科技成果-仿生機(jī)器海豚技術(shù)

科技成果一一仿生機(jī)器海豚技術(shù)成果簡(jiǎn)介結(jié)合仿生學(xué)在海豚推進(jìn)機(jī)理、減阻機(jī)制和人機(jī)交互方面的成果，將仿生技術(shù)、流體動(dòng)力學(xué)理論、控制技術(shù)、智能信息處理技術(shù)等綜合到一起，針對(duì)仿生機(jī)器海豚的推進(jìn)機(jī)理和運(yùn)動(dòng)控制開展研究，開發(fā)研制具備初步人機(jī)交互功能的機(jī)器海豚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。強(qiáng)調(diào)外形仿生和運(yùn)動(dòng)仿生，研究海豚典型的背腹式擺動(dòng)和鰭肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理。運(yùn)用控制技術(shù)、水動(dòng)力學(xué)和機(jī)器人學(xué)理論，解決機(jī)器海豚推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、外觀設(shè)計(jì)、控制體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制及系統(tǒng)集成等理論與技術(shù)中的關(guān)鍵問題。通過理論研究、系統(tǒng)開發(fā)到應(yīng)用實(shí)踐幾個(gè)層面的工作，一方面為研究機(jī)器海豚的推進(jìn)機(jī)理、減阻機(jī)制提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并且為探索集高效性、機(jī)動(dòng)性、靈活性和隱形性于一體的AUV技術(shù)提供必要的理論和技術(shù)基礎(chǔ)：另一方面為開發(fā)具有高技術(shù)展示度、面向市場(chǎng)的寵物海豚或多海豚協(xié)調(diào)系統(tǒng)提供技術(shù)儲(chǔ)備。機(jī)器海豚作為一個(gè)多學(xué)科交叉問題，其理論和技術(shù)上的突破，將會(huì)獲得一批創(chuàng)新性研究成果。一方面，基于實(shí)際仿生系統(tǒng)的海豚推進(jìn)機(jī)理研究將有助于理解和揭示海豚高性能游動(dòng)的奧秘、減阻機(jī)制和人機(jī)交互方式；另一方面，機(jī)器海豚作為一種新型的仿生機(jī)電系統(tǒng)，與普通水下推進(jìn)器相比，具有良好的機(jī)動(dòng)性、靈活性、隱蔽性和高效率，在危險(xiǎn)、狹窄、復(fù)雜的水下環(huán)境中的監(jiān)測(cè)、偵探、救撈和維修中具有良好的應(yīng)用前景。同時(shí)機(jī)器海豚具有比機(jī)器魚更優(yōu)的運(yùn)動(dòng)性能和智能，具有更高的科技含量和展示度，在水族館、科技館的科普和娛樂中有著良好的市場(chǎng)前景。應(yīng)用范圍新的機(jī)器人技術(shù)正越來(lái)越多地應(yīng)用于玩具制造業(yè)及科普教育。目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上還沒有可自主導(dǎo)航并進(jìn)行人機(jī)交互的機(jī)器海豚樣機(jī)。通過外觀設(shè)計(jì)和包裝，可制成寵物海豚上市：如將機(jī)器海豚實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)引入科技館，通過集成人機(jī)交互（如語(yǔ)音、視覺及表情），讓機(jī)器海豚成為一種集多種高科技于一身的展品；還可以用于實(shí)驗(yàn)室研究仿生學(xué)、控制理論、人工智能、力學(xué)、信息處理等的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。技術(shù)水平由于海豚獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、減阻機(jī)制、聲納探測(cè)和人機(jī)交互背后蘊(yùn)含著深刻的生物學(xué)和流體力學(xué)機(jī)理，涉及生理學(xué)、解剖學(xué)和力學(xué)等多門學(xué)科，在運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究方面具有相當(dāng)?shù)碾y度。作為生物推進(jìn)機(jī)理和工程技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)，機(jī)器海豚是包含水動(dòng)力學(xué)控制和機(jī)器人技術(shù)的多學(xué)科問題?；跈C(jī)器人動(dòng)力學(xué)、機(jī)器魚開發(fā)、運(yùn)動(dòng)控制、多機(jī)器人協(xié)調(diào)協(xié)作、人工智能和分布式仿真系統(tǒng)等方面的研究工作，結(jié)合仿生學(xué)、力學(xué)、材料科學(xué)、自控理論、機(jī)械、電子、傳感、通訊等學(xué)科的新發(fā)展，研制模仿海豚身體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)能的機(jī)器海豚有可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。機(jī)器海豚的外觀、大小及功能可由用戶定制，利用智能算法可實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，逼真地復(fù)現(xiàn)海豚的背腹式運(yùn)動(dòng)及鰭肢劃水動(dòng)作。在國(guó)際上，由于機(jī)器海豚開發(fā)研制的諸多困難，針對(duì)機(jī)器海豚的理論和技術(shù)研究尚處于起步階段。雖然有過相關(guān)的技術(shù)探索，但國(guó)內(nèi)外尚未成功實(shí)現(xiàn)機(jī)器海豚的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)（如背腹式運(yùn)動(dòng)、乘浪、翻滾、騰躍等），而仿生機(jī)器海豚的研制開發(fā)有可能填補(bǔ)這一空白。目前仿生機(jī)器海豚己申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。項(xiàng)目所處階段機(jī)器海豚項(xiàng)目進(jìn)展順利，在機(jī)器海豚仿生外觀設(shè)計(jì)、海豚運(yùn)動(dòng)機(jī)理、仿生推進(jìn)機(jī)構(gòu)和二自由度鰭肢機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面積累了大量研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，推出了兩代樣機(jī)：PKU-dolphin1和PKU-dolphin2。PKU-dolphin1PKU-dolphin1的尺寸為550mmx70mmx80mm，機(jī)器海豚采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括流線型仿生外殼、轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、彈性軟體、仿鰭機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)，能逼真地模擬海豚在水中典型的背腹式運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)彎。PKU-dolphin1的最高游速可達(dá)0.45m/s，最小轉(zhuǎn)彎半徑約為0.5m，最高轉(zhuǎn)彎速度為120°/s。機(jī)器海豚的游動(dòng)速度可以通過改變背腹式推進(jìn)機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)頻率和擺動(dòng)幅度來(lái)調(diào)節(jié)，其運(yùn)動(dòng)方向可通過向左右擺動(dòng)的轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)疊加不同的關(guān)節(jié)偏移量調(diào)整機(jī)器海豚的游動(dòng)姿態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。PKU-dolphin2的尺寸為700mmx150mmx140mm，在PKU-dolphin1的基礎(chǔ)上增加了兩自由度運(yùn)動(dòng)（轉(zhuǎn)動(dòng)、拍水）的鰭肢機(jī)構(gòu)和左右擺動(dòng)的背鰭機(jī)構(gòu)。通過設(shè)計(jì)智能控制算法協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)、推進(jìn)機(jī)構(gòu)及仿鰭機(jī)構(gòu)（鰭肢機(jī)構(gòu)和背鰭機(jī)構(gòu)）的運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器海豚的多種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)如背腹式運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、劃水、急停等。投資估算涉及機(jī)械加工、模具設(shè)計(jì)及控制電路設(shè)計(jì)（可由第三方生產(chǎn)），投資額約為40萬(wàn)。受讓方接產(chǎn)條件有固定的廠房及組裝場(chǎng)地，可根據(jù)技術(shù)方案和設(shè)計(jì)圖紙組織加工、組裝。效益分析機(jī)器海