【2017海学联】水下仿生微型机器人

发布时间:2017-3-26 16:20:00

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 项目简介

近年来,随着海下电缆的搭建、海底输油管道的铺设等工程技术的迅猛发展,水下作业技术就显得十分关键。当前在这一领域,无人水下航行机器人(UUV)应用广泛,其中自主水下航行机器人(AUV)发展突出。现阶段应用的AUV主要分为传统水下作业机器人和仿生水下机器人两大类。传统水下作业机器人技术较为成熟,如螺旋桨推进形式。但这种推进方式使得机器人具有体积大、重量大、游动效率低以及灵活性差等缺点,限制了其应用。而仿生水下机器人是模仿自然界中水下生物的身体形态、运动模式、推进方式等而设计出的水下机器人。能具备如高游动效率、高机动性、高鲁棒性、低扰动性等优势。

我们的研究工作主要集中于较小型的水下仿生机器人。包括了(1)仿生对象的研究。不同的生物具备不同的游动特性。例如金枪鱼具有高游速性能;梭子鱼具有高加速性能;蝴蝶鱼具有高机动性能。(2)水下仿生机器人形态的研究。我们利用仿真软件对预选模型进行动力学分析,得到相应的各项阻力系数,从而选择最佳模型;再对模型进行动力学仿真,得到该模型的动力学特性,有助于模型的参数优化以及实验的理论指导。(3)推进性能的研究。例如鱼类的推进方式可划分为身体/尾鳍推进模式(BCF)和中间鳍/对鳍推进方式(MPF)。BCF推进模式能获得高速度、高效率的游动性能,但其机动性能差,难以实现多种游动姿态,如翻滚、俯仰等;MPF推进模式下游速较小,但能获得优异的机动性能,实现多姿态的游动。(4)水下仿生机器人推进鳍特性的研究,包括形状、面积、刚度等因素。选取出合适的参数能大大提高水下仿生机器人的运动特性。(5) 遥控、传感、自动导航、信息处理等方面的研究。

我们课题组研制的仿生机器鱼,采用了双尾鳍推进形式并搭载了胸鳍结构。双尾鳍的对称拍动提供主要的推进力,胸鳍的加入可以实现转弯、翻滚、上浮、下潜等游动姿态,大大的增加了仿生机器鱼的机动性。双尾鳍结构结合了波动推进和射流(喷水)推进模式,能够使得机器鱼具有高速游动性能的同时获得高加速性能。同时,双尾鳍的对称拍动能有效地消除因尾鳍摆动产生的横向力,解决了单尾鳍机器鱼游动时头部左右晃动的弊端,增加了机器鱼的稳定性。这对于头部搭载摄像头用于图像采集的应用尤为重要。

 

小型水下仿生机器人在搭载相应功能性传感器后可以首先应用浅水域的工作环境,如江河胡泊或近海区域。可应用于工作空间狭窄的环境,如珊瑚礁,水下搜救或水质有污染的区域;也可应用于港口岸边,水库大坝以及船舶码头等需要定期性安全检测的区域。随着技术的进步,以后水下仿生机器人可能凭借其高机动性,高效率,低噪音,高隐蔽性及经济性的特点用于军事领域。

 

专家团队介绍

 

香港申请者孙东教授早年毕业于清华大学精密仪器与机械学系,现担任香港城市大学机械与生物医学工程系讲座教授、系主任。孙东教授已从事多年机器人控制系统及微纳米细胞操作研究,特别在机器人辅助细胞操作研究上有着深厚的造诣。他是国际上最早应用机器人和光镊技术对生物细胞进行微纳米操作和生物力学特性分析的几位学术带头人之一。他早期的工作是研究如何将机器人与自动化技术用于细胞注射以提高操作精度及效率,他的团队目前的研究方向集中在结合机器人、光镊和微流体技术对细胞进行微纳米操作从而深入探索单细胞功能机理。细胞操作包括细胞拉伸、细胞移动、细胞分离、细胞融合、细胞注射,以及细胞与细胞间的各类交互等。孙教授目前担任香港几个相关课题的负责人,通过与医学院的深入合作,对干细胞、癌细胞及各类相关疾病,从生物医学工程的角度对单体细胞进行深入的研究。孙教授早于2003年起在香港科技园创立高科技公司,从事运动控制及自动化产品的设计和推广,两次获得香港工业奖的殊荣。孙教授自2000年加入香港城市大学以来,作为项目主要负责人先后主持完成了超过30个研究项目,获得了5千万的研究经费。孙教授发表2部著作,10个受邀著作章节,在权威期刊和会议发表超过340多篇学术文章,并拥有八项专利。他获得多项IEEE期刊和会议最佳论文奖,并担任多个国际著名学术期刊的编委,包括IEEE Transactions on Robotics IEEE Transactions on Mechatronics。孙教授于20072008年连续两届当选IEEE香港区机器人、自动化及控制系统联合分会的主席,并作为大会主席组织多个大型国际学术会议,如IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS)IEEE International Conference on NanotechnologyAdvanced Intelligent Mechatronics (AIM)等。2014年孙教授当选IEEE Fellow2016年出任国家教育部学部委员。

项目所属阶段

如图所示的仿生机器鱼参数为:总长13cm,鱼体直径3cm,总重量90g,最快游动速度0.22m/s,即1.7BL/s,动力源是两个3.7v,300mAh的锂电池串联。仿生机器鱼能够实现前进、转向、翻滚、上浮、下潜等游动姿态。接下来的工作任务是优化仿生机器鱼形态尺寸,配置多鱼鳍推进模式,力图提高机器鱼的综合性能。除此之外,再在机器鱼上搭载功能性传感器,投入到实际应用中去。例如用于自动巡航、水质的监测、水下管道和电缆的检修勘测等工作。

希望寻求的合作企业或企业方向

合作方式

资金需求

合作研发

直接产业化

风投

双方投入

机器人,先进制造,环境监测,测量,军工,海洋产业等

可以

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