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第1章 绪论1

1.1 引言1

1.2 仿生机器鱼主要研究内容2

1.3 仿生机器鱼的研究目的及意义3

1.4 CPG及CPG控制方法4

1.4.1 CPG及其特点4

1.4.2 CPG控制方法5

1.5 机器人CPG控制的国内外研究现状7

1.5.1 CPG原理在机器人控制领域的应用7

1.5.2 机器人CPG控制的国外研究现状7

1.5.3 机器人CPG控制的国内研究现状10

1.6 CPG数学模型13

1.6.1 CPG模型简介13

1.6.2 CPG生物学模型14

1.6.3 递归振荡器模型16

1.6.4 相位振荡器模型18

1.6.5 CNN模型19

1.6.6 VanderPol神经元振荡器20

1.6.7 环堆栈模型20

1.7 CPG控制的系统实现及未来发展21

1.7.1 CPG控制的系统实现21

1.7.2 CPG控制的发展方向22

本章参考文献24

第2章 仿生机器鱼本体设计39

2.1 引言39

2.2 鱼类学基础40

2.3 鱼类游动的物理模型及特征参数42

2.4 鱼类游动的运动学模型及优化44

2.4.1 鱼类运动学模型的简化45

2.4.2 鱼体波曲线方程的改进48

2.4.3 仿生机器鱼的设计参数优化48

2.5 机器鱼设计中的几个水动力学问题50

2.5.1 水动力学外形的设计50

2.5.2 重心和浮心的平衡51

2.5.3 驱动电机最大扭矩的估算51

2.6 机器鱼运动学模型的数值仿真52

2.7 仿生机器鱼的设计步骤55

2.8 仿生机器鱼机构设计56

2.8.1 偏航头部设计57

2.8.2 多自由度胸鳍机构设计58

2.8.3 多关节鱼体及尾鳍设计59

本章参考文献59

第3章 耦合CPG的机器鱼动力学建模61

3.1 引言61

3.2 仿生机器鱼动力建模62

3.2.1 仿生机器鱼受力坐标系建立62

3.2.2 仿生机器鱼受力分析64

3.2.3 仿生机器鱼动力学建模66

3.3 耦合CPG的仿生机器鱼动力学仿真69

3.4 仿生游动控制实验75

本章参考文献76

第4章 仿生机器鱼运动CPG控制78

4.1 仿生机器鱼CPG建模78

4.1.1 神经元振荡器78

4.1.2 仿生机器鱼CPG模型82

4.1.3 CPG模型参数调节86

4.2 仿生机器鱼CPG控制游动实验90

4.2.1 仿生机器鱼样机研制90

4.2.2 CPG控制游动实验92

本章参考文献98

第5章 CPG反馈控制与多模态运动100

5.1 引言100

5.2 CPG反馈控制方案设计101

5.3 CPG反馈控制建模与分析102

5.3.1 CPG内部耦合反馈信号建模102

5.3.2 CPG输出部耦合反馈信号建模105

5.3.3 高层感觉反馈控制建模107

5.4 运动模态选择与切换控制110

5.5 多模态运动实验：机器海豚游动实验112

5.5.1 机器海豚设计与样机研制112

5.5.2 机器海豚运动仿真113

5.5.3 机器海豚多模态游动实验116

5.6 多模态运动实验：两栖机器人实验120

5.6.1 两栖机器人设计与样机研制120

5.6.2 两栖机器人CPG控制建模122

5.6.3 两栖机器人水陆切换实验127

本章参考文献129

第6章 仿生机器鱼CPG控制优化131

6.1 基于CPG的倒游控制131

6.1.1 倒游控制实现131

6.1.2 两类仿鲹科机器鱼倒游运动控制方法对比132

6.2 CPG模型收敛速度优化138

6.3 基于PSO的CPG控制优化141

第7章 总结与展望148

7.1 总结148

7.1.1 仿生机器鱼本体设计与样机研制148

7.1.2 仿生机器鱼动力学建模149

7.1.3 仿生机器鱼CPG控制建模149

7.1.4 CPG反馈控制与多模态运动150

7.1.5 仿生机器鱼CPG控制优化150

7.2 仿生机器鱼CPG控制展望151

7.2.1 仿生机器鱼机械本体-CPG-环境系统的稳定性研究151

7.2.2 在线学习与环境适应性研究151

7.2.3 新材料、新结构与CPG控制152

7.2.4 CPG控制的工程设计方法152