研究意义：机械鱼类跨多个学科交叉领域。其外形结构的设计要用到仿生学原理，模仿鱼类运动主要采用运动控制技术，而在赋予其鱼类感知能力如听觉、触觉和视觉时，会加入仿生侧线、鱼眼相机等传感器，甚至采用人工智能方法让它们更“聪明”。此外，材料制备、智能规划与决策等技术手段也不可或缺。相较于传统的螺旋桨推进水下机器人，仿生机器鱼在环保、效率、机动性等方面优点显著。它结构密封，锂电池和驱动机构往往安装在内部，对水体没有污染且不易缠绕水草，能更好融入自然环境，对真实鱼类不会造成伤害；它模仿鱼类的摆动，具有更理想的流体力学性能，能量效率大大提高，展现出更强大的机动性能[3]，能在水下环境中做到更多的事：水下勘探，海洋地图测绘，水下资源勘探等。
研究进展：非仿生的水下两栖机器人采用传统的推进方式，但通常有推进噪音大、效率低的特点。仿生两栖机器人 有多种推进方案: (1) 单一仿生推进[4]。如模仿真 实存在的两栖动物。单一仿生所模仿的对象常年 生活在水边、滩涂等环境下，对水陆两种环境都 有较好的适应，但无论其水中还是陆地推进方式 都不是最优的。(2) 半仿生推进[5]。只在水中或陆 地上采用仿生推进方式，而在另一种环境下采用 传统人工推进方式。半仿生通常是以单纯优化陆 地性能而兼顾水中性能 (或相反)为设计原则。 (3) 复合仿生推进[6]。将多种生物的特点结合在一 起，以实现更强的地形适应能力或运动效果。复合仿生推进能使机器人更好地兼顾水下与地面两种环境目前，水下仿生机械娃娃鱼的研究已经取得了一些进展。研究者们通过模拟鱼类的身体结构和游泳动作，设计出了各种形状和功能的机器人。这些机器人具备较强的机动性和灵活性，能够在水下进行自主导航和任务执行。同时，还有针对其能源、通信和控制系统等技术的不断创新和改进。尽管水下仿生机械娃娃鱼的研究还面临许多挑战，比如材料选择、能源供应和智能控制等方面的问题，但它们在海洋工程、海洋科学和环境保护等领域的应用潜力巨大。未来的研究将继续推动水下仿生机械娃娃鱼的发展，并进一步拓宽其应用领域。
1机械结构
1.1整体结构
整体三维模型中，头部及身体主体结构，头部与身体前半部分直接相连，身体前半部分与后半部分通过带有弹簧的两块连接板相连，身体上下部分则由铜柱连接以支撑躯体；有四个相同的腿部结构，该腿部结构主要是通过摇杆带动连杆的方式控制腿部的移动，脚部带有球轴及弹簧，以起到缓冲作用，同时保证落地时脚部底面与地面平行；尾部主要通过蜗轮蜗杆带动连杆的方式控制尾部摆动，同时用圆盘支撑件给连杆做机械限位。
动力单元设置在腿部与身体连接处及尾部与身体连接处，动力单元能够驱动腿部的上下、前后移动，以及尾部摆动。通信检测单元，设置在头部及身体主体结构部分，用于娃娃鱼的操控及障碍物的识别。控制单元，设置在身体上下板之间。
整个机械的底盘安装了牛眼轮，安装牛眼轮的作用是滑动摩擦改为滚动摩擦减小摩擦力，让转置能更好的在地面运行。牛眼轮和底座用螺栓螺母固定，这样可以让转置在运行中不会产生偏移。
仿生机械娃娃鱼可以通过动力单元驱动腿部结构实现在陆地上的行走，驱动尾部结构的摆动实现在河面的移动，从而可实现水陆两栖，检测单元则在检测到障碍物时发出提醒，从而起到对障碍物的识别功能。
1.2方案论证
仿生机械娃娃装置的难点在于，装置在地面爬行以及装置能否按照要求进行工作。文中对结构的设计和材料的选型进行了研究，包括两个方面：（1）爬行时的姿态问题（2）爬行时的质心偏移问题。
在爬行姿态方面，在爬行时采用二拍步态，这样的步态有着以下优点：
1.适配性强：对复杂地形有较强适应能力；
2.容易控制：运动具有对称性，降低姿态控制的复杂度；
3.稳定性好：若对角线两支撑腿发生侧翻，另一对角线可快速着陆。
在爬行质心偏移方面，采取了两方面的措施：（1）将脚部和腿部的凹陷球轴既可以保证脚部底面与地面平行，又可以防止过量的变形；（2）尾部采用蜗轮蜗杆结构减少舵机使用量，在实现较大的传动比时噪音小且能平稳传动，通过ADAMS仿真后进入后处理模块得出质心在X、Y、Z方向上的速度偏移曲线。
2电控装置
2.1硬件控制系统
控制单元通过导线与舵机及电机相连，进而控制机械娃娃鱼的运动。在文中，主控芯片采用Arduino UNO芯片，该芯片具备14路数字输入/输出引脚 ，其中6路输出PWM波来控制电机转速与舵机角度。控制电路中的驱动部分采用L298N主控芯片，最高输出电流3A，电源电压为4.5V到46V，，可驱动大功率直流电机、步进电机、电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，只需改变输入端的逻辑电平，就可以实现电机正转与反转。
在文中，舵机直接连接Arduino外部引脚，直流电机由L298N来启动。传感器采用红外遥控模块，该模块由Mini超薄红外遥控器和38KHz红外接收模块组成。Mini超薄红外遥控器具有17个功能键，发射距离最远可达8米；红外接收模块可接收标准38KHz调制的遥控器信号，通过对Arduino进行编程，即可对遥控器信号的解码操作，从而实现对仿生机械娃娃鱼的远程遥控。
2.2控制框架
仿生机械娃娃鱼的电控流程，如图1所示。以串口中断作为中断信号源，该装置分为停止和工作两个模式。在工作模式下，装置运动并进行水面障碍物识别，而在停止模式下，机器停止并自动回收。在数据采集方面，将采用红外线模块作为感应装置，当感知到周围存在障碍物或接近障碍物时，会拉高引脚电平发出中断，装置所有工作暂停，发出信号。
图1电控流程框图
3 实物展示
文中设计的仿生机械娃娃鱼参加了2022年上海市机械创新大赛，荣获二等奖。具体实现内容包括：
内容1：机械娃娃鱼在初始化之后（收到信号之后）按照特定的运动路径移动到指定位置，进入待机状态。
内容2：启动后，将在河面进行游行巡视，对河面进行检测。利用前端的红外传感装置每游行到一个区域便进行小部分检测。
内容3：检测到障碍物后，向单片机发出信号，单片机回馈信号对周围完成二次检测，完成工作后进行自动回收。
4 结论
文中开发了一种机械娃娃鱼，具有智能识别及河面障碍物检测等功能。通过对机械娃娃鱼进行实测，实测结果表明，该机械娃娃鱼置实现了所要求的功能，可部分代替检测人员的工作，降低工作人员感染新冠的概率，同时该装置可以适应多数工作场合的检测工作，提高了装置的广泛应用性，具有潜在的推广应用价值。
参考文献
[1] 马静,王谋,孙斌.基于可变形结构设计的水陆两栖机器人的研制[J].技术与市场, 2016(4):3.
[2] 李斌,王荣本,郭克友.基于机器视觉的智能车辆障碍物检测方法研究[J].公路交通科技2002, 19(4):126-129.
[3] 梁建宏,王田苗,魏洪兴,等.水下仿生机器鱼的研究进展Ⅲ--水动力学实验研究[J].机器人, 2002.
[4] 邓永超.一种新型柔性尾鳍推进的仿生鱼设计与研究[D].河南大学[2023-10-08].
[5] 许立美,潘紫微,邱支振,等.半转叶轮仿生推进器的控制系统设计及实现[J].机械工程师, 2009, 000(001):83-85.
[6] 杨垒.胸鳍推进仿生鱼的结构设计及水动力学研究[D].重庆交通大学[2023-10-08].
