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    水下科考有高招 3D打印机器鱼智能探索

      [  中关村在线 原创  ]   作者:宋达希   |  责编:王征

            来自土耳其菲拉特大学的一组工程研究人员正在使用仿生设计和3D打印来构建智能机器鱼,用于实际的探索和测量任务。智能化的机器鱼具有灵活的尾部机制,不仅能游泳而且在水中具有较低的消耗和较高的机动性。这是传统的螺旋桨无人潜水艇无法实现的。

    水下科考有高招 3D打印机器鱼智能探索
    3D打印机器鱼设计原理 图源mdpi.com

            该团队发表了他们的论文,题为《机电设计与仿生学的游泳模式的智能机器鱼》,由Mustafa Ay,Deniz Korkmaz,Gonca Ozmen Koca,Cafer Bal,Zuhtu Hakan Akpolat和Mustafa Can撰写。

            他们设计了具有双连杆推进尾机构的仿生Carangiform型自主机器鱼原型的机电一体化设计和制造。对于设计过程,采用多链接仿生方法,其使用真实鲤鱼的物理特征作为其大小和结构。根据游泳模式和鲤鱼的尾部振荡确定适当的体率。 

            3D打印仿生机器人鱼的设计中的重要因素主要是游泳模式和鱼的身体结构。在鱼类学中,超过85%的鱼通过弯曲身体和尾鳍游泳,约15%的鱼通过胸鳍游泳。这些生物学特性表明BCF型Carangiform机器鱼是最理想的仿生学模型。

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    通过研究鱼的游泳姿态来设计机器鱼 图源mdpi.com

            “机器鱼设计有两种基本方法,”研究人员写道。 “首先是仿生设计,它具有一定的要求,如尾部的大小和关节数量,以提供身体平衡,并能够控制重心保持在一定深度。第二种设计方法使用鱼的运动效果,但它并没有真正受到鱼的启发。“

            他们的机器鱼模仿BCF型Carangiform游泳模式,其推进尾翼机构由伺服电机驱动。机器人鱼原型由五个基本部件组成,包括前刚性主体,双连杆尾机构,执行中央模式发生器(CPG)模型的控制单元,前视单元和柔性尾鳍。前部刚性鱼雷形主体设计用于容纳电子设备,传感器和重心(CoG)控制机构。 CoG控制机制成功地提供了上下运动能力。基于CPG的运动控制器适于产生健壮,平滑和有节奏的振荡游泳模式。由高功率伺服电机驱动的尾部连杆和一个固定在脚蹬上的柔性尾鳍设计用于产生原型的体态。这些链条以串联链结构的形式相互连接,产生游泳运动所需的推力。由于机器人鱼在水中移动时应该能够感知环境中的静态和动态障碍,因此在机器人鱼的左侧、右侧和前方还增加了三个夏普红外距离传感器。

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    第二尾链的详细机械配置 图源mdpi.com

            机器人鱼的3D模型是在SolidWorks中设计的。然后在Voxelizer中将STL文件转换为体素格式,其中配置了图层,打印和支持点设置。原型的每个部分都是用PLA长丝3D打印的,柔性尾鳍是用模具硅胶制作的。外尾鳍模具也采用3D打印技术设计和生产。所有部件都覆盖有环氧树脂,以防止可能从生产过程中形成的泄漏。在组装阶段之后,外表面涂装为有合成涂料,以防止在组装期间的细微裂缝导致进水。

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    机器鱼制成效果 图源mdpi.com

            机器鱼原型长约500毫米,宽76毫米,高215毫米。原型质量也约为3.1千克。在未来的工作中,将使用不同的控制结构检查原型的闭环控制性能,并在不同的水道中测试机器鱼的游泳性能。

            这种机器鱼设计为各种不同的海洋应用提供了多种解决方案,例如水下资源检查、污染测定、生物形态观察、淹没区域调查、电力或石油管道故障检测、海岸线安全和军事任务,等等。

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