[发明专利]ICPF驱动的厘米级三维游动仿生水下微型机器人

说明书

(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锂聚合物电池，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。