機器魚(魚形水下機器人)

機器魚，故名思議，從材料製作的外形像魚的機器，配備有化學感測器的自主機器魚，它能夠在水中游數小時，機器魚用以發現污染物質，並繪製港口的實時三維圖，從而表明當前海水中存在什麼化學物質以及位於什麼地方。這項技術的開發將增加港口管理部門監視船舶污染、其他類型有害污染物和來自水下管道排放污染物質的靈活性和適應性。除了有益於歐盟港口的監視操作外，這個項目還能帶來機器人技術、化分析、水下通訊和機器人智慧型的重要進步。

基本介紹

• 中文名：機器魚
• 外文名：Robotic fish
• 實質：材料製作的外形像魚的機器
• 設備：有化學感測器
• 作用：監視船舶污染

機器魚-簡介

整個魚分為三部分：頭部（包括魚鰭），身體，尾部；魚鰭只控制魚的向前遊動，而身體是魚的主要部分，控制電路及電機和相關驅動電路都在其中，尾部可以分為兩部分，都是進行左右擺動，這兩部分都是通過電機控制的連桿來控制的。在魚頭部裝有兩個魚須，它代表兩個簡易的接近感測器，魚須外覆橡膠套進行絕緣，以防止水導電，內部裸露，在內部的須中裝有一個外套環，給這個同樣裸線套環上加上高電平，當魚在規定的水域中遊動時，若魚須碰到障礙物，內部的須線便接觸到外套環，此時魚須上也為高電平，便可以利用這個信號給主控單片一個中斷。另外，整個魚密封設計，利用高彈性的橡膠製作魚的外皮。電源部分能夠自動感知電源的不足，及時報警，由於採用外部密封，所以必須使電源能夠充電，而不必經常的更換電池，只需在魚體上加上外接電源插頭就可以了。這些需要一些相關輔助電路.我們做的只是近似魚的行為模擬，若進行其他的設計，可以在上面加一些其他的感測器件，也可以把它設計成有線控制，這樣對魚的控制更加直接。

機器魚

工作模式

遊動原理

機器魚唯一的動力來自尾巴。這片尾巴，由後部伸出的一隻機械臂帶動。機械臂由大臂和小臂組成，位置有點像尺骨與橈骨。它們分別接到兩隻電機上，做不同運動。儘管構造簡單，合起來就可能構成複雜的動作。你可以想像一隻拿著扇子的手———肘關節也可以扭動，腕關節也可以扭動。

機器魚模仿的是魚或海豚的動作。魚和海豚尾巴的划水動作看似簡單，其實需要專門的仿生學研究其軌跡，得出相應的算法，好指揮機械尾巴運動，做到儘量平滑。細看這條尾巴，既不同於鮪魚等海魚尾巴的形狀，也不同於一般淡水魚的尾巴。據介紹，這是通過多次試驗比較最佳化的形狀，其划動效率最高。

具體可以分為三種：

a. Anguilliform：（鰻狀的）通過整體身軀肌肉的波動來遊動，像鰻魚一樣

b. Carangiform：通過尾鰭和與尾部相連的身軀擺動來遊動，像鮭魚，鮪魚，旗魚

c. Ostraciifrom：只通過尾鰭的擺動而不利用身體擺動而進行泳動 而從魚的遊動所依靠的生理部位和推進原理來說，可以分為兩大類為BCF類和MPF類，BCF(body and/or caudal fin），這類魚主要依靠身體和尾部的擺動來遊動，MPF(median and/or paired fin），這類魚依靠身體中部的腹鰭來遊動。以下所採用的機器魚類模型便是BCF類，是一種基本的魚類模型，依靠身體的後半部分和尾鰭進行擺動而遊動。

仿生原理

所製作的機器魚把魚的身體的後部和尾鰭分為兩個關節，利用兩個電機進行控制。整個魚體可以分為四大塊，分別是：感知區，行為區，動作區，還有學習指令區。感知區對應著實際套用的感測器，動作區代表帶動魚體動作的電機，拉桿和齒輪，行為區是用來控制電機的實際電路。而學習指令區是魚的大腦，代表控制程式，這裡也就是主控制晶片（本項採用MC68HC908MR8）。

控制原理

機器魚無論是靠身體擺動還是魚鰭的擺動，都需要人為的控制。這個控制部分代表魚形機器人的大腦和核心。本項採用無線控制，可以把控制器如單片機放在機器魚內部，同時通過遙控器對單片機進行簡單的控制。無線電發射台傳輸正確的信號，機器人內部由一個無線電接受裝置，接受到信號以後，向各個子系統發出控制信號，所以該機器人能按規定的指令執行動作。

機器魚-優點

如原地或小場地遊動，極好的遊動機動性和水中懸停性能以及遊動費用低廉，它將舉升、懸停和推進功能集於一撲翼系統，可以用很小的能量進行長距離遊動，因此更適合在長時間無能源補充及遠距離條件下執行任務。

1）高效性

魚類遊動的推進效率高達90%以上，這使得魚類能夠在力量有限、能量消耗相對較少的情況下達到相當的速度並具有持久的耐力，而當前螺旋槳船舶的推進總效率不超過60%。

2）機動性

主要表現在兩點：加速特性和轉向特性。魚類運動不像當前的螺旋槳推進方式，推進與轉彎分離，魚類通過胸鰭和尾鰭有機配合，實現推進與轉彎的有機統一，但在當前的螺旋槳推進方式下的艦艇在高速行駛時需要很大的轉向半徑。

3）低噪性

螺旋槳在高速旋轉時會產生過多不需要的紊流、非定常的渦流和熱量，還會伴隨產生大量的空泡噪音、擾動噪音。而魚類的遊動方式擺動頻率低、柔性好，能最大限度地降低其它不必要的能量損失，充分利用並控制渦流，不產生漩渦尾跡，有利於隱身和突防，具有重要的軍事價值。

研究撲翼就必須從飛行生物進化的撲翼獲得仿生靈感，其飛行能力和技巧的多樣性多半來源於他們翅膀的多樣性和微妙複雜的翅膀運動模式。

使用價值

機器魚項目將使用到高級群集智慧型技術，從而有效控制和協調群組的機器魚，並適合於在港口環境中快速作出改變。任何一條魚發現污染後，會把污染點位置的GPS詳細資訊傳送給其他魚。

機器魚安裝有自主導航裝置，可以讓它們在不需要人為控制的情況下在港口周圍遊動。在使用8小時後，即電池電量變低時，它們會自動游回充電站充電。在它們游回的時候，會同時將水質數據通過無線區域網路傳送給研究人員。如果試驗進行良好，那么機器魚就可用來監測世界各地河流、湖泊和海洋的污染。

它們會一直對污染物進行監視。當某一條魚發現某種物質後，會向其他同伴傳送信息，然後它們會聚集在發現物質的區域來共同探測。”