基本信息
- 項目名稱：
- 機械仿生魚
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品依據機械設計、流體力學等知識，綜合仿生學，設計制造一種仿魚機器人，模仿鯉魚的游動；在游動成功的基礎上，給機器魚加裝攝像頭和復雜控制系統(tǒng)以及無線傳輸模塊等，實現(xiàn)機械魚的自主游動、遙控游動和水下監(jiān)測等功能。后期還可根據不同任務的需要更換或繼續(xù)加裝其他設備。
- 詳細介紹：
- 背景：隨著仿生學、機器人學、流體力學、電磁學、新型材料科學、自動控制理論等學科的不斷進步，以及海洋經濟的發(fā)展和軍事需求的增加，科研工作者把目光投向了長期生活在水下的各種生物運動機理的研究上。水下生物的高效率、低噪聲、高速度、高機動性等優(yōu)點，使其成為科學家們研制新型高速、低噪音、機動靈活的仿生水下機器人模仿的對象。 仿生外形：根據其所模仿水下生物的運動方式，可分為仿魚水下機器人、仿多足爬行動物水下機器人和仿蠕蟲水下機器人，本項目為仿生魚水下機器人。仿生外形有多點優(yōu)勢，民用方面，作為水質檢測機器人可減小對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慣；軍用方面，可大幅度降低被敵方探測到的機會，作為搜集敵方情報之用時，可提高生還幾率。 動力及運動機構：動力和運動機構方面，本機械仿生魚為電力驅動，安裝鋰動力電池，噪聲小，可在水下持續(xù)游動約1小時；采用四連桿機構，實現(xiàn)仿生搖尾推進，另還可擺頭實現(xiàn)回轉，胸鰭搖動實現(xiàn)上浮和下潛。 控制方式：控制方式上，仿生魚上安裝有液位變送計、紅外光電開關等傳感器，配合stc12c5a60s2單片機和上述機構，可實現(xiàn)仿生魚在水中的自主游動。另除了程控外，本仿生魚還可切換為遙控，以適應復雜的使用環(huán)境，加強其可靠性程度。 功能：從可實現(xiàn)功能上講，本仿生魚上已加裝有攝像頭、無線數據傳輸裝置等，可實現(xiàn)采集圖像、拍攝錄像，并將收集到的數據傳輸到陸地處理設備等功能。另外還預留有安裝其他監(jiān)測儀器的位置，例如多參數水質檢測儀（多參數水質分析儀CN60M/CJ3GDYS201S），根據監(jiān)測任務的不同可對檢測儀進行更換，實現(xiàn)對水體的BOD、COD、氨氮、總磷、總氮、濁度、PH、溶解氧等參數的監(jiān)測，使其在環(huán)境保護、水質的檢測和水資源保護中起到重要的作用。 本仿生魚各技術參數： 體長 500mm 設計最大下潛深度 4000mm 型高 180mm 續(xù)航力 1.5kn/h 型寬 120mm 無線數據傳輸距離 1200m 航速 1.5節(jié)
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的及基本思路：本項目擬依據流體力學基本原理，綜合仿生學，設計一種合理的尾鰭機械傳動裝置，模仿鯉魚的游動；在模擬高速游動成功的基礎上，給機器魚加裝防水攝像頭和復雜控制系統(tǒng)以及無線傳輸模塊等。實現(xiàn)機械魚的自主游動、遙控游動和水下監(jiān)測等功能。 創(chuàng)新點：本機器魚集成多種傳感器，可以采集水下圖像，自主避障，在不同水層游弋，各分系統(tǒng)獨立水密，安全性高。且本機械魚可在自主式程控和遠程遙控兩種控制方式之間切換，以適應復雜的使用環(huán)境，加強其可靠性程度。后期可以繼續(xù)加裝傳感器完成任務如海水質量檢測等。 技術關鍵：仿生推進器設計，各部件防水。 主要技術指標：體長：500mm 型高：180mm 型寬：120mm ； 航速： 1.5節(jié)； 設計最大下潛深度： 4000mm ； 續(xù)航力： 1.5kn/h ； 數據傳輸距離1200m 。
科學性、先進性
- 目前研究的仿生魚主要停留在對劃水姿態(tài)以及水動力的研究，很少涉及實用性應用，本仿生魚具備水下圖像采集，自主避障等功能，具有一定實用價值，如海洋科考；當油船等發(fā)生原油泄露時，由于船是不斷移動的，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，跟隨油船活動，就有可能在第一時間發(fā)現(xiàn)并通報漏油情況，以便盡早采取應對措施。與以往的水下監(jiān)測機器人相比，仿生魚外形獨特，推進噪音小，對周圍水生物影響較小，最大還原水體本來環(huán)境。 《仿生水下機器人研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢》 曾妮 哈爾濱工業(yè)大學 《仿生魚型微機器人推進機理的研究》 劉佳宇 長沙理工大學 《基于紅外傳感器的仿生機器魚自主避障控制》 桑海泉 中國科學院自動化研究所
獲獎情況及鑒定結果
- 2010第二批科研立項（重大型） 第十七屆校五四杯大賽一等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 協(xié)商轉讓
作品可展示的形式
- 實物、產品；現(xiàn)場演示；圖片；錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 本仿生魚可在自動控制和遙控之間切換，將仿生魚電源打開，即可運行。本機器魚集成多種傳感器，可以采集水下圖像，自主避障，在不同水層游弋，各分系統(tǒng)獨立水密，安全性高。且本機械魚可在自主式程控和遠程遙控兩種控制方式之間切換，以適應復雜的使用環(huán)境，加強其可靠性程度。后期可以繼續(xù)加裝傳感器完成任務如海水質量檢測等。 仿生機器魚有廣泛的應用空間，民用和軍用均可，不僅可以代替潛水員在深水中長時間工作，提高其工作效率，降低風險，而且可以監(jiān)測水污染，探測海底火山活動；在軍事方面，可以用于跟蹤敵人的艦船和潛艇，降低被探測幾率，捕獲敵方信息，甚至在必要時可以攜帶炸藥潛行至敵艦尾部，炸毀敵艦的動力系統(tǒng)，使其喪失主戰(zhàn)能力；監(jiān)測水體質量，由于仿生魚推進方式獨特，且外形不易對周圍生物造成過大影響，最大還原了水體本來環(huán)境；此外，仿生機器械魚還可以應用于海洋動物園供游客觀賞用等。 仿生魚作為水下機器人是一個水下高技術儀器設備的集成體, 在軍事、民用、科研等領域體現(xiàn)出廣闊的應用前景和巨大的潛在價值。
同類課題研究水平概述
- 隨著仿生學、機器人學、流體力學、電磁學、新型材料科學、自動控制理論等學科的不斷進步，以及海洋經濟的發(fā)展和軍事需求的增加，科研工作者把目光投向了長期生活在水下的各種生物運動機理的研究上。水下生物的高效率、低噪聲、高速度、高機動性等優(yōu)點，使其成為科學家們研制新型高速、低噪音、機動靈活的仿生水下機器人模仿的對象。目前已研制出的仿生水下機器人中，根據其所模仿水下生物的運動方式，可分為仿魚水下機器人、仿多足爬行動物水下機器人和仿蠕蟲水下機器人。 魚類作為自然界最早的真骨脊椎動物，經過億萬年的自然選擇，進化出了非凡的水中運動能力，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)游速下實現(xiàn)高機動性。正是這種在水中運動的完美性,吸引了世界各國科研工作者對模仿魚類游動方式的水下機器人技術進行研究與開發(fā)。 1.北京航空航天大學機器人研究中心研制開發(fā)的仿生機器人，外表似魚，長1.21米，由動力推進系統(tǒng)、圖像采集和圖像信號無線傳輸系統(tǒng)、計算機指揮控制平臺3部分組成。它原地回轉靈活，可以每小時4公里的速度前進，并能連續(xù)在水下工作2至3小時。 2.英研制水污染監(jiān)測仿生魚，魚長約50厘米，由于外形酷似鯉魚，比起其他魚雷型的探測裝置，這種仿生魚轉彎半徑更小，也更靈活。 3.1994 年麻省理工學院模仿藍鰭金槍魚制造的RoboTuna，其長約1.2 m，由2843 個零件組成，能像真魚一樣游動，速度可達7.2km/h。 仿生魚仿生推進器結構有多種方式，但以上和本項目均為電動驅動，另外，除了電動驅動外，還有多種驅動方式，如壓電陶瓷驅動、人工肌肉驅動和記憶合金驅動等。
