仿生机器鱼国内外研究现状

2020-12-16 15:34:31 241

近年来仿生学、机器人学、流体力学、新型材料和驱动装置的发展促进了仿生机器鱼技术研发,尤其近几年国内外仿生机器鱼研究异军突起,如火如荼,掀起了仿生机器鱼研究的热潮。

国外研究现状

(1)日本

20世纪90年代初,名古屋大学Toshil Fukuda(福田敏男)教授开始了微型仿生鱼水下推进器的研究,他先后研制出采用形状记忆合金驱动的微型身体波动式水下推进器和压电陶瓷驱动的双鳍微型机器鱼。1999年,日本东京工业大学研制了一条自主驱动具有两个关节自推进的机器海豚。长1.75m,游速为1.15m/s,与实际海豚的尺寸非常接近。1999年日本三菱功能公司研制出新型机器鱼,长60cm,中2.6kg,游速0.25m/s。

从1999年开始,运输省船舶技术研究所开始了一系列的实验机器鱼项目研究,用于研究鱼类游动的不同,下面就其几种比较有代表性的机器鱼进行介绍:

PF-300

PF-300体长约340mm,其是为了研究鱼的转弯性能而设计的,通过无线遥控,有两个伺服电机用于驱动尾柄和尾鳍来产生转弯运动,速度大约为0.2m/s。

仿生机器鱼国内外研究现状

PF-600

PF-600体长600mm,是用来研究推进效率的,该样机模仿具有高速度和高加速度的鱼类运动,其控制采用遥控方式,以两个R/C伺服电机作为动力源,其实验频率为3HZ,速度为0.4m/s左右。

仿生机器鱼国内外研究现状

PF-700

PF-700主要用于研究高速游泳的,为了获得更高的推进速度。其模仿秋刀鱼外形,体长700mm,直径80mm,由头部、身体、驱动装纸箱、尾柄和尾鳍组成,采用直流电机带动曲柄机构摆动,可以产生12HZ的频率,速度达0.7m/s。

仿生机器鱼国内外研究现状

UPF-200

UPF-200旨在研究机器鱼的高性能和多用途,长约0.97m,速度为0.97m/s(9.5HZ),模仿金枪鱼外形,有两个关节,使用升降舵实现上浮和下潜运动。

仿生机器鱼国内外研究现状

(2)美国

1994年美国麻省理工学院(MIT)成功研制了世界上条真正意义上的仿生机器鱼“RootTuna”,该机器是一条长约1.25m,宽约0.21m,高0.3m,速度可达2m/s,由2843个零件组成的机器金枪鱼,能够像真鱼一样游动。

1995年,MIT又推出了Robotuna改进版机器鱼“RoboPike”,旨在研究鱼的机动性和静止状态下的加速性,体长32英寸,排水量8磅,它的骨架是一螺旋形玻璃纤维弹簧,这种结构使得其既能抗击游动时巨大的冲击,而其强度又足以能承受水压。

1998年,MIT推出的Robotuna版本VCUUV是仿黄鳍金枪鱼研制的,长8英寸(约2.44米),中300磅,在1赫兹时达到了0.5倍体长速度(速度/体长),实际速度1.2米/秒(2.4节),转弯速度75度/秒,是个自主的仿生机器鱼。其目的在于开发一种利用涡流控制推进的自主水下机器人。

美国东北大学海洋科学中心用形状记忆合金和链杆结构开发了波动推进的机器鳗鱼,通过身体侧向的波动,机器鳗鱼不仅驱动自身穿越水柱,而且能控制其浮游深度。

目前,美国佛罗里达中心大学正在研制一种微电子机器鱼“MERIF”,驱动系统完全由形状记忆合金构成,能真正实现无噪声驱动。

(3)英国

仿生机器鱼国内外研究现状

Essex大学机器鱼课题组于2005年5月开始研制一系列的机器鱼,主要工作集中在实现仿鱼游动,特别是非稳定游动方面。该课题组的机器鱼主要集中在两个系列目:G系列和MT系列。其中G系列均是采用多电机—多关节的尾部结构。而MT系列机器鱼则是采用单电机——多关节的尾部结构。

国内仿生机器鱼本体研究现状

(1)北京航空航天大学

北航机器人所和中科院自动化所合作深入开展了仿生机器人(潜水器)技术的研究,提出了“波动推进理论”及其分析方法,设计研制了游动速度为0.6m/s的仿生“机器鳗鱼”实验模型。2004年8月,研制出一条实用的仿生机器鱼,参加了对郑成功古战船遗址的水下考古探测。这次下水活动,被有关专家认定为是“国际上首例水下仿生航行体的试验研究”。

(2)哈尔滨工业大学

哈尔滨工业大学在自然科学基金支持下研制出了仿生机器鱼样机,该样机长0.95m,重约13kg,航速可达0.3m/s。2006年他们又研制了一条仿生机器鱼样机“HRF-I”,游动速度可达0.5m/s,并进行了升潜和转向实验。

(3)哈尔滨工程大学

哈尔滨工程大学研制了一条仿生机器鱼原理样机“仿生-I”,其主要目的是用于辅助打捞沉船。该机器鱼长2.4m,直径0.62m,排水量320kg,潜水深度10m,航速1.3m/s。体内安装两台伺服电机,分别驱动尾鳍和胸鳍,可完成直航、回转和改变下潜深度等动作。

(4)北京大学

水下大疆—BIKI仿生机器鱼由北大博雅工道研发而成,BIKI有着小巧的机身,仅800克,加上可拆卸的鱼尾,大大减小了机器鱼的体积。材质不仅耐热,还有防晒和抗腐蚀性,足以适应严苛的水域环境。其驱动力靠独特的仿生鱼鳍,游速为1.12mph(1.8千米/小时),下潜深度可达60米。并携带超广角高清运动摄影镜头,应用强力防抖技术,能够拍摄800万像素的照片和1440p的高清视频。内置IMU(惯性测量单元)配合独有的自动控制算法使其拥有自动平衡能力。利用LED灯+红外定外传感器可以避障。内置的GPS不仅能实时传达定位信息,还能保存起始位置,在电量低或者失去信号的情况下自动返航,浮出水面。BIKI也可采用无线遥控(手机APP和水声遥控)的方式控制。

其次,仿生机器鱼的研究现状还可从所采用的推进方式进行说明。

目前,国内外研究比较广泛的是采用BCF模式推进的仿生机器鱼。但近年来,由于机动性好、稳定性高等优点,使得MPF模式的机器鱼受到越来越多研究人员的关注。

综上所述,仿生机器鱼是一种利用鱼类的游动机理实现推进运动的新型水下推进器,是一门多学科交叉的研究领域。