柔性关节机器鱼的神经-身体-流场耦合自适应高效游动控制研究

鱼类游动的高效率不仅得益于其独特的外部游动流体动力学特性，更与其身体内部的肌肉组织结构和游动的神经控制机制有密切的关系。本项目从仿生结构与神经控制两方面探索鱼类高效游动的内在机理，采用变柔性驱动器设计鲔科游动机器鱼的尾鳍推进器，模拟肌肉使尾部拍动的动能与弹性元件的势能互相转换，通过能量的循环利用提高推进效率；利用Matskoka神经振荡器进行机器鱼游动步态的闭环控制，利用其非线性夹带特性，使机器鱼以身体-流场耦合系统的固有频率产生节律拍动。本项目通过实验测试与仿真分析相结合的方式，探索神经振荡器参数和关节弹性对机器鱼游动效率的影响，揭示鱼类如何有效利用自然动力提高其推进效率。设计神经振荡器参数的学习规则，获得不同拍动频率下机器鱼高效游动的最优控制参数，并通过仿真与实验对参数学习算法进行验证。本项目的研究成果将为研制新型高效水下仿生航行器提供理论依据与技术基础。

对鱼类高效游动之谜的探索不仅需要研究其游动的外部流体动力学，更需要深入理解其身体内部的肌肉功能特性与运动的神经控制机制。本项目从柔性驱动仿生设计与节律运动神经控制两方面，探索鱼类高效游动的内在机理，实现高效仿生水下推进。1. 进行了变刚度柔性驱动机器鱼的仿生结构设计，使机器鱼能够利用弹性元件的储能作用实现机械能的循环利用，达到提高推进效率的目的；2. 进行了机器鱼神经‐身体‐流场耦合高效游动控制的理论与实验研究，利用CPG（中枢模式发生器）控制器的频率夹带特性使机器鱼以机械-流场耦合系统的固有频率产生节律拍动，通过实验研究了关节刚度对摆动频率、关节间相位关系、推进速度和推进效率的影响，得到了效率最优的关节刚度与运动学参数；3. 进行了CPG参数的自适应整定算法研究，获得了单向耦合和双向耦合链式CPG网络中，Hopf振荡器的频率、幅值和耦合权重的学习算法，推导了两种耦合模式下耦合权重与相位关系的解析关系式，通过数值仿真对CPG参数整定的数值方法和解析方法进行了互相验证；4. 进行了机器鱼高速游动的仿生结构设计与控制策略研究，通过高推重比仿生结构设计、关节相位估计与在线调整、位姿测量与控制等途径实现了机器鱼的高速稳定游动，机器鱼游动速度可达2.0 m/s，是目前机器鱼所能达到的最高速度。通过开展本项目研究，不仅从内部肌肉组织结构和游动的神经控制机制两方面对鱼类高效游动的内在机理有了较为深入的认识，而且为高效水下仿生推进器的研制提供了理论依据和技术支撑。