仿生机器人中的尾鱼设计参数分析

由于许多鱼类在游动时主要通过脊椎曲线的波动来产生推进力，依此其推进机构可分为三部分：坚硬的头部、柔性的躯干和摆动的尾鳍，如图3-11所示[116]。其中，躯干可以看作是由一系列铰链连接而成的摆动链，尾鳍可以视作摆动的水翼，而胸鳍则可以视为能旋转、拍动的水翼。

对仿鱼机器人来说，摆动部分的关节数目越多，鱼体的柔性就越大，其游动时的灵活性就越高，但其身体的韧性和强度会变得越小，其游动的效率和加速度性能也会有所降低。一般而言，机械系统的关节数目越多，关节转动角度的累计误差会变大，而且关节数目增多的同时机械结构的可靠性会减弱，发生故障的可能性会随之增加。对仿鱼机器人这种串联铰链式的结构形式来说，其中任意一个关节的故障或损坏都会影响整个机械系统的工作性能。

图3-11　仿鱼机械结构的简单模型

仿鱼机器人机械结构设计的一个重要问题就是哪些参数对于其整体性能至关重要。因此，在具体观察的基础上，需要根据现实鱼类的身体特征，选取并确定对整体性能有着重要影响的几何参数。从工程实现的角度来看，对参数进行合理筛选，结合仿鱼机器人的设计指标，将相对次要的参数予以忽略，而选用重要的参数完成具体的设计工作，其效果可能会更好。因此，可以将依据图3-11所示简单模型归纳并筛选后得出的几个重要参数列举如下。

（1）摆动部分长度占身体总长的比例R。

鱼体身长与摆动部分的比例是鱼类科目划分的一个重要依据。根据R值的不同，鱼类可以划分为鳗鲡科、科、亚科、鲔形科等。同时，这一比例对于鱼类游动的速度和机动性也有着重要的影响。一般来说，随着R值的减小，鱼类的游动效率和游动速度都会增加，但机动性能会有所下降。(www.xing528.com)

（2）鱼体摆动部位的简化关节数N。

一般而言，鱼体的摆动关节数N越多，鱼体的柔性就越大，其灵活性也就越高，但其游动效率就越低。考虑到机电系统的结构和尺寸约束，以及在多关节串联情况下容易出现的大误差累计，N也非越大越好。设计过程中需要考虑仿鱼机器人的总体尺寸、所要求的性能以及机电系统的精度等因素。

（3）鱼体摆动部分各个关节之间的长度比。

在关节长度相对较短的部位，关节密集度较高，此处鱼体的柔性比较大，可以产生较大角度的摆动。多数鱼类沿着头尾轴的方向其关节长度比例越来越小，其摆动幅度由前向后则会逐渐增加，在尾柄处达到最大。

（4）尾鳍的形状。

尾鳍的形状与鱼儿身体的游动特征密切相关。一般来说，鱼儿主要由身体波动产生推动力，尾鳍的形状主要用来调节机动性能，多成半圆形和梯形。另外，R越大，尾鳍的柔性就会较高；R越小，尾鳍在摆动时产生的推进力越大，同时其刚性也越大。凡游动快速而又喜作长距离洄游的鱼类，其尾鳍多呈新月形或叉形，且尾柄较为狭细而有力，如金枪鱼、鲐鱼、鲅鱼等。