Design, Modeling and Direction Control of a Wire-Driven Robotic Fish Based on a 2-DoF Crank-Slider Mechanism
作者: Yita Wang, Chen Chen, Yicheng Chen, Jinjie Li, Yuichi Motegi, Kenji Ohkuma, Toshihiro Maki, Moju Zhao
分类: cs.RO
发布日期: 2026-03-03
备注: Accepted by ICRA 2026
💡 一句话要点
提出基于2自由度曲柄滑块机构的线驱动仿生鱼，实现高速游泳和灵活转向
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 仿生鱼 水下机器人 曲柄滑块机构 运动控制 解耦控制
📋 核心要点
- 现有仿生鱼在速度和机动性上存在trade-off，电机驱动型仿生鱼难以兼顾高速游泳和灵活转向。
- 该论文提出一种基于2自由度曲柄滑块机构的线驱动仿生鱼，解耦推进和转向，实现二者独立控制。
- 实验验证了该设计的可行性，展示了仿生鱼在游泳、转向和方向控制方面的能力。
📝 摘要（中文）
近年来，仿生鱼因其仿生设计和在环境监测与生物调查中的潜在应用而备受关注。在采用躯干-尾鳍(BCF)运动模式的仿生鱼中，电机驱动是广泛采用的方式。一些方法利用多个伺服电机来实现精确的身体弯曲控制，而另一些方法则采用无刷电机通过线或杆驱动尾部，从而实现更高的振荡和游泳速度。然而，前一种方法通常导致有限的游泳速度，而后一种方法则存在较差的机动性，很少有能够平稳转向的。为了解决这种折衷，我们开发了一种线驱动仿生鱼，该仿生鱼配备了2自由度(DoF)曲柄滑块机构，该机构将推进与转向分离，从而实现高速游泳和敏捷的机动。在本文中，我们首先介绍了仿生鱼的设计，包括弹性骨架、防水结构和实现解耦的驱动机构。然后，我们建立驱动建模和身体动力学来分析运动行为。此外，我们提出了一种组合的前馈-反馈控制策略，以实现推进和转向的独立调节。最后，我们通过一系列原型实验验证了设计、建模和控制的可行性，展示了游泳、转向和方向控制。
🔬 方法详解
问题定义：现有仿生鱼设计在游泳速度和机动性之间存在固有的权衡。使用多个伺服电机的方案虽然可以实现精确的身体弯曲控制，但游泳速度受限。而使用单个电机通过线缆或连杆驱动尾部的方案，虽然可以实现较高的游泳速度，但转向能力较差，难以实现平稳转向。因此，如何设计一种既能高速游泳又能灵活转向的仿生鱼是一个挑战。
核心思路：该论文的核心思路是通过解耦推进和转向来实现高速游泳和灵活转向的兼顾。具体而言，采用一个2自由度的曲柄滑块机构，一个自由度用于控制尾部的摆动频率，从而控制推进力；另一个自由度用于控制尾部的摆动方向，从而控制转向。通过独立控制这两个自由度，可以实现推进和转向的解耦。
技术框架：该仿生鱼的整体架构包括以下几个主要部分：1) 弹性骨架：提供鱼的整体结构和弹性；2) 防水结构：保证电子元件在水下的正常工作；3) 2自由度曲柄滑块机构：实现推进和转向的解耦；4) 控制系统：实现对曲柄滑块机构的精确控制。控制系统采用组合的前馈-反馈控制策略，前馈控制用于提供期望的推进和转向力，反馈控制用于补偿模型误差和外部干扰。
关键创新：该论文最重要的技术创新点在于采用了2自由度曲柄滑块机构来实现推进和转向的解耦。与传统的单自由度驱动方式相比，该机构可以独立控制尾部的摆动频率和摆动方向，从而实现更灵活的运动控制。此外，该论文还提出了相应的驱动建模和身体动力学模型，以及组合的前馈-反馈控制策略，为仿生鱼的运动控制提供了理论基础。
关键设计：2自由度曲柄滑块机构的设计是关键。具体参数需要根据仿生鱼的尺寸、形状和运动需求进行优化。控制策略方面，前馈控制器的设计需要基于精确的动力学模型，反馈控制器的设计需要考虑系统的稳定性和鲁棒性。此外，防水结构的设计也至关重要，需要保证电子元件在水下的可靠性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该仿生鱼能够实现高速游泳和灵活转向。通过独立控制推进和转向，可以实现精确的方向控制。实验验证了该设计、建模和控制策略的可行性。具体的性能数据（如游泳速度、转向半径等）在论文中进行了详细的展示。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于水下环境监测、水下生物调查、水下搜救等领域。仿生鱼具有体积小、噪声低、机动性强等优点，可以在复杂的水下环境中执行任务。未来，可以通过集成传感器、摄像头等设备，进一步扩展仿生鱼的应用范围。
📄 摘要（原文）
Robotic fish have attracted growing attention in recent years owing to their biomimetic design and potential applications in environmental monitoring and biological surveys. Among robotic fish employing the Body-Caudal Fin (BCF) locomotion pattern, motor-driven actuation is widely adopted. Some approaches utilize multiple servo motors to achieve precise body curvature control, while others employ a brushless motor to drive the tail via wire or rod, enabling higher oscillation and swimming speeds. However, the former approaches typically result in limited swimming speed, whereas the latter suffer from poor maneuverability, with few capable of smooth turning. To address this trade-off, we develop a wire-driven robotic fish equipped with a 2-degree-of-freedom (DoF) crank-slider mechanism that decouples propulsion from steering, enabling both high swimming speed and agile maneuvering. In this paper, we first present the design of the robotic fish, including the elastic skeleton, waterproof structure, and the actuation mechanism that realizes the decoupling. We then establish the actuation modeling and body dynamics to analyze the locomotion behavior. Furthermore, we propose a combined feedforward-feedback control strategy to achieve independent regulation of propulsion and steering. Finally, we validate the feasibility of the design, modeling, and control through a series of prototype experiments, demonstrating swimming, turning, and directional control.