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微小型水下仿生機器人研究現狀及發展趨勢
 
 
微小型水下仿生機器人研究現狀及發展趨勢
王揚威,王振龍,李健(哈爾濱工業大學,黑龍江哈爾濱)
摘要:隨著微型機電系統(MEMs)相關技術的發展,微小型水F仿生機器人已成為各國廣泛研究的熱點問題。綜述r微小型水下仿生機器人的研究現狀,討論分析了微小型水下仿生機器人研究的關鍵問題和發展趨勢。
關鍵詞:微小型;水下仿生機器人;微型機電系統
0引  言
隨著微細加工技術和大規模集成電路制造技術的發展,微型機械從單元到系統都得到了迅猛發展。
集微驅動器、微執行器、微傳感器、微控制器和微能源于一體的微型機電系統(MEMs)成為各國科學家研究的熱點。
    基于仿生學原理通過模仿生物的游動方式,產生高效率推進的微小型水下仿生機器人已成為MEMs研究中的重要方向。在液體管道檢測和醫療診斷等方面有著重大的實用價值。近年來,受到各國的廣泛關注。隨著微細加工技術水平的提高,各國在這一領域都投入了大量的人力物力,并取得了令人矚目的成果。
1微小型水下仿生機器人國內外研究現狀
1.1國外微小型水下仿生機器人研究現狀
日本名古屋大學的福田敏男教授等人研制出采用壓電陶瓷(PzT)驅動的微型雙鰭魚形機器人,如圖l所示。
 
 
它的長度是50mm,整個身體是放大機構,PzT位移量的放大比率為326倍。其推動力來自共振效應,放大PZT位移量,通過雙鰭使該微機器人在水中游動。福田敏男教授等人還研制出采用PzT驅動的兩自由度微機器人。機器人長50 mm,寬19 mm,整個身體是放大機構,PzT位移量的放大比率為250倍。機器人有兩條腿,并且每條腿上帶有雙鰭,雙鰭之間有一定的角度。機器人結合兩條腿的運動能夠自如游動。
福田敏男教授等人還研制了形狀記憶合金驅動的身體波動式微型機器魚。驅動裝置是由幾種模態的平帶形sMA構成,根據sMA的激勵方式的不同,通過波形合成可以產生多種形狀,可以模擬魚類的鰻鱺推進方式游動,實現機器人的水下浮游。美國的加利福尼亞大學研制出仿Bx6sh的PzT驅動的機器魚,如圖2所示。
 
 
機器魚體長12 mm,尾鰭長10 mm,采用150 V電壓驅動,機器魚運動靈活。
    日本的郭書祥等人研制出導電離子聚合物材料驅動的微型機器魚和仿生水母。微型機器魚模仿魚類的游動原理,外形類似小船,長40 mm,寬10 mm,厚2 mm,具有一對驅動翼,由脈沖電壓驅動而產生推進力。實驗結果表明,通過改變脈沖電壓的頻率,可以改變機器魚在水中的游動速度。仿生水母寬42 mm,高68 mm。能在低電壓(約1 V)的驅動下低速、緩慢的在水中游動。日本的Kento等人研制出離子聚合物復合材料驅動的仿生鰩魚機器人,如圖3所示。
 
單側胸鰭采用8驅動鰭條,通過聚乙烯薄膜連接而成,整個鰭尺寸為75 mm乘以45 mm。機器人實現了181mrns的游動速度。
    美國的密西根州立大學研制出IPMc驅動的機器魚。機器魚長12 cm,通過自身攜帶的電池提供脈沖電壓驅動制成的尾鰭擺動產生推力。
法國的人研制出驅動的機器魚。機器魚長50 mm,在2V脈沖電壓驅動下,可以實現1.8 mms的游動速度。韓國科學與技術學院的人研制出IPMc驅動的仿蝌蚪機器人,如圖4所示。
它長96mm,****寬度24 mm,****高度25 mm。尾鰭可以實現波動和擺動推進,在2 5 v脈沖電壓驅動下可以實現236 mms的游動速度。
  愛沙尼亞學者等研制出采用電流驅動聚合物驅動的仿非洲鰩魚機器魚胸鰭,如圖5所示。
 
 
 
在長140 mm、寬28 mm的有機玻璃制成的框架兩側分別均布8個EAP制成的胸鰭,胸鰭之間通過彈性薄膜連接,通過胸鰭擺動帶動整個鰭作波浪式運動產生推力。
    美國東北大學海洋科學中心研制出鰻鱺模式游動的機器七鰓鰻,如圖6所示,
 
 
 
利用電流加熱的條直徑:250μ的TI基絲作為致動器,結構簡單,游動時無噪聲,具有****的隱蔽性能。
  瑞士聯邦技術學院的人研制出電機驅動的仿生機器魚,如圖7所示。
 
 
機器魚模仿運動方式,可以以獨特的運動方式在水中和陸地運動。機器魚長250 mm,通過直流電機驅動。
機器魚有兩個胸鰭和一個尾鰭,在水中游動時靠胸鱔和尾鰭擺動推進,胸鰭還可以控制上浮或下沉,而在陸地上可以通過胸鰭的旋轉使機器魚前進。機器魚可以實現0.37 rns的游動速度。
1 2國內微小型水下仿生機器人研究現狀
廣東工業大學的鐘映春等人研制出驅動的水下機器人,如圖8所示。
 
 
 
機器人利用柔性鉸鏈和差式杠桿放大原理驅動側翼擺動實現水中游動東北大學研制了采用驅動的小型機器魚,如圖9所示:
 
 
機器魚采用紅外遙控控制,IPMc驅動器尺寸50 mm×lOmm.在2 5 V的正弦波電壓驅動下,可以實現  哈爾濱工業大學的王振龍教授等人研制出sMA驅動的仿生微型機器魚。如圖10所示。
 
 
 
該微型機器魚由魚體和推進段組成,沒有任何機械傳動結構,能夠模擬真魚的無聲柔性擺動推進。
該機器魚總長146 mm,質量30 g,利用無線電遙控。
機器魚實現了112 mm/s的游動速度和136 mm的轉彎半徑:模仿魚類夠科推進模式游動時,尾鰭振幅峰值為26 mm,斯德魯哈爾數(s1)為0.58,較接近魚類游動的理想值O 25~O.35,表明機器魚可以在較為理想的狀態游動。
    北京航空航天大學是國內開展機器魚研究最早的單位之一,于1999年研制了模仿銀龍魚波動游動的機器魚。北京航空航天大學的梁建宏等人還研制出電機驅動的小型機器魚,如圖11所示。
 
 
 
小型機器魚是一條具有剛性頭部,柔性身體和剛性尾鰭的擺動推進器?傞L度約890 mm,總高度為550 mm。魚體頭部是一個半圓球,前部為圓柱形,尾部由直徑漸變的圓柱面貼合而成,以形成整體流線型的外部形狀,在尾部帶有一個尾鰭,作為提供推進力的主要執行機構。魚體的全部橫斷面都是圓
形,****橫斷面是一一個直徑110 mm的圓面.水中****速度為20 crn/s,****轉彎角速度為120°/s,最小轉彎半徑為40 cm。綜合性能測試實驗和c形運動控制實驗表明,該機器魚具有較好的游動性能和較高的機動性能。北京大學研制出電機驅動的仿生機器魚,機器魚長380 mm,有玻璃鋼制造的頭部,通信系統和電源都放在頭部,有四個擺動關節,通過直流電動機驅動。
  浙江大學的陳柏等人研制出電機驅動的仿生蝌蚪機器人,如圖12所示。
 
 
 
機器人在水中依靠尾部波狀擺動前進。其柔性尾部擺動過程中,形狀類似于一列正弦波;機器人波狀尾部擺動時帶動它所包絡的液體向后流動,形成尾渦。
機器人受到向前的推力。
2微小型水下仿生機器人研究關鍵技術及發展趨勢
從上述研究現狀可以看出,微小型水下仿生機器人已經成為微型機器人領域里研究的熱點。國內外的眾多研究機構都開展了相關研究:國外研究機構的研究比較廣泛,采用電機和智能材料驅動器,研制了多種微小型水下仿生機器人,取得了豐富的研究成果。國內開展微小型水下仿生機器人研究的機構比較少,主要采用電機作為驅動器,采用智能材料驅動器的微小型水下仿生機器人還處于初期實驗階段。微小型水下機器人推進機理、微驅動器、控制技術、水下通訊技術和微小型能源等問題的研究將成為制約微小型水下機器人發展的關鍵。
2.1推進機理研究
自然界具有游動本領的生物在幾百萬年的進化過程中,進化出了非凡的水中游動能力:經過國內外學者大量的實驗研究證明,模仿生物的游動機理研制的水下仿生機器人可以以生物的推進方式在水中靈活游動。
    生物學家和有關機構對魚類游動機理進行了大量的研究,并創建相應的推進理淪。按照選取的主要作用力不同,目前的波動推進理論可以分為抗力理論(Resve force theory和反作用力理論(Re—active forceeorv)兩大類,前者強調水的粘性力作用,后者強調推進器在無粘流體中波動時的慣性力。反作用力理論發展迅速,相對較為完善并用于實際計算的主要有細長體理論(Elong bodytheory)、波動板理論(wav。plate the。ry)和作動盤理論(ActuI=l0r—dlscory)三種。現有理論對于微小型仿生水下機器人的沒計有一定的指導意義,但是對于機器人的推進力、推進效率等參數的計算結果與實驗結果還存在差距。
    研究生物游動的機理,建立微小型水下仿生機器人的運動學模型,為仿生機器人研究提供理論基礎將是未來微小型水下仿生機器人研究的重點。
2 2微驅動器研究
微驅動器是微小型水下機器人的重要組成部分。微小型水下仿生機器人的驅動器主要包括:微型電機和智能材料(PzT、sMA、高分子材料)。微型電機驅動的機器人,推進力大,游動速度快,但存在結構復雜、體積大、頻率低和噪聲大等問題。PzT是一種能夠將機械能和電能互相轉換的功能材料,具有響應快、驅動力大、驅動功率低和工作頻率寬等優點,但是它所需的驅動電壓較高、位移量小、制作工藝比較復雜。sMA具有集驅動器與傳感器于一身的特色。它在相變過程中產生的回復力大,功重比(功率重量比)要遠遠大于電機。但sMA在藿復驅動過程中,記憶性能會逐漸退化,工作響應頻率較低。高分子材料(IcPF、EAP和IPMc)是新型的智能材料,柔韌性好,驅動電壓低.變形量大,響應性能好,但輸出力較小,且材料制備復雜。
    PZT、sMA和高分子材料等智能材料具有集傳  感與執行于一體、易于控制等優點,因而在微小型水  下仿生機器人驅動機構的沒計中得到廣泛應用。研  究功耗低、輸出功率大、控制性能好的新型智能材料  驅動器將成為未來微小型水下仿生機器人研究的關  鍵問題。
  2 3控制技術研究
在水下環境中保持游動的穩定性和機動性,實  時地對環境進行檢測,調整姿態,躲避障礙物,這些  功能的實現,主要依靠微小型水下仿生機器人的控  制系統。建立準確的控制模型和神經網絡等先進控  制方法的應用將是微小型水下仿生機器人研究的主  要問題。
  2 4通訊技術研究
微小型水下仿生機器人在水下工作時與外界的  聯系受到諸多因素的影響。因此,如何實現高效、準 確的通信成為微小型水下仿生機器人設計過程中必  須要考慮的重要問題。
  2 5微小型能源研究
微小型水下仿生機器人在水下工作時的能源供  給是制約機器人長時間穩定工作的重要因素。因  此,開發大容量的高效能源是微小型水下仿生機器  人實用性的關鍵問題。
 
5 結語
   本文論述了微小型水下仿生機器人的研究現狀 ,討論分析了微小型水下仿生機器人研究的關鍵問題和發展趨勢,!‰S著MEMS 相關技術的不斷發展,更多的新型微小型水下仿生機器人,將會出現。 微小型仿生水下機器人在海洋勘測。軍事 工業和醫療等領域具有廣泛的應用前景!
 
 
 
 
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