水下仿生機器人推進研究背景與實驗目標
隨著水下機器人應用場景的不斷拓展，推進效率與運動穩定性成為水下仿生機器人研究中的關鍵挑戰。基于自然生物推進方式的仿生設計，東北大學儲逸塵分別以牛蛙后肢和牛鼻鲼胸鰭為仿生對象，提出兩種水下仿生機器人推進新方法，成功設計并驗證了兩種多連桿仿生推進機構。
在上述水下仿生機器人實驗研究中，NOKOV 度量動作捕捉系統用于獲取真實生物及仿生機構在水下環境中的運動學數據，為模型分析與實驗驗證提供數據支持。
基于牛蛙后肢的仿生水下推進機構實驗驗證
研究以牛蛙后肢運動機制為仿生原型，提出并實現了一種水下仿生機器人推進系統設計方案。該系統采用三階段四連桿機構模擬牛蛙“踢腿—恢復”運動，通過單電機驅動實現周期性推進。
1.通過動作捕捉系統獲取真實牛蛙后肢運動學數據
在實驗過程中，研究人員使用 NOKOV 度量水下動作捕捉系統 獲取真實牛蛙后肢在推進與回收階段的運動學數據，分析大腿、小腿及蹼足在不同階段的角度變化規律，并據此設計仿生后肢結構。
圖1.通過NOKOV水下動作捕捉系統獲取牛蛙后肢運動學數據
2.通過動作捕捉系統對仿生機構運動數據測量并與真蛙數據對比
在仿真與實物實驗階段，研究同樣借助 NOKOV 度量動作捕捉系統 測量仿生后肢的實際運動角度。實驗結果表明，仿生機構與真實牛蛙后肢的運動趨勢高度一致，蹼足運動吻合度達到 98.5%。
圖2.仿生牛蛙機制
圖3.圖(a)(b)(c)為真蛙與仿生蛙后肢運動捕捉數據對比，Figure 5.展示仿生蛙后肢運動捕捉數據
水下六自由度力實驗顯示，該水下仿生推進系統在 9V 電壓驅動下平均推力為 2.65N，峰值瞬時推力可達 7.91N，驗證了該水下仿生機器人推進機構的實際性。
基于牛鼻鲼胸鰭的六連桿水下仿生機器人實驗驗證
除牛蛙后肢外，牛鼻鲼胸鰭拍動推進也是一種典型的高效水下仿生原型。圍繞中位鰭與對鰭（MPF）推進方式，研究團隊提出了一種基于瓦特型六連桿機構的水下仿生機器人設計方案。
1. 仿生牛鼻鲼胸鰭設計推進機制驗證可行性
該機構通過軸向疊加兩個等比例縮放的六連桿結構，并設置固定相位差，以模擬牛鼻鲼胸鰭的連續周期性拍動。在運動學仿真驗證機構可行性后，研究人員完成了水下仿生原型實驗。
圖4.基于瓦特型六連桿機構的仿生牛鼻鲼水下機器人設計方案
2.對水下仿真機制進行實物實驗使用動作捕捉系統進行運動學數據測量
在實驗階段，團隊通過 NOKOV 度量水下動作捕捉系統 對六連桿仿生機構在水下環境中的實際運動進行測量。結果表明，仿生機構的水下實測角度變化趨勢與仿真結果基本一致，差異主要來源于水體阻力影響。
圖5.運用NOKOV水下動作捕捉系統對仿生牛鼻鲼機器人進行動作記錄與分析
進一步的水下六自由度力學實驗顯示，該水下仿生機器人在同步拍動與反向拍動模式下，分別能夠產生推進力與側向力，表現出良好的推進能力與運動控制潛力。
NOKOV 度量動作捕捉在水下仿生機器人研究中的作用
在上述兩項水下仿生機器人研究中，NOKOV 度量動作捕捉系統 均用于獲取真實生物原型及仿生機構在水下環境中的真實運動軌跡與姿態數據。
通過高精度水下動作捕捉，研究人員能夠對比分析生物原型與仿生機構之間的運動一致性，驗證運動學模型的合理性，并對水下仿生機器人推進性能與穩定性進行定量評估。這一過程為水下仿生推進機構的設計優化提供了可靠的實驗依據。
研究團隊與論文來源
相關研究成果分別發表于 Biomimetics 與 Journal of Marine Science and Engineering 期刊。兩篇論文第一作者儲逸塵為東北大學機械工程與自動化學院博士在讀，長期從事水下仿生機器人研究，并創立粼動仿生科技，致力于推動水下仿生機器人技術的工程化與應用落地。
