基本信息
- 项目名称：
- 低电压非电机驱动的微型仿生机器鱼
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 项目是由ICPF材料驱动的超微型仿生机器鱼,可由3V低电压驱动，具有体积小、无噪音、无水分解、成本低、生物亲和力很强等特点。作品对毫、厘米级水下微型仿生机器人的设计方法和控制方式进行研究，进行了运动和动力学建模。使用ICPF低电压“生物型”驱动器作为仿生机器鱼的动力装置，通过内置控制电路和微传感器实现了基于反馈控制的水下三自由度游动、避障、主从通讯及鱼群信息交互。在各领域具有广阔应用前景。
- 详细介绍：
- 目前，仿生水下微型机器人技术的研究是世界各国争相投入的前沿课题，在国民经济建设方面有重要的应用价值。尽管目前国内在水下仿生机器人的微型化、智能化和集成化等研究方面取得了可喜成果，但在水下微型仿生机器人研究方面与国外尚有较大差距。 现有的水下仿生机器人系统大多采用电机驱动的方式，具有噪音大、无法微型化等缺点。 在这种背景下，提出了“低电压非电机驱动的微型仿生机器鱼”项目。 首先，项目组成功研制出新型的生物型驱动器。这种驱动器可以低电压柔性驱动，被称为人工肌肉，同时还具有传感器功能。在性能评价和控制算法确立的基础上，应用该驱动器研制无缆自主游动机器鱼，实现了转弯、避障、上浮下潜、远程控制、自主巡游等功能。 其次，我们对多条机器鱼的协调控制与目标跟踪进行了仿真和实验测试，验证了其结构、性能和控制的有效性。 最后，我们提出了子母机的新概念，研制了可实现大范围高速运动的螺旋桨驱动的母机，并在母机上实现了子机（微型仿生机器人）装载和弹射功能。 低电压驱动水中多功能微型仿生机器人系统可由3V低电压驱动，体积极小、成本低、无噪音、生物亲和性极强等特点，在医疗、民用领域具有广阔的应用前景。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 研究目的 由于渔业及水产养殖行业进行水质监测的方法不适合大面积、组网监测，并且会破坏鱼群的生活规律，不利于养殖和习性的探究。科研人员在研究水中生物习性主要依靠外部设备，这样会减缓科学研究的进程。再结合水污染治理、水中生物多样性保护等问题，我们提出了“低电压非马达式超微型智能仿生机器鱼”项目。 基本思路 建立了仿生机器鱼动力学模型。研究了离子聚合物ICPF材料的生物特性和驱动方式，制作出“生物型”驱动器作为动力装置，通过内置控制电路，结合计算机实现了基于反馈控制的水下三自由度运动、主从通讯及鱼群信息交互，能够进行水下生物的习性引导。子母机设计增强了子机的续航能力。 创新点 （1）鱼尾本身即是驱动器，由微小电池供电，无噪音，无辐射，具有极强的生物亲和性。 （2）研究了ICPF微驱动器材料的制作工艺与制作过程。 （3）机器鱼采用生物型尾驱动方式，可实现在水中三个自由度的游动。 技术关键 （1）仿生微机器鱼的尺度效应分析。 （2）微型机器鱼的推进机理与控制方法。 （3）建立鱼群控制模型，能够对鱼群进行组网式控制。 （4）ICPF材料的处理。 主要技术指标 （1）ICPF 微驱动器弯曲位移与驱动电压的传递函数。 （2）子机鱼体尺寸为厘米级。无噪音、无辐射，具有很强的生物亲和性。 （3）驱动电压：3V；续航性(自供电)：3 小时；最大下潜水深：20m。 （4）具有温度感知，相对定位功能。
科学性、先进性
- 该多功能微型仿生机器鱼采用“生物型”驱动材料，自带电源，具有红外线遥控，避障功能，实现了前进、转弯等运动模式，通过胸鳍驱动，实现了上浮、下潜的功能。其体积小，最长不超过10cm，比其它绝大多数无缆自主巡游机器鱼都要小；速度快，由于对尾鳍推进器的形状和驱动方法进行了优化，比采用同类材料驱动的仿生微型机器人相比速度更快；能耗低，巡游时间长。由于对尾鳍推进和驱动方法进行了优化，提高了能量的转化效率；能够实现鱼类的前进、左右转弯、上浮下潜等运动模式，具有自主导航和避障功能；水密封方式更加灵活，鱼体都是采用关键模块局部密封的方式，对电路板、电池等关键部件进行密封，这样在外壳设计、浮力调整、电源更换、尾鳍驱动器优化方面更加容易调整，提高效率。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年5月在某校第十七届“五四杯”课外科技作品竞赛中获一等奖。
作品所处阶段
- 技术成熟的实验室阶段
技术转让方式
- 非专利形式转让
作品可展示的形式
- 图片、视频、实物、现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明 3V低电压驱动机器鱼游动，可以单鱼应用，也可以构成鱼群应用，对鱼体周围环境进行探测，并可以通过引导，使鱼按一定方式、轨迹运动。 技术特点和优势 （1）3V低电压驱动，可以续航3小时； （2）采用非马达式驱动，无噪音，无辐射。 （3）体积极小，潜深大，实现水中三个自由度的游动。 （4）自主避障和运动导航，采用无线控制。 （5）具有智能、可携带微型传感器。 应用前景 可以用来研究水中生物的生活、繁殖习性等，还可以用于洋流研究，海洋环境探测；同时可以用于细小管道探测以及水下考古领域；其成本低，可以安装各种传感器，来探测水质。而且，微型鱼极具观赏性，不需要供给氧气以及频繁换水。 经济效益预测 该微型仿生智能机器鱼在民用领域和安全领域都有广泛应用前景，深入开展这一新兴领域的研究极为必要。同时，由于其成本低，其一定会得到广泛应用，并且产生极大的经济效益和社会效益。
同类课题研究水平概述
- 日本香川大学Baofeng Gao，Shuxiang Guo研制的，基于ICPF的驱动的红外线控制的鱼形机器人，长15cm，采用整体密封防水，自带电源、微控制器、红外线遥控。 韩国科学技术学院的B. Kim, D.-H. Kim，2005年研制的基于ICPF驱动的仿蝌蚪微型机器人，长9.6cm，重16.2g。携带电源和微控制器，具有仿蝌蚪的柔性尾鳍，该机器人没有遥控、没有壁障功能，没有导航和传感以及上浮下潜功能。 美国密歇根州立大学，Xiaobo Tan，2006年研制出用于移动传感和教学用的ICPF驱动的自主微型机器鱼，自带3.6V锂电池、导航模块、微控制器、ZigBee无线通信和温度传感器。尾鳍由一片ICPF构成，没有被动鳍。 2008年，Zhen Chen，Xiaobo Tan等在对基于ICPF尾鳍推进的机器鱼进行建模，特别考虑了ICPF上附加被动鳍来提高推进效率，研制出了新的微型机器鱼，依然采用整体密封防水。 2010年，Zheng Chen，Xiaobo Tan等对进一步对ICPF驱动的机器鱼稳定巡游状态建模。结合了驱动动力学和水动力学，并进一步考虑了被动鳍的材质，改用塑料薄片作为被动鳍。外壳也进行了重新设计，增加了维持平衡的平衡翼。 我们的多功能微型仿生机器鱼仿生方式采用“生物型”，不需用马达驱动，本体即为驱动器，低电压驱动，且无水分解，自带电源，具有红外线遥控，避障功能，实现了前进、转弯等运动模式，通过胸鳍驱动，实现了上浮、下潜的功能。其体积小，最长不超过10cm，比其它绝大多数无缆自主巡游机器鱼都要小；速度快，由于对尾鳍推进器的形状和驱动方法进行了优化，比采用同类材料驱动的仿生微型机器人相比速度更快，最高速度可以达到10mm/s；能耗低，巡游时间长。由于对尾鳍推进和驱动方法进行了优化，提高了能量的转化效率；能够实现鱼类的前进、左右转弯、上浮下潜等运动模式，具有自主导航和避障功能；水密封方式更加灵活，鱼体都是采用关键模块局部密封的方式，对电路板、电池等关键部件进行密封，这样在外壳设计、浮力调整、电源更换、尾鳍驱动器优化方面更加容易调整，提高效率。
