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基本信息
- 項目名稱：
- 低電壓非電機驅(qū)動的微型仿生機器魚
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 項目是由ICPF材料驅(qū)動的超微型仿生機器魚,可由3V低電壓驅(qū)動，具有體積小、無噪音、無水分解、成本低、生物親和力很強等特點。作品對毫、厘米級水下微型仿生機器人的設(shè)計方法和控制方式進行研究，進行了運動和動力學(xué)建模。使用ICPF低電壓“生物型”驅(qū)動器作為仿生機器魚的動力裝置，通過內(nèi)置控制電路和微傳感器實現(xiàn)了基于反饋控制的水下三自由度游動、避障、主從通訊及魚群信息交互。在各領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。
- 詳細(xì)介紹：
- 目前，仿生水下微型機器人技術(shù)的研究是世界各國爭相投入的前沿課題，在國民經(jīng)濟建設(shè)方面有重要的應(yīng)用價值。盡管目前國內(nèi)在水下仿生機器人的微型化、智能化和集成化等研究方面取得了可喜成果，但在水下微型仿生機器人研究方面與國外尚有較大差距。 現(xiàn)有的水下仿生機器人系統(tǒng)大多采用電機驅(qū)動的方式，具有噪音大、無法微型化等缺點。 在這種背景下，提出了“低電壓非電機驅(qū)動的微型仿生機器魚”項目。 首先，項目組成功研制出新型的生物型驅(qū)動器。這種驅(qū)動器可以低電壓柔性驅(qū)動，被稱為人工肌肉，同時還具有傳感器功能。在性能評價和控制算法確立的基礎(chǔ)上，應(yīng)用該驅(qū)動器研制無纜自主游動機器魚，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)彎、避障、上浮下潛、遠程控制、自主巡游等功能。 其次，我們對多條機器魚的協(xié)調(diào)控制與目標(biāo)跟蹤進行了仿真和實驗測試，驗證了其結(jié)構(gòu)、性能和控制的有效性。 最后，我們提出了子母機的新概念，研制了可實現(xiàn)大范圍高速運動的螺旋槳驅(qū)動的母機，并在母機上實現(xiàn)了子機（微型仿生機器人）裝載和彈射功能。 低電壓驅(qū)動水中多功能微型仿生機器人系統(tǒng)可由3V低電壓驅(qū)動，體積極小、成本低、無噪音、生物親和性極強等特點，在醫(yī)療、民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 研究目的 由于漁業(yè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)進行水質(zhì)監(jiān)測的方法不適合大面積、組網(wǎng)監(jiān)測，并且會破壞魚群的生活規(guī)律，不利于養(yǎng)殖和習(xí)性的探究?？蒲腥藛T在研究水中生物習(xí)性主要依靠外部設(shè)備，這樣會減緩科學(xué)研究的進程。再結(jié)合水污染治理、水中生物多樣性保護等問題，我們提出了“低電壓非馬達式超微型智能仿生機器魚”項目。 基本思路 建立了仿生機器魚動力學(xué)模型。研究了離子聚合物ICPF材料的生物特性和驅(qū)動方式，制作出“生物型”驅(qū)動器作為動力裝置，通過內(nèi)置控制電路，結(jié)合計算機實現(xiàn)了基于反饋控制的水下三自由度運動、主從通訊及魚群信息交互，能夠進行水下生物的習(xí)性引導(dǎo)。子母機設(shè)計增強了子機的續(xù)航能力。 創(chuàng)新點 （1）魚尾本身即是驅(qū)動器，由微小電池供電，無噪音，無輻射，具有極強的生物親和性。 （2）研究了ICPF微驅(qū)動器材料的制作工藝與制作過程。 （3）機器魚采用生物型尾驅(qū)動方式，可實現(xiàn)在水中三個自由度的游動。 技術(shù)關(guān)鍵 （1）仿生微機器魚的尺度效應(yīng)分析。 （2）微型機器魚的推進機理與控制方法。 （3）建立魚群控制模型，能夠?qū)︳~群進行組網(wǎng)式控制。 （4）ICPF材料的處理。 主要技術(shù)指標(biāo) （1）ICPF 微驅(qū)動器彎曲位移與驅(qū)動電壓的傳遞函數(shù)。 （2）子機魚體尺寸為厘米級。無噪音、無輻射，具有很強的生物親和性。 （3）驅(qū)動電壓：3V；續(xù)航性(自供電)：3 小時；最大下潛水深：20m。 （4）具有溫度感知，相對定位功能。
科學(xué)性、先進性
- 該多功能微型仿生機器魚采用“生物型”驅(qū)動材料，自帶電源，具有紅外線遙控，避障功能，實現(xiàn)了前進、轉(zhuǎn)彎等運動模式，通過胸鰭驅(qū)動，實現(xiàn)了上浮、下潛的功能。其體積小，最長不超過10cm，比其它絕大多數(shù)無纜自主巡游機器魚都要??；速度快，由于對尾鰭推進器的形狀和驅(qū)動方法進行了優(yōu)化，比采用同類材料驅(qū)動的仿生微型機器人相比速度更快；能耗低，巡游時間長。由于對尾鰭推進和驅(qū)動方法進行了優(yōu)化，提高了能量的轉(zhuǎn)化效率；能夠?qū)崿F(xiàn)魚類的前進、左右轉(zhuǎn)彎、上浮下潛等運動模式，具有自主導(dǎo)航和避障功能；水密封方式更加靈活，魚體都是采用關(guān)鍵模塊局部密封的方式，對電路板、電池等關(guān)鍵部件進行密封，這樣在外殼設(shè)計、浮力調(diào)整、電源更換、尾鰭驅(qū)動器優(yōu)化方面更加容易調(diào)整，提高效率。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2011年5月在某校第十七屆“五四杯”課外科技作品競賽中獲一等獎。
作品所處階段
- 技術(shù)成熟的實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 非專利形式轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 圖片、視頻、實物、現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 使用說明 3V低電壓驅(qū)動機器魚游動，可以單魚應(yīng)用，也可以構(gòu)成魚群應(yīng)用，對魚體周圍環(huán)境進行探測，并可以通過引導(dǎo)，使魚按一定方式、軌跡運動。 技術(shù)特點和優(yōu)勢 （1）3V低電壓驅(qū)動，可以續(xù)航3小時； （2）采用非馬達式驅(qū)動，無噪音，無輻射。 （3）體積極小，潛深大，實現(xiàn)水中三個自由度的游動。 （4）自主避障和運動導(dǎo)航，采用無線控制。 （5）具有智能、可攜帶微型傳感器。 應(yīng)用前景 可以用來研究水中生物的生活、繁殖習(xí)性等，還可以用于洋流研究，海洋環(huán)境探測；同時可以用于細(xì)小管道探測以及水下考古領(lǐng)域；其成本低，可以安裝各種傳感器，來探測水質(zhì)。而且，微型魚極具觀賞性，不需要供給氧氣以及頻繁換水。 經(jīng)濟效益預(yù)測 該微型仿生智能機器魚在民用領(lǐng)域和安全領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用前景，深入開展這一新興領(lǐng)域的研究極為必要。同時，由于其成本低，其一定會得到廣泛應(yīng)用，并且產(chǎn)生極大的經(jīng)濟效益和社會效益。
同類課題研究水平概述
- 日本香川大學(xué)Baofeng Gao，Shuxiang Guo研制的，基于ICPF的驅(qū)動的紅外線控制的魚形機器人，長15cm，采用整體密封防水，自帶電源、微控制器、紅外線遙控。 韓國科學(xué)技術(shù)學(xué)院的B. Kim, D.-H. Kim，2005年研制的基于ICPF驅(qū)動的仿蝌蚪微型機器人，長9.6cm，重16.2g。攜帶電源和微控制器，具有仿蝌蚪的柔性尾鰭，該機器人沒有遙控、沒有壁障功能，沒有導(dǎo)航和傳感以及上浮下潛功能。 美國密歇根州立大學(xué)，Xiaobo Tan，2006年研制出用于移動傳感和教學(xué)用的ICPF驅(qū)動的自主微型機器魚，自帶3.6V鋰電池、導(dǎo)航模塊、微控制器、ZigBee無線通信和溫度傳感器。尾鰭由一片ICPF構(gòu)成，沒有被動鰭。 2008年，Zhen Chen，Xiaobo Tan等在對基于ICPF尾鰭推進的機器魚進行建模，特別考慮了ICPF上附加被動鰭來提高推進效率，研制出了新的微型機器魚，依然采用整體密封防水。 2010年，Zheng Chen，Xiaobo Tan等對進一步對ICPF驅(qū)動的機器魚穩(wěn)定巡游狀態(tài)建模。結(jié)合了驅(qū)動動力學(xué)和水動力學(xué)，并進一步考慮了被動鰭的材質(zhì)，改用塑料薄片作為被動鰭。外殼也進行了重新設(shè)計，增加了維持平衡的平衡翼。 我們的多功能微型仿生機器魚仿生方式采用“生物型”，不需用馬達驅(qū)動，本體即為驅(qū)動器，低電壓驅(qū)動，且無水分解，自帶電源，具有紅外線遙控，避障功能，實現(xiàn)了前進、轉(zhuǎn)彎等運動模式，通過胸鰭驅(qū)動，實現(xiàn)了上浮、下潛的功能。其體積小，最長不超過10cm，比其它絕大多數(shù)無纜自主巡游機器魚都要?。凰俣瓤?，由于對尾鰭推進器的形狀和驅(qū)動方法進行了優(yōu)化，比采用同類材料驅(qū)動的仿生微型機器人相比速度更快，最高速度可以達到10mm/s；能耗低，巡游時間長。由于對尾鰭推進和驅(qū)動方法進行了優(yōu)化，提高了能量的轉(zhuǎn)化效率；能夠?qū)崿F(xiàn)魚類的前進、左右轉(zhuǎn)彎、上浮下潛等運動模式，具有自主導(dǎo)航和避障功能；水密封方式更加靈活，魚體都是采用關(guān)鍵模塊局部密封的方式，對電路板、電池等關(guān)鍵部件進行密封，這樣在外殼設(shè)計、浮力調(diào)整、電源更換、尾鰭驅(qū)動器優(yōu)化方面更加容易調(diào)整，提高效率。
