(jié)之后的所有關(guān)節(jié)仍然保持為軌跡法狀態(tài)。依此類(lèi)推，直到所有關(guān)節(jié)都進(jìn)入魚(yú)體波模式時(shí)，轉(zhuǎn)向完成。

將該方法應(yīng)用于自主研制的仿生機(jī)器魚(yú)，在C形起動(dòng)過(guò)程(圖1)中實(shí)現(xiàn)了480°/s的平均轉(zhuǎn)向角速度和約670 °/s的峰值角速度。此外，筆者也將動(dòng)態(tài)軌跡法應(yīng)用于機(jī)器海豚的俯仰控制，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了機(jī)器海豚前滾翻、后滾翻等機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)(圖2)，驗(yàn)證了前蘇聯(lián)生物學(xué)家MASLOV在1970年提出的觀(guān)點(diǎn)：海豚的俯仰機(jī)動(dòng)性能高于其偏航機(jī)動(dòng)性能。

圖1 機(jī)器魚(yú)C形起動(dòng)的瞬間

圖2 CCTV科教頻道報(bào)道的機(jī)器海豚翻滾畫(huà)面

針對(duì)S形起動(dòng)，以北美狗魚(yú)為仿生對(duì)象，建立了多關(guān)節(jié)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)仿生機(jī)器魚(yú)的S形起動(dòng)模型。整個(gè)過(guò)程設(shè)計(jì)為兩個(gè)階段。①?gòu)澢A段：以轉(zhuǎn)向速度最大化為目標(biāo)，在魚(yú)體S形變保證重心穩(wěn)定平移的前提下，增大較長(zhǎng)轉(zhuǎn)向力臂處的轉(zhuǎn)向力矩，提高轉(zhuǎn)向速度，使魚(yú)體迅速轉(zhuǎn)向目標(biāo)方向。②伸展階段：以增大前推力為目標(biāo)，始終保持部分將要伸展的魚(yú)體垂直前進(jìn)方向，以L(fǎng)形滑動(dòng)方式打開(kāi)魚(yú)體。同時(shí)，為保證轉(zhuǎn)向精度，采用模糊控制調(diào)節(jié)已展開(kāi)魚(yú)體關(guān)節(jié)的小角度轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)時(shí)糾正魚(yú)體展開(kāi)所引起的游動(dòng)方向偏離。在S形起動(dòng)末期，采用變幅值-頻率的中樞模式發(fā)生器(central pattern generator, CPG)實(shí)現(xiàn)向穩(wěn)態(tài)游動(dòng)方式的過(guò)渡；前期為保證游動(dòng)方向及獲取較大推進(jìn)力，采用小幅值-高頻率的CPG信號(hào)，后期則進(jìn)入大幅值-低頻率的穩(wěn)態(tài)游動(dòng)。最終，采用四關(guān)節(jié)仿生機(jī)器魚(yú)(圖3)驗(yàn)證了S形起動(dòng)控制方法的有效性，實(shí)現(xiàn)了峰值轉(zhuǎn)速為(318.08±9.20)°/s、轉(zhuǎn)向誤差為(1.03±0.48)°的較好結(jié)果，對(duì)提升水下游動(dòng)機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性能具有指導(dǎo)意義。

圖3 機(jī)器魚(yú)執(zhí)行S形起動(dòng)

3 花樣游泳，CPG主導(dǎo)

魚(yú)類(lèi)在水中的游動(dòng)本質(zhì)上是一種具有時(shí)空對(duì)稱(chēng)性的節(jié)律運(yùn)動(dòng)，由鏈?zhǔn)紺PG產(chǎn)生和控制。從生物學(xué)角度講，CPG是指一類(lèi)存在于無(wú)脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物體內(nèi)中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)元電路。它由脊髓和腦干的中間神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)組成，通過(guò)神經(jīng)元之間的相互抑制，實(shí)現(xiàn)自激振蕩，產(chǎn)生穩(wěn)定的相位鎖定的周期信號(hào)，控制軀體相關(guān)部位的節(jié)律性運(yùn)動(dòng)，如游泳、呼吸、行走或飛行等。CPG作為一種生物學(xué)運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)機(jī)器人的控制方法不同，其主要特征有：①可以在無(wú)節(jié)律信號(hào)輸入、無(wú)反饋信息及缺少高層控制命令的情況下產(chǎn)生穩(wěn)定的節(jié)律信號(hào)；②通過(guò)相位滯后及相位鎖定，可以產(chǎn)生多種穩(wěn)定的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)；③易于集成環(huán)境反饋信號(hào)，形成反饋控制系統(tǒng)；④結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)能力。簡(jiǎn)言之，仿生CPG控制具有節(jié)律性、穩(wěn)定性、自適應(yīng)性、多樣性等特征。這些特征與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)相結(jié)合，常被用于機(jī)器人節(jié)律運(yùn)動(dòng)的底層控制器，同時(shí)在CPG模型中耦合高層控制中心的控制命令及反饋信息，可以在線(xiàn)產(chǎn)生穩(wěn)定、協(xié)調(diào)的節(jié)律信號(hào)，控制機(jī)體的節(jié)律運(yùn)動(dòng)。

自然界，魚(yú)類(lèi)在躲避障礙或者逃避敵害時(shí)能夠表現(xiàn)出一定的倒游行為。因涉及到游動(dòng)方向的改變，倒游運(yùn)動(dòng)被生物學(xué)家歸為魚(yú)類(lèi)線(xiàn)性機(jī)動(dòng)行為。大多數(shù)魚(yú)類(lèi)能夠依靠胸鰭的波動(dòng)，完成身體的緩慢后退，而鰻鱺科及其他細(xì)長(zhǎng)體魚(yú)類(lèi)則能夠依靠身體的波動(dòng)產(chǎn)生穩(wěn)定倒游。特別地，魚(yú)類(lèi)在倒游時(shí)，尾部的神經(jīng)元領(lǐng)先頭部神經(jīng)元興奮，魚(yú)體呈現(xiàn)出由尾部向頭部傳遞的體波。生物學(xué)家針對(duì)魚(yú)類(lèi)的倒游行為展開(kāi)了較多研究，并同其直游行為進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。例如，與直游相比較，鰻鱺科魚(yú)類(lèi)倒游時(shí)，擺動(dòng)頻率與速度的比值要高得多。針對(duì)仿生機(jī)器魚(yú)而言，倒游運(yùn)動(dòng)有助于狹小空間的避障及轉(zhuǎn)向。

筆者受魚(yú)類(lèi)運(yùn)動(dòng)由CPG控制機(jī)制主導(dǎo)的啟發(fā)，利用一類(lèi)可產(chǎn)生穩(wěn)定極限環(huán)的非線(xiàn)性振蕩器作為神經(jīng)元振蕩器，通過(guò)振蕩器間的相互耦合，建立了多關(guān)節(jié)機(jī)器魚(yú)三維游動(dòng)的CPG控制模型。同時(shí)，通過(guò)構(gòu)建雙邊擾動(dòng)信號(hào)，引入相位因子，實(shí)現(xiàn)了CPG輸出信號(hào)相位的自由控制，并將此CPG模型應(yīng)用于仿生機(jī)器魚(yú)的控制中。針對(duì)CPG模型參數(shù)確定問(wèn)題，通過(guò)構(gòu)建仿魚(yú)游運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，以魚(yú)游性能指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，利用粒子群優(yōu)化算法給出一種CPG參數(shù)的優(yōu)化整定方法。在此基礎(chǔ)上，將能夠自由切換相位的CPG模型應(yīng)用于仿生機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器魚(yú)直游、倒游的平滑切換及穩(wěn)定倒游。機(jī)器魚(yú)游動(dòng)模式的多樣性充分驗(yàn)證了哈佛大學(xué)生物學(xué)家LAUDER“魚(yú)類(lèi)有多種運(yùn)動(dòng)步態(tài)”的觀(guān)點(diǎn)。通過(guò)CPG控制方法與傳統(tǒng)的魚(yú)體波控制方法的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)CPG控制方法可以獲得更小的俯仰角和橫滾角，尤其在參數(shù)突變和有擾動(dòng)的情況下具有更穩(wěn)定的游動(dòng)性能和控制品質(zhì)。

4 躍然水上，追求卓越

躍水運(yùn)動(dòng)是海洋生物高效機(jī)動(dòng)行為的集中體現(xiàn)。關(guān)于海豚躍水的原因，尚無(wú)定論。一般認(rèn)為，海豚的躍水運(yùn)動(dòng)有多種目的，比如說(shuō)為了節(jié)省能量(因?yàn)樵诳諝庵谢斜仍谒羞\(yùn)動(dòng)更容易)，獲得更好的視角來(lái)觀(guān)察獵物或逃避敵害，方便同伴交流，驅(qū)趕寄生蟲(chóng)，或僅僅只是嬉戲而已。無(wú)獨(dú)有偶，魚(yú)類(lèi)中的飛魚(yú)科在長(zhǎng)期生存競(jìng)爭(zhēng)中也形成了一種逃避敵害的高超技能：躍水飛翔。飛魚(yú)在出水之前，先在水面下調(diào)整角度快速游動(dòng)，快接近海面時(shí)，將胸鰭和腹鰭緊貼在身體的兩側(cè)，然后用強(qiáng)有力的尾鰭快速拍擊，獲得額外推力助其身體離開(kāi)水面。整個(gè)身體出水時(shí)，飛魚(yú)立即張開(kāi)又長(zhǎng)又寬的胸鰭作滑翔飛行。由于海豚(或飛魚(yú))在躍水之前必須獲得瞬間的高速度，在出水、滑行、入水階段必須保持精巧的姿態(tài)控制，而這些技能正是現(xiàn)有自主水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)亟待加強(qiáng)與提高的，故躍水運(yùn)動(dòng)背后蘊(yùn)含的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、控制機(jī)制及仿生啟示是有待深入探索和揭示的前沿課題。雖然海豚的背腹式游泳方式與普通魚(yú)類(lèi)的水平擺動(dòng)方式相似，但在水平機(jī)動(dòng)和垂直機(jī)動(dòng)的復(fù)雜耦合問(wèn)題上，海豚有很大不同。況且，海豚在水中的自主游動(dòng)涉及高效性、高機(jī)動(dòng)性、高升力、高穩(wěn)定性的流動(dòng)控制機(jī)制，現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型尚不完善，給機(jī)構(gòu)-驅(qū)動(dòng)-傳感-控制一體化設(shè)計(jì)帶來(lái)了許多難題，因此面向躍水運(yùn)動(dòng)的仿生機(jī)器海豚研究面臨極大的挑戰(zhàn)。

跨介質(zhì)的躍水對(duì)生物海豚來(lái)說(shuō)是一種優(yōu)勢(shì)，既可以出水呼吸又能獲得更高的游速。高游速不僅有助于躍水，而且可以逃避敵害或主動(dòng)出擊。就仿生工程而言，模仿海豚躍水不僅是硬件方面的挑戰(zhàn)，建模和控制也是重要的一環(huán)。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器躍水，首要考慮的因素是速度。根據(jù)生物學(xué)觀(guān)察，海豚跳中展示的小幅躍水，記錄的游速為4.6 m/s，而大幅度的躍水需要的出水速度高達(dá)11 m/s。和生物對(duì)手相類(lèi)似，機(jī)器海豚在躍水時(shí)經(jīng)歷了準(zhǔn)躍水、完全躍水、連續(xù)躍水等現(xiàn)象。對(duì)一條長(zhǎng)為0.7 m的機(jī)器海豚，游速達(dá)到2 m/s、凈推重比為0.14時(shí)可成功躍出水面，這兩個(gè)特征參數(shù)都比生物海豚相應(yīng)的值要低。阻力減小是實(shí)現(xiàn)快速推進(jìn)的有力途徑，而常規(guī)采用的基于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和基于電池的能源供應(yīng)方案制約了仿生機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，還有相對(duì)較大的提升空間。

針對(duì)高游速和高機(jī)動(dòng)性的苛刻要求，筆者首先建立了分階段的躍水模型，有效評(píng)估了最小出水速度，為躍水機(jī)器海豚原型樣機(jī)開(kāi)發(fā)提供了理論指導(dǎo)和設(shè)計(jì)參考。在高游速方面，提出了尾鰭攻角控制算法，通過(guò)實(shí)時(shí)反饋，使尾鰭相對(duì)于水流的攻角盡量保持在最佳角度而最大化推力，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)2.93 BL/s的較高游速，而文獻(xiàn)中報(bào)道的自由游動(dòng)的機(jī)器魚(yú)或機(jī)器海豚的最高游速通常在1 BL/s左右；在姿態(tài)控制方面，構(gòu)建多通道PID控制器，通過(guò)融合多傳感器反饋的姿態(tài)、深度、速度等信息，快速、分立地調(diào)節(jié)機(jī)器海豚的尾鰭及胸鰭運(yùn)動(dòng)，從而精準(zhǔn)調(diào)整高速運(yùn)動(dòng)下的身體姿態(tài)及出入水角度。在此基礎(chǔ)上，研制開(kāi)發(fā)了自行推進(jìn)的機(jī)器海豚躍水原型系統(tǒng)，應(yīng)用提出的五階段躍水控制算法，首次實(shí)現(xiàn)了單跳躍水(見(jiàn)圖4)和多跳躍水(見(jiàn)圖5)，并完整復(fù)現(xiàn)了出水-空中滑行-再入水這一生物海豚的躍水過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高游速和姿態(tài)控制是實(shí)現(xiàn)躍水的兩個(gè)主要因素。

圖4 不同躍水現(xiàn)象的視頻截圖

5 結(jié)論

機(jī)器人的智能化、適應(yīng)環(huán)境與任務(wù)多變性、人機(jī)融合友好共存是機(jī)器人發(fā)展的規(guī)律與必然趨勢(shì)，在這一科技浪潮創(chuàng)新時(shí)代，機(jī)器人研究發(fā)展給中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)帶來(lái)了歷史性發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)。大自然是機(jī)器人仿生設(shè)計(jì)取之不盡用之不竭的智慧寶庫(kù)，為未來(lái)科技帶來(lái)無(wú)限可能。《高機(jī)動(dòng)仿生機(jī)器魚(yú)設(shè)計(jì)與控制技術(shù)》一書(shū)涵蓋了面向高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)系統(tǒng)建模、平臺(tái)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制等內(nèi)容。該書(shū)以十余年高機(jī)動(dòng)方向的研究成果為基礎(chǔ)，對(duì)高機(jī)動(dòng)仿生機(jī)器魚(yú)的研制過(guò)程和控制方法進(jìn)行了系統(tǒng)梳理和闡述。特別地，所論述的高機(jī)動(dòng)型仿生機(jī)器魚(yú)具有如下特征和優(yōu)勢(shì)：①靈活強(qiáng)勁的仿生推進(jìn)機(jī)構(gòu)；②高效運(yùn)動(dòng)的形態(tài)學(xué)；③快速的旋轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)；④穩(wěn)定的倒游機(jī)動(dòng)；⑤高機(jī)動(dòng)躍水運(yùn)動(dòng)。

圖5 三連跳躍水時(shí)的疊加截圖

經(jīng)過(guò)二十多年的快速發(fā)展，仿生機(jī)器魚(yú)的推進(jìn)性能得到較大的提升，但是與真實(shí)魚(yú)類(lèi)的游動(dòng)性能還相距甚遠(yuǎn)。例如，本書(shū)實(shí)現(xiàn)的C形起動(dòng)峰值速度達(dá)到670°/s，但北美狗魚(yú)的起動(dòng)速度能夠輕易超過(guò)2 000°/s。因此，仿生機(jī)器魚(yú)還有非常大的發(fā)展空間?？v觀(guān)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外仿生機(jī)器魚(yú)的發(fā)展動(dòng)向，筆者認(rèn)為面向高機(jī)動(dòng)性能的仿生機(jī)器魚(yú)研究，今后將重點(diǎn)向以下方向發(fā)展：①高性能驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；②三維精準(zhǔn)高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)；③環(huán)境感知能力；④智能學(xué)習(xí)研究；⑤面向?qū)嶋H應(yīng)用。相信在新技術(shù)和新需求的雙重驅(qū)動(dòng)下，特別是先進(jìn)制造、智能材料與仿生學(xué)的深度融合背景下，水下仿生機(jī)器人的發(fā)展將會(huì)更加穩(wěn)健，前景也更誘人。