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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 低電壓非電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微型仿生機(jī)器魚(yú)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 項(xiàng)目是由ICPF材料驅(qū)動(dòng)的超微型仿生機(jī)器魚(yú),可由3V低電壓驅(qū)動(dòng)，具有體積小、無(wú)噪音、無(wú)水分解、成本低、生物親和力很強(qiáng)等特點(diǎn)。作品對(duì)毫、厘米級(jí)水下微型仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法和控制方式進(jìn)行研究，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)建模。使用ICPF低電壓“生物型”驅(qū)動(dòng)器作為仿生機(jī)器魚(yú)的動(dòng)力裝置，通過(guò)內(nèi)置控制電路和微傳感器實(shí)現(xiàn)了基于反饋控制的水下三自由度游動(dòng)、避障、主從通訊及魚(yú)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(jī)器人技術(shù)的研究是世界各國(guó)爭(zhēng)相投入的前沿課題，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。盡管目前國(guó)內(nèi)在水下仿生機(jī)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(jī)器人研究方面與國(guó)外尚有較大差距。 現(xiàn)有的水下仿生機(jī)器人系統(tǒng)大多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，具有噪音大、無(wú)法微型化等缺點(diǎn)。 在這種背景下，提出了“低電壓非電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微型仿生機(jī)器魚(yú)”項(xiàng)目。 首先，項(xiàng)目組成功研制出新型的生物型驅(qū)動(dòng)器。這種驅(qū)動(dòng)器可以低電壓柔性驅(qū)動(dòng)，被稱為人工肌肉，同時(shí)還具有傳感器功能。在性能評(píng)價(jià)和控制算法確立的基礎(chǔ)上，應(yīng)用該驅(qū)動(dòng)器研制無(wú)纜自主游動(dòng)機(jī)器魚(yú)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)彎、避障、上浮下潛、遠(yuǎn)程控制、自主巡游等功能。 其次，我們對(duì)多條機(jī)器魚(yú)的協(xié)調(diào)控制與目標(biāo)跟蹤進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)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(jī)的新概念，研制了可實(shí)現(xiàn)大范圍高速運(yùn)動(dòng)的螺旋槳驅(qū)動(dòng)的母機(jī)，并在母機(jī)上實(shí)現(xiàn)了子機(jī)（微型仿生機(jī)器人）裝載和彈射功能。 低電壓驅(qū)動(dòng)水中多功能微型仿生機(jī)器人系統(tǒng)可由3V低電壓驅(qū)動(dòng)，體積極小、成本低、無(wú)噪音、生物親和性極強(qiáng)等特點(diǎn)，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(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、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(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)的方法不適合大面積、組網(wǎng)監(jiān)測(cè)，并且會(huì)破壞魚(yú)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(huì)減緩科學(xué)研究的進(jìn)程。再結(jié)合水污染治理、水中生物多樣性保護(hù)等問(wèn)題，我們提出了“低電壓非馬達(dá)式超微型智能仿生機(jī)器魚(yú)”項(xiàng)目。 基本思路 建立了仿生機(jī)器魚(yú)動(dòng)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(dòng)方式，制作出“生物型”驅(qū)動(dòng)器作為動(dòng)力裝置，通過(guò)內(nèi)置控制電路，結(jié)合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了基于反饋控制的水下三自由度運(yùn)動(dòng)、主從通訊及魚(yú)群信息交互，能夠進(jìn)行水下生物的習(xí)性引導(dǎo)。子母機(jī)設(shè)計(jì)增強(qiáng)了子機(jī)的續(xù)航能力。 創(chuàng)新點(diǎn) （1）魚(yú)尾本身即是驅(qū)動(dòng)器，由微小電池供電，無(wú)噪音，無(wú)輻射，具有極強(qiáng)的生物親和性。 （2）研究了ICPF微驅(qū)動(dòng)器材料的制作工藝與制作過(guò)程。 （3）機(jī)器魚(yú)采用生物型尾驅(qū)動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)在水中三個(gè)自由度的游動(dòng)。 技術(shù)關(guān)鍵 （1）仿生微機(jī)器魚(yú)的尺度效應(yīng)分析。 （2）微型機(jī)器魚(yú)的推進(jìn)機(jī)理與控制方法。 （3）建立魚(yú)群控制模型，能夠?qū)︳~(yú)群進(jìn)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(dòng)器彎曲位移與驅(qū)動(dòng)電壓的傳遞函數(shù)。 （2）子機(jī)魚(yú)體尺寸為厘米級(jí)。無(wú)噪音、無(wú)輻射，具有很強(qiáng)的生物親和性。 （3）驅(qū)動(dòng)電壓：3V；續(xù)航性(自供電)：3 小時(shí)；最大下潛水深：20m。 （4）具有溫度感知，相對(duì)定位功能。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 該多功能微型仿生機(jī)器魚(yú)采用“生物型”驅(qū)動(dòng)材料，自帶電源，具有紅外線遙控，避障功能，實(shí)現(xiàn)了前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)模式，通過(guò)胸鰭驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了上浮、下潛的功能。其體積小，最長(zhǎng)不超過(guò)10cm，比其它絕大多數(shù)無(wú)纜自主巡游機(jī)器魚(yú)都要??；速度快，由于對(duì)尾鰭推進(jìn)器的形狀和驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行了優(yōu)化，比采用同類材料驅(qū)動(dòng)的仿生微型機(jī)器人相比速度更快；能耗低，巡游時(shí)間長(zhǎng)。由于對(duì)尾鰭推進(jìn)和驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行了優(yōu)化，提高了能量的轉(zhuǎn)化效率；能夠?qū)崿F(xiàn)魚(yú)類的前進(jìn)、左右轉(zhuǎn)彎、上浮下潛等運(yùn)動(dòng)模式，具有自主導(dǎo)航和避障功能；水密封方式更加靈活，魚(yú)體都是采用關(guān)鍵模塊局部密封的方式，對(duì)電路板、電池等關(guān)鍵部件進(jìn)行密封，這樣在外殼設(shè)計(jì)、浮力調(diào)整、電源更換、尾鰭驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化方面更加容易調(diào)整，提高效率。
獲獎(jiǎng)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(jìng)賽中獲一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 技術(shù)成熟的實(shí)驗(yàn)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(shí)物、現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明 3V低電壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚(yú)游動(dòng)，可以單魚(yú)應(yīng)用，也可以構(gòu)成魚(yú)群應(yīng)用，對(duì)魚(yú)體周圍環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，并可以通過(guò)引導(dǎo)，使魚(yú)按一定方式、軌跡運(yùn)動(dòng)。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) （1）3V低電壓驅(qū)動(dòng)，可以續(xù)航3小時(shí)； （2）采用非馬達(dá)式驅(qū)動(dòng)，無(wú)噪音，無(wú)輻射。 （3）體積極小，潛深大，實(shí)現(xiàn)水中三個(gè)自由度的游動(dòng)。 （4）自主避障和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航，采用無(wú)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(lái)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(cè)；同時(shí)可以用于細(xì)小管道探測(cè)以及水下考古領(lǐng)域；其成本低，可以安裝各種傳感器，來(lái)探測(cè)水質(zhì)。而且，微型魚(yú)極具觀賞性，不需要供給氧氣以及頻繁換水。 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè) 該微型仿生智能機(jī)器魚(yú)在民用領(lǐng)域和安全領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用前景，深入開(kāi)展這一新興領(lǐng)域的研究極為必要。同時(shí)，由于其成本低，其一定會(huì)得到廣泛應(yīng)用，并且產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(dòng)的紅外線控制的魚(yú)形機(jī)器人，長(zhǎng)15cm，采用整體密封防水，自帶電源、微控制器、紅外線遙控。 韓國(guó)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(dòng)的仿蝌蚪微型機(jī)器人，長(zhǎng)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(jī)器人沒(méi)有遙控、沒(méi)有壁障功能，沒(méi)有導(dǎo)航和傳感以及上浮下潛功能。 美國(guó)密歇根州立大學(xué)，Xiaobo Tan，2006年研制出用于移動(dòng)傳感和教學(xué)用的ICPF驅(qū)動(dòng)的自主微型機(jī)器魚(yú)，自帶3.6V鋰電池、導(dǎo)航模塊、微控制器、ZigBee無(wú)線通信和溫度傳感器。尾鰭由一片ICPF構(gòu)成，沒(méi)有被動(dòng)鰭。 2008年，Zhen Chen，Xiaobo Tan等在對(duì)基于ICPF尾鰭推進(jìn)的機(jī)器魚(yú)進(jìn)行建模，特別考慮了ICPF上附加被動(dòng)鰭來(lái)提高推進(jìn)效率，研制出了新的微型機(jī)器魚(yú)，依然采用整體密封防水。 2010年，Zheng Chen，Xiaobo Tan等對(duì)進(jìn)一步對(duì)ICPF驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚(yú)穩(wěn)定巡游狀態(tài)建模。結(jié)合了驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)，并進(jìn)一步考慮了被動(dòng)鰭的材質(zhì)，改用塑料薄片作為被動(dòng)鰭。外殼也進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，增加了維持平衡的平衡翼。 我們的多功能微型仿生機(jī)器魚(yú)仿生方式采用“生物型”，不需用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，本體即為驅(qū)動(dòng)器，低電壓驅(qū)動(dòng)，且無(wú)水分解，自帶電源，具有紅外線遙控，避障功能，實(shí)現(xiàn)了前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)模式，通過(guò)胸鰭驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了上浮、下潛的功能。其體積小，最長(zhǎng)不超過(guò)10cm，比其它絕大多數(shù)無(wú)纜自主巡游機(jī)器魚(yú)都要??；速度快，由于對(duì)尾鰭推進(jìn)器的形狀和驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行了優(yōu)化，比采用同類材料驅(qū)動(dòng)的仿生微型機(jī)器人相比速度更快，最高速度可以達(dá)到10mm/s；能耗低，巡游時(shí)間長(zhǎng)。由于對(duì)尾鰭推進(jìn)和驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行了優(yōu)化，提高了能量的轉(zhuǎn)化效率；能夠?qū)崿F(xiàn)魚(yú)類的前進(jìn)、左右轉(zhuǎn)彎、上浮下潛等運(yùn)動(dòng)模式，具有自主導(dǎo)航和避障功能；水密封方式更加靈活，魚(yú)體都是采用關(guān)鍵模塊局部密封的方式，對(duì)電路板、電池等關(guān)鍵部件進(jìn)行密封，這樣在外殼設(shè)計(jì)、浮力調(diào)整、電源更換、尾鰭驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化方面更加容易調(diào)整，提高效率。
