CN101279643B - Icpf驱动的厘米级三维游动仿生水下微型机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种ICPF驱动的厘米级三维游动仿生水下微型机器人。它包括设置在鱼形外壳中的控制电路和锂聚合物电池，外壳的后端与尾鳍相连，尾鳍由较硬的PVC薄片、尾鳍条形ICPF驱动器和较软的PVC薄片连接组成，在外壳的前端安装有红外线传感器和发射器，外壳前部有一条较硬的PVC薄片，薄片两端各连接一个胸鳍条形ICPF驱动器，胸鳍ICPF驱动器的另一端连接相当于胸鳍末端的较软的PVC薄片。本发明采用尾部和胸鳍结合的推进方式。通过控制尾鳍和胸鳍的摆动频率来控制前进速度。通过控制尾鳍左右摆动和胸鳍上下摆动来实现前进，控制尾鳍向左侧或右侧摆动来实现转弯，控制胸鳍向上和向下摆动来实现上浮和下潜。
Description
(一)技术领域
本发明涉及仿生学、机器人、微型机电系统、以及控制技术领域。具体地说是一种仿生水下微型机器人。
(二)背景技术
近年来仿生水下机器人的研究获得了越来越多的关注，因为人们认识到，通过模拟鱼类的游动，可以研制出高效率、低噪声、高速度高机动性的尾鳍推进器。利用鱼类的推进机理实现水下潜器和水下机器人推进的想法伴随着仿生学、材料学、控制理论、流体力学、图像处理等学科的发展逐渐成为现实。
国内外研究人员已经在仿生水下机器人方面做了大量的研究工作。从1995年MIT研制成功第一条水下仿生机器鱼RoboTuna至今，科研人员已研制出了很多具有各种形态和尺寸的水下仿生机器人。这些研究中，以伺服电机驱动的多关节水下仿生机器人居多。而厘米级的自主仿生水下机器人的研究还很少。由于体积的限制，无论从能源供给、器件选择还是驱动器的选取等方面，对于厘米级的自主水下仿生机器人来说都是难题。这些难题限制了厘米级自主水下仿生机器人的应用。对于厘米级的水下仿生机器人，特别是厘米级的自主仿生水下机器人，通常使用智能材料作为驱动器。这些智能驱动器材料包括记忆合金(SMA)、压电材料(PZT)以及离子聚合物金属复合材料(ICPF)。智能驱动材料作为驱动器的优点是具有较高的能量转化效率和对比于传统推进器的安静操作。其中，ICPF离子聚合物金属复合材料是一种特殊类型的智能材料，特别适合于水下机器人，因为它可以在低电压(1-4V)作用下，产生大的形变，既柔韧又和生物相容。它在水中或其它液体中能够很好地工作。ICPF具有在电场中像人工肌肉一样的独特的形变能力并且具有在电场去除后回到原形的能力。特别是，ICPF比传统的推进器具有更高的能量转化效率，这对于微型机器人是非常重要的。在相同能量电池的情况下，ICPF驱动的水下机器人比传统的马达驱动的水下机器人能够游得更远，工作更长的时间。
本发明的发明人在研究ICPF驱动的水下机器人方面做了大量的工作，在2007年12月10日召开的IEEE ROBIO2007国际会议上，发表了题为《A Centimeter-ScaleAutonomous Robotic Fish Actuated by IPMC Actuator》(《IPMC驱动器驱动的厘米级的自主机器鱼》)的论文。其中公开了一种ICPF驱动的厘米级无缆仿生微型机器鱼。它包括设置在外壳中的控制电路和铿聚合物电池，外壳的后端与起连接和协调摆动作用的较硬的薄片相连，起连接和协调摆动作用的较硬的薄片与ICPF驱动器相连，ICPF驱动器相连与相当于尾鳍的较软的薄片相连，在外壳的前端安装有红外线传感器和发射器。但是ICPF驱动的厘米级自主仿生微型机器鱼不能实现三维运动、拟合效果差、推进效率低。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种能够三维游动的自主巡游和避障、结构简单、能耗低、噪声小的ICPF驱动的厘米级三维游动仿生水下微型机器人。
本发明的目的是这样实现的：
它包括设置在鱼形外壳中的控制电路和锂聚合物电池，外壳的后端与尾鳍相连，尾鳍由较硬的PVC薄片、尾鳍条形ICPF驱动器和较软的PVC薄片连接组成，在外壳的前端安装有红外线传感器和发射器，外壳前部有一条较硬的PVC薄片，薄片两端各连接一个胸鳍条形ICPF驱动器，胸鳍ICPF驱动器的另一端连接相当于胸鳍末端的较软的PVC薄片。
本发明还可以包括：
1、所述的尾鳍条形ICPF驱动器由两片条形ICPF驱动器组成，其中一片条形ICPF驱动器的一端与较硬的PVC薄片相连、另一端与另一片条型ICPF驱动器相连，第二片ICPF驱动器的另一端和较软的PVC薄片相连。
2、所述的控制电路由微控制器和功率放大线路组成，红外线传感器与微控制器互连，微控制器与功率放大电路相连，功率放大电路的输出连接各ICPF驱动器，锂聚合物电池分别与红外线传感器、微控制器和功率放大电路相连。
3、组成尾鳍的较硬的PVC薄片、尾鳍条形ICPF驱动器和较软的PVC薄片的长度比为12∶15∶20。
本发明采用尾部和胸鳍结合的推进方式，模仿微小型鱼类的运动模式，通过3.7V的低电压信号来激励ICPF材料摆动，从而带动尾鳍和胸鳍摆动。通过控制尾鳍和胸鳍的摆动频率来控制此微型机器人的前进速度。通过控制尾鳍左右摆动和胸鳍上下摆动来实现前进，控制尾鳍向左侧或右侧摆动来实现转弯，控制胸鳍向上和向下摆动来实现上浮和下潜。通过红外线传感器来发现障碍物，并通过避障策略在转弯的基础上来实现避障功能。
特别对于尾鳍推进，采用控制两片ICPF驱动器的协调摆动来达到拟合真鱼尾部摆动的目的。比采用一片ICPF驱动器能够取得更加精确的拟合效果，获得更高的推进效率。
本发明的结构是由刚性的身体及柔性的尾部和胸鳍构成。刚性身体的前部安装有红外线发射器和红外线传感器。本发明的控制电路和电源部分安装在刚性身体内。柔性尾部和胸鳍由条形ICPF和两片硬度不同的PVC塑料薄片构成，比较柔软的PVC塑料薄片设计成新月型充当尾鳍和胸鳍，另一片充当和身体的连接部分。控制电路通过夹子电极和ICPF驱动器连接。
起连接作用的较硬的薄片、条形ICPF驱动器和较软的充当胸鳍和尾鳍的薄片的长度比为12∶15∶20，经理论分析和多次试验证明，此比例能够获得最优的推进效率。
本发明的优点如下：1、体积小，能够应用于比较狭小的环境中，比如细小的管道和人体的腔体内；2、低电压驱动，能耗低，能量转化效率高。3、无电磁辐射和无噪声；4、能够实现三维游动；5、能够在传感器的帮助下实现自主巡游、避障功能和遥控功能。
(四)附图说明
图1是本发明的结构示意图的俯视图；
图2是本发明的结构示意图的侧视图；
图3是尾鳍两片ICPF驱动器拟合真鱼尾部摆动示意图；
图4是尾鳍推进时两片ICPF驱动器控制信号配合的相位示意图；
图5是尾鳍推进时两片ICPF驱动控制信号的相位关系图；
图6是控制系统结构图；
图7前进时的胸鳍摆动及推力示意图；
图8下潜时的胸鳍摆动及推力示意图；
图9上浮时的胸鳍摆动及推力示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1、图2，ICPF驱动的自主仿生水下微型机器人的组成包括设置在外壳2中的控制电路6和锂聚合物电池7，外壳的后端与起连接和协调摆动作用的较硬的薄片8相连，起连接和协调摆动作用的较硬的薄片与ICPF驱动器9相连，ICPF驱动器与相当于尾鳍的较软的薄片10相连。外壳前部横穿一个较硬的薄片3，起到连接和支撑胸鳍的作用，ICPF驱动器4到薄片3的一端，ICPF驱动器4的另一端连接到起胸鳍作用的较软的薄片5上。在外壳的前端安装有红外线传感器和发射器1，同时结合图6，控制电路由微控制器和功率放大电路组成，红外线传感器与微控制器互连，微控制器与功率放大电路相连，功率放大电路的输出连接尾部和胸鳍的ICPF驱动器，锂聚合物电池与红外线传感器、微控制器和功率放大电路相连。尾鳍条形ICPF驱动器由两片条形ICPF驱动器组成，其中一片条形ICPF驱动器的一端与较硬的PVC薄片相连、另一端与另一片条型ICPF驱动器相连，第二片ICPF驱动器的另一端和较软的PVC薄片相连。组成尾鳍的较硬的PVC薄片、尾鳍条形ICPF驱动器和较软的PVC薄片的长度比为12∶15∶20。
本发明的工作原理如下：
如图1和图2，本水下微型机器人由十个部分构成：1.红外线传感器和发射器；2.刚性的流线型外壳；3.起支撑和连接胸鳍作用的较硬的PVC薄片；4.用于胸鳍驱动的ICPF条形驱动器；5.胸鳍末端的新月形PVC薄片；6.锂聚合物电池；7控制电路；8.起连接和协调尾鳍作用的较硬的PVC薄片；9.用于尾鳍的两片ICPF条形驱动器；10.相当于尾鳍末端的较软的新月型PVC薄片。
1、尾鳍推进的实现。
如图3所示，本水下微型机器人的尾鳍由起两片ICPF驱动器1，2连接在一起协调摆动来拟合真鱼的尾部摆动，可以获得比一片ICPF驱动器更好的拟合效果和更高的推进效率。3为两片ICPF驱动器的连接部分，4为真鱼的尾部摆动轨迹线。为了使两片ICPF驱动器能够协调配合，拟合出真鱼尾部的摆动曲线，我们采用试验结合差值计算的方法，获得了在摆动周期的不同时刻两片ICPF驱动器的最佳姿态和位置，并根据此位置反推控制信号的相位和正负。将最后获得的数据以表格的形式保存。在控制ICPF摆动时，以摆动周期的不同时刻为参数，查表找到应该输出的控制信号的相位和电压正负。从而比较精确和高效的获得推进能力。形成的表格如图4。相位关系示意图如图5。
3、上浮和下潜功能的实现。
为了实现此微型机器人上浮和下潜，首先要调整其重量，使重力等于浮力，保证此微型机器人能够悬浮在水中。其次，要保证鱼体是刚性的，在水中不同深度体积不会发生变化，从而保证了浮力的恒定。在此基础上，对胸鳍的ICPF驱动器施加单向的方波，即只施加正电压或负电压的方波，可以使胸鳍的ICPF驱动器向上或向下摆动，带动微型机器人向上或向下转弯前进，即利用与转弯相同的原理实现上浮和下潜的功能。上浮和下潜的工作原理和受力分析分别如图7和图8所示。上浮和下潜时的电压激励信号同转弯时的电压激励信号，如图6。这也是胸鳍和尾部采用类似结构的原因。胸鳍和尾部同时摆动共同作用可以提高上浮和下潜的速度。
Claims (5)
1.一种ICPF驱动的厘米级三维游动仿生水下微型机器人，它包括设置在鱼形外壳中的控制电路和锂聚合物电池，外壳的后端与尾鳍相连，尾鳍由较硬的PVC薄片、尾鳍条形ICPF驱动器和较软的PVC薄片连接组成，在外壳的前端安装有红外线传感器和发射器，其特征是：外壳前部有一条较硬的PVC薄片，薄片两端各连接一个胸鳍条形ICPF驱动器，胸鳍ICPF驱动器的另一端连接相当于胸鳍末端的较软的PVC薄片。
2.根据权利要求1所述的ICPF驱动的厘米级三维游动仿生水下微型机器人，其特征是：所述的尾鳍条形ICPF驱动器由两片条形ICPF驱动器组成，其中一片条形ICPF驱动器的一端与较硬的PVC薄片相连、另一端与另一片条型ICPF驱动器相连，第二片ICPF驱动器的另一端和较软的PVC薄片相连。
3.根据权利要求1或2所述的ICPF驱动的厘米级三维游动仿生水下微型机器人，其特征是：所述的控制电路由微控制器和功率放大线路组成，红外线传感器与微控制器互连，微控制器与功率放大电路相连，功率放大电路的输出连接各ICPF驱动器，锂聚合物电池分别与红外线传感器、微控制器和功率放大电路相连。
4.根据权利要求1或2所述的ICPF驱动的厘米级三维游动仿生水下微型机器人，其特征是：组成尾鳍的较硬的PVC薄片、尾鳍条形ICPF驱动器和较软的PVC薄片的长度比为12∶15∶20。
5.根据权利要求3所述的ICPF驱动的厘米级三维游动仿生水下微型机器人，其特征是：组成尾鳍的较硬的PVC薄片、尾鳍条形ICPF驱动器和较软的PVC薄片的长度比为12∶15∶20。
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