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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 機(jī)械仿生魚(yú)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)、流體力學(xué)等知識(shí)，綜合仿生學(xué)，設(shè)計(jì)制造一種仿魚(yú)機(jī)器人，模仿鯉魚(yú)的游動(dòng)；在游動(dòng)成功的基礎(chǔ)上，給機(jī)器魚(yú)加裝攝像頭和復(fù)雜控制系統(tǒng)以及無(wú)線傳輸模塊等，實(shí)現(xiàn)機(jī)械魚(yú)的自主游動(dòng)、遙控游動(dòng)和水下監(jiān)測(cè)等功能。后期還可根據(jù)不同任務(wù)的需要更換或繼續(xù)加裝其他設(shè)備。
- 詳細(xì)介紹：
- 背景：隨著仿生學(xué)、機(jī)器人學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)、新型材料科學(xué)、自動(dòng)控制理論等學(xué)科的不斷進(jìn)步，以及海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和軍事需求的增加，科研工作者把目光投向了長(zhǎng)期生活在水下的各種生物運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究上。水下生物的高效率、低噪聲、高速度、高機(jī)動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)，使其成為科學(xué)家們研制新型高速、低噪音、機(jī)動(dòng)靈活的仿生水下機(jī)器人模仿的對(duì)象。 仿生外形：根據(jù)其所模仿水下生物的運(yùn)動(dòng)方式，可分為仿魚(yú)水下機(jī)器人、仿多足爬行動(dòng)物水下機(jī)器人和仿蠕蟲(chóng)水下機(jī)器人，本項(xiàng)目為仿生魚(yú)水下機(jī)器人。仿生外形有多點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，民用方面，作為水質(zhì)檢測(cè)機(jī)器人可減小對(duì)周圍水生生物的影響，最大化還原水體環(huán)境，更有利于研究水生生物生活習(xí)慣；軍用方面，可大幅度降低被敵方探測(cè)到的機(jī)會(huì)，作為搜集敵方情報(bào)之用時(shí)，可提高生還幾率。 動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)：動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)方面，本機(jī)械仿生魚(yú)為電力驅(qū)動(dòng)，安裝鋰動(dòng)力電池，噪聲小，可在水下持續(xù)游動(dòng)約1小時(shí)；采用四連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)仿生搖尾推進(jìn)，另還可擺頭實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)，胸鰭搖動(dòng)實(shí)現(xiàn)上浮和下潛。 控制方式：控制方式上，仿生魚(yú)上安裝有液位變送計(jì)、紅外光電開(kāi)關(guān)等傳感器，配合stc12c5a60s2單片機(jī)和上述機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)仿生魚(yú)在水中的自主游動(dòng)。另除了程控外，本仿生魚(yú)還可切換為遙控，以適應(yīng)復(fù)雜的使用環(huán)境，加強(qiáng)其可靠性程度。 功能：從可實(shí)現(xiàn)功能上講，本仿生魚(yú)上已加裝有攝像頭、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸裝置等，可實(shí)現(xiàn)采集圖像、拍攝錄像，并將收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)疥懙靥幚碓O(shè)備等功能。另外還預(yù)留有安裝其他監(jiān)測(cè)儀器的位置，例如多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀（多參數(shù)水質(zhì)分析儀CN60M/CJ3GDYS201S），根據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù)的不同可對(duì)檢測(cè)儀進(jìn)行更換，實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的BOD、COD、氨氮、總磷、總氮、濁度、PH、溶解氧等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，使其在環(huán)境保護(hù)、水質(zhì)的檢測(cè)和水資源保護(hù)中起到重要的作用。 本仿生魚(yú)各技術(shù)參數(shù)： 體長(zhǎng) 500mm 設(shè)計(jì)最大下潛深度 4000mm 型高 180mm 續(xù)航力 1.5kn/h 型寬 120mm 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸距離 1200m 航速 1.5節(jié)
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)
- 目的及基本思路：本項(xiàng)目擬依據(jù)流體力學(xué)基本原理，綜合仿生學(xué)，設(shè)計(jì)一種合理的尾鰭機(jī)械傳動(dòng)裝置，模仿鯉魚(yú)的游動(dòng)；在模擬高速游動(dòng)成功的基礎(chǔ)上，給機(jī)器魚(yú)加裝防水?dāng)z像頭和復(fù)雜控制系統(tǒng)以及無(wú)線傳輸模塊等。實(shí)現(xiàn)機(jī)械魚(yú)的自主游動(dòng)、遙控游動(dòng)和水下監(jiān)測(cè)等功能。 創(chuàng)新點(diǎn)：本機(jī)器魚(yú)集成多種傳感器，可以采集水下圖像，自主避障，在不同水層游弋，各分系統(tǒng)獨(dú)立水密，安全性高。且本機(jī)械魚(yú)可在自主式程控和遠(yuǎn)程遙控兩種控制方式之間切換，以適應(yīng)復(fù)雜的使用環(huán)境，加強(qiáng)其可靠性程度。后期可以繼續(xù)加裝傳感器完成任務(wù)如海水質(zhì)量檢測(cè)等。 技術(shù)關(guān)鍵：仿生推進(jìn)器設(shè)計(jì)，各部件防水。 主要技術(shù)指標(biāo)：體長(zhǎng)：500mm 型高：180mm 型寬：120mm ； 航速： 1.5節(jié)； 設(shè)計(jì)最大下潛深度： 4000mm ； 續(xù)航力： 1.5kn/h ； 數(shù)據(jù)傳輸距離1200m 。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 目前研究的仿生魚(yú)主要停留在對(duì)劃水姿態(tài)以及水動(dòng)力的研究，很少涉及實(shí)用性應(yīng)用，本仿生魚(yú)具備水下圖像采集，自主避障等功能，具有一定實(shí)用價(jià)值，如海洋科考；當(dāng)油船等發(fā)生原油泄露時(shí)，由于船是不斷移動(dòng)的，所以早期發(fā)現(xiàn)很難，以至于很容易造成大范圍的污染，而有了這種仿生魚(yú)，跟隨油船活動(dòng)，就有可能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并通報(bào)漏油情況，以便盡早采取應(yīng)對(duì)措施。與以往的水下監(jiān)測(cè)機(jī)器人相比，仿生魚(yú)外形獨(dú)特，推進(jìn)噪音小，對(duì)周圍水生物影響較小，最大還原水體本來(lái)環(huán)境。 《仿生水下機(jī)器人研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)》 曾妮 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 《仿生魚(yú)型微機(jī)器人推進(jìn)機(jī)理的研究》 劉佳宇 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 《基于紅外傳感器的仿生機(jī)器魚(yú)自主避障控制》 桑海泉 中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2010第二批科研立項(xiàng)（重大型） 第十七屆校五四杯大賽一等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 協(xié)商轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品；現(xiàn)場(chǎng)演示；圖片；錄像
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)
- 本仿生魚(yú)可在自動(dòng)控制和遙控之間切換，將仿生魚(yú)電源打開(kāi)，即可運(yùn)行。本機(jī)器魚(yú)集成多種傳感器，可以采集水下圖像，自主避障，在不同水層游弋，各分系統(tǒng)獨(dú)立水密，安全性高。且本機(jī)械魚(yú)可在自主式程控和遠(yuǎn)程遙控兩種控制方式之間切換，以適應(yīng)復(fù)雜的使用環(huán)境，加強(qiáng)其可靠性程度。后期可以繼續(xù)加裝傳感器完成任務(wù)如海水質(zhì)量檢測(cè)等。 仿生機(jī)器魚(yú)有廣泛的應(yīng)用空間，民用和軍用均可，不僅可以代替潛水員在深水中長(zhǎng)時(shí)間工作，提高其工作效率，降低風(fēng)險(xiǎn)，而且可以監(jiān)測(cè)水污染，探測(cè)海底火山活動(dòng)；在軍事方面，可以用于跟蹤敵人的艦船和潛艇，降低被探測(cè)幾率，捕獲敵方信息，甚至在必要時(shí)可以攜帶炸藥潛行至敵艦尾部，炸毀敵艦的動(dòng)力系統(tǒng)，使其喪失主戰(zhàn)能力；監(jiān)測(cè)水體質(zhì)量，由于仿生魚(yú)推進(jìn)方式獨(dú)特，且外形不易對(duì)周圍生物造成過(guò)大影響，最大還原了水體本來(lái)環(huán)境；此外，仿生機(jī)器械魚(yú)還可以應(yīng)用于海洋動(dòng)物園供游客觀賞用等。 仿生魚(yú)作為水下機(jī)器人是一個(gè)水下高技術(shù)儀器設(shè)備的集成體, 在軍事、民用、科研等領(lǐng)域體現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在價(jià)值。
同類課題研究水平概述
- 隨著仿生學(xué)、機(jī)器人學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)、新型材料科學(xué)、自動(dòng)控制理論等學(xué)科的不斷進(jìn)步，以及海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和軍事需求的增加，科研工作者把目光投向了長(zhǎng)期生活在水下的各種生物運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究上。水下生物的高效率、低噪聲、高速度、高機(jī)動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)，使其成為科學(xué)家們研制新型高速、低噪音、機(jī)動(dòng)靈活的仿生水下機(jī)器人模仿的對(duì)象。目前已研制出的仿生水下機(jī)器人中，根據(jù)其所模仿水下生物的運(yùn)動(dòng)方式，可分為仿魚(yú)水下機(jī)器人、仿多足爬行動(dòng)物水下機(jī)器人和仿蠕蟲(chóng)水下機(jī)器人。 魚(yú)類作為自然界最早的真骨脊椎動(dòng)物，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的自然選擇，進(jìn)化出了非凡的水中運(yùn)動(dòng)能力，既可以在持久游速下保持低能耗、高效率，也可以在拉力游速或爆發(fā)游速下實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)性。正是這種在水中運(yùn)動(dòng)的完美性,吸引了世界各國(guó)科研工作者對(duì)模仿魚(yú)類游動(dòng)方式的水下機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)。 1.北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究中心研制開(kāi)發(fā)的仿生機(jī)器人，外表似魚(yú)，長(zhǎng)1.21米，由動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、圖像采集和圖像信號(hào)無(wú)線傳輸系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)指揮控制平臺(tái)3部分組成。它原地回轉(zhuǎn)靈活，可以每小時(shí)4公里的速度前進(jìn)，并能連續(xù)在水下工作2至3小時(shí)。 2.英研制水污染監(jiān)測(cè)仿生魚(yú)，魚(yú)長(zhǎng)約50厘米，由于外形酷似鯉魚(yú)，比起其他魚(yú)雷型的探測(cè)裝置，這種仿生魚(yú)轉(zhuǎn)彎半徑更小，也更靈活。 3.1994 年麻省理工學(xué)院模仿藍(lán)鰭金槍魚(yú)制造的RoboTuna，其長(zhǎng)約1.2 m，由2843 個(gè)零件組成，能像真魚(yú)一樣游動(dòng)，速度可達(dá)7.2km/h。 仿生魚(yú)仿生推進(jìn)器結(jié)構(gòu)有多種方式，但以上和本項(xiàng)目均為電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，另外，除了電動(dòng)驅(qū)動(dòng)外，還有多種驅(qū)動(dòng)方式，如壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)、人工肌肉驅(qū)動(dòng)和記憶合金驅(qū)動(dòng)等。
