仿生鱼设计简介

简介：

本作品依据机械设计、流体力学等知识，综合仿生学，设计制造一种仿鱼机器人，模仿鲤鱼的游动；在游动成功的基础上，给机器鱼加装摄像头和复杂控制系统以及无线传输模块等，实现机械鱼的自主游动、遥控游动和水下监测等功能。后期还可根据不同任务的需要更换或继续加装其他设备。 详细介绍：

背景：随着仿生学、机器人学、流体力学、电磁学、新型材料科学、自动控制理论等学科的不断进步，以及海洋经济的发展和军事需求的增加，科研工作者把目光投向了长期生活在水下的各种生物运动机理的研究上。水下生物的高效率、低噪声、高速度、高机动性等优点，使其成为科学家们研制新型高速、低噪音、机动灵活的仿生水下机器人模仿的对象。仿生外形：根据其所模仿水下生物的运动方式，可分为仿鱼水下机器人、仿多足爬行动物水下机器人和仿蠕虫水下机器人，本项目为仿生鱼水下机器人。仿生外形有多点优势，民用方面，作为水质检测机器人可减小对周围水生生物的影响，最大化还原水体环境，更有利于研究水生生物生活习惯；军用方面，可大幅度降低被敌方探测到的机会，作为搜集敌方情报之用时，可提高生还几率。动力及运动机构：动力和运动机构方面，本机械仿生鱼为电力驱动，安装锂动力电池，噪声小，可在水下持续游动约1小时；采用四连杆机构，实现仿生摇尾推进，另还可摆头实现回转，胸鳍摇动实现上浮和下潜。控制方式：控制方式上，仿生鱼上安装有液位变送计、红外光电开关等传感器，配合stc12c5a60s2单片机和上述机构，可实现仿生鱼在水中的自主游动。另除了程控外，本仿生鱼还可切换为遥控，以适应复杂的使用环境，加强其可靠性程度。功能：从可实现功能上讲，本仿生鱼上已加装有摄像头、无线数据传输装置等，可实现采集图像、拍摄录像，并将收集到的数据传输到陆地处理设备等功能。另外还预留有安装其他监测仪器的位置，例如多参数水质检测仪（多参数水质分析仪CN60M/CJ3GDYS201S），根据监测任务的不同可对检测仪进行更换，实现对水体的BOD、COD、氨氮、总磷、总氮、浊度、PH、溶解氧等参数的监测，使其在环境保护、水质的检测和水资源保护中起到重要的作用。本仿生鱼各技术参数：体长 500mm 设计最大下潜深度 4000mm 型高 180mm 续航力 1.5kn/h 型宽 120mm 无线数据传输距离 1200m 航速 1

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

目的及基本思路：本项目拟依据流体力学基本原理，综合仿生学，设计一种合理的尾鳍机械传动装置，模仿鲤鱼的游动；在模拟高速游动成功的基础上，给机器鱼加装防水摄像头和复杂控制系统以及无线传输模块等。实现机械鱼的自主游动、遥控游动和水下监测等功能。创新点：本机器鱼集成多种传感器，可以采集水下图像，自主避障，在不同水层游弋，各分系统独立水密，安全性高。且本机械鱼可在自主式程控和远程遥控两种控制方式之间切换，以适应复杂的使用环境，加强其可靠性程度。后期可以继续加装传感器完成任务如海水质量检测等。技术关键：仿生推进器设计，各部件防水。主要技术指标：体长：500mm 型高：180mm 型宽：120mm ；航速： 1.5节；设计最大下潜深度： 4000mm ；续航力： 1.5kn/h ；数据传输距离1200m 。 科学性、先进性

目前研究的仿生鱼主要停留在对划水姿态以及水动力的研究，很少涉及实用性应用，本仿生鱼具备水下图像采集，自主避障等功能，具有一定实用价值，如海洋科考；当油船等发生原油泄露时，由于船是不断移动的，所以早期发现很难，以至于很容易造成大范围的污染，而有了这种仿生鱼，跟随油船活动，就有可能在第一时间发现并通报漏油情况，以便尽早采取应对措施。与以往的水下监测机器人相比，仿生鱼外形独特，推进噪音小，对周围水生物影响较小，最大还原水体本来

环境。《仿生水下机器人研究现状及其发展趋势》 曾妮 哈尔滨工业大学《仿生鱼型微机器人推进机理的研究》 刘佳宇 长沙理工大学《基于红外传感器的仿生机器鱼自主避障控制》 桑海泉 中国科学院自动化研究所

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

本仿生鱼可在自动控制和遥控之间切换，将仿生鱼电源打开，即可运行。本机器鱼集成多种传感器，可以采集水下图像，自主避障，在不同水层游弋，各分系统独立水密，安全性高。且本机械鱼可在自主式程控和远程遥控两种控制方式之间切换，以适应复杂的使用环境，加强其可靠性程度。后期可以继续加装传感器完成任务如海水质量检测等。仿生机器鱼有广泛的应用空间，民用和军用均可，不仅可以代替潜水员在深水中长时间工作，提高其工作效率，降低风险，而且可以监测水污染，探测海底火山活动；在军事方面，可以用于跟踪敌人的舰船和潜艇，降低被探测几率，捕获敌方信息，甚至在必要时可以携带炸药潜行至敌舰尾部，炸毁敌舰的动力系统，使其丧失主战能力；监测水体质量，由于仿生鱼推进方式独特，且外形不易对周围生物造成过大影响，最大还原了水体本来环境；此外，仿生机器械鱼还可以应用于海洋动物园供游客观赏用等。仿生鱼作为水下机器人是一个水下高技术仪器设备的集成体, 在军事、民用、科研等领域体现出广阔的应用前景和巨大的潜在价值。

同类课题研究水平概述 随着仿生学、机器人学、流体力学、电磁学、新型材料科学、自动控制理论等学科的不断进步，以及海洋经济的发展和军事需求的增加，科研工作者把目光投向了长期生活在水下的各种生物运动机理的研究上。水下生物的高效率、低噪声、高速度、高机动性等优点，使其成为科学家们研制新型高速、低噪音、机动灵活的仿生水下机器人模仿的对象。目前已研制出的仿生水下机器人中，根据其所模仿水下生物的运动方式，可分为仿鱼水下机器人、仿多足爬行动物水下机器人和仿蠕虫水下机器人。鱼类作为自然界最早的真骨脊椎动物，经过亿万年的自然选择，进化出了非凡的水中运动能力，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发游速下实现高机动性。正是这种在水中运动的完美性,吸引了世界各国科研工作者对模仿鱼类游动方式的水下机器人技术进行研究与开发。 1.北京航空航天大学机器人研究中心研制开发的仿生机器人，外表似鱼，长1.21米，由动力推进系统、图像采集和图像信号无线传输系统、计算机指挥控制平台3部分组成。它原地回转灵活，可以每小时4公里的速度前进，并能连续在水下工作2至3小时。 2.英研制水污染监测仿生鱼，鱼长约50厘米，由于外形酷似鲤鱼，比起其他鱼雷型的探测装置，这种仿生鱼转弯半径更小，也更灵活。 3.1994 年麻省理工学院模仿蓝鳍金枪鱼制造的RoboTuna，其长约1.2 m，由2843 个零件组成，能像真鱼一样游动，速度可达7.2km/h。仿生鱼仿生推进器结构有多种方式，但以上和本项目均为电动驱动，另外，除了电动驱动外，还有多种驱动方式，如压电陶瓷驱动、人工肌肉驱动和记忆合金驱动等。