3D打印智能機(jī)器人魚(yú)，用于水下探索

2018年8月29日，南極熊從外媒獲悉，來(lái)自土耳其菲拉特大學(xué)的一組工程研究人員正在使用仿生設(shè)計(jì)和3D打印來(lái)構(gòu)建智能機(jī)器人魚(yú)，用于實(shí)際的探索和測(cè)量任務(wù)。這些類型的機(jī)器人是水下探索，觀察和研究目的的首選，特別是在需要機(jī)動(dòng)性的情況下。

△3D打印機(jī)器魚(yú)原型

該團(tuán)隊(duì)發(fā)表了他們的論文，題為“Mechatronic Design and Manufacturing of the Intelligent Robotic Fish for Bio-Inspired Swimming Modes”，由Mustafa Ay，Deniz Korkmaz，Gonca Ozmen Koca，Cafer Bal，Zuhtu Hakan Akpolat和Mustafa Can撰寫(xiě)。

本文介紹了具有雙連桿推進(jìn)尾機(jī)構(gòu)的仿生Carangiform型自主機(jī)器魚(yú)原型（i-RoF）。對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程，采用多鏈接仿生方法，其使用真實(shí)鯉魚(yú)的物理特征作為其大小和結(jié)構(gòu)。根據(jù)游泳模式和鯉魚(yú)的尾部振蕩確定適當(dāng)?shù)捏w率。機(jī)器人魚(yú)的特征是在實(shí)驗(yàn)池中進(jìn)行前進(jìn)，轉(zhuǎn)彎，上下和自主游泳運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人魚(yú)擁有優(yōu)異的游泳性能。

“機(jī)器魚(yú)設(shè)計(jì)有兩種基本方法，”研究人員寫(xiě)道。 “首先是仿生設(shè)計(jì)，它具有一定的要求，如尾部的大小和關(guān)節(jié)數(shù)量，以提供身體行波，并能夠控制重心保持在一定深度。第二種設(shè)計(jì)方法使用只有魚(yú)的運(yùn)動(dòng)效果，但它并沒(méi)有真正受到真魚(yú)的啟發(fā)。“

機(jī)器魚(yú)的詳細(xì)機(jī)械配置

他們的機(jī)器魚(yú)模仿BCF型Carangiform游泳模式，其推進(jìn)尾翼機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人魚(yú)原型由五個(gè)基本部件組成，包括前剛性主體，雙連桿尾機(jī)構(gòu)，執(zhí)行中央模式發(fā)生器（CPG）模型的控制單元，前視單元和柔性尾鰭。前部剛性魚(yú)雷形主體設(shè)計(jì)用于容納電子設(shè)備，傳感器和重心（CoG）控制機(jī)構(gòu)。 CoG控制機(jī)制成功地提供了上下運(yùn)動(dòng)能力�；�于CPG的運(yùn)動(dòng)控制器適于產(chǎn)生健壯，平滑和有節(jié)奏的振蕩游泳模式。由高功率伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的尾部連桿和一個(gè)固定在腳蹬上的柔性尾鰭設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生原型的體波。這些鏈條以串聯(lián)鏈結(jié)構(gòu)的形式相互連接，產(chǎn)生游泳運(yùn)動(dòng)所需的推力。由于機(jī)器人魚(yú)在水中移動(dòng)時(shí)應(yīng)該能夠感知環(huán)境中的靜態(tài)和/或動(dòng)態(tài)障礙，因此該團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人魚(yú)的左側(cè)，右側(cè)和前方放置了三個(gè)夏普紅外距離傳感器。

第二尾鏈的詳細(xì)機(jī)械配置：未安裝和安裝的型號(hào)

機(jī)器人魚(yú)的3D模型是在SolidWorks中設(shè)計(jì)的。 然后在Voxelizer中將STL文件轉(zhuǎn)換為體素格式，其中配置了圖層，打印和支持點(diǎn)設(shè)置。 原型的每個(gè)部分都是用PLA線材3D打印的，柔性尾鰭是用模具硅膠制作的。 外尾鰭模具也采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。 所有部件都覆蓋有環(huán)氧樹(shù)脂，以防止可能從生產(chǎn)過(guò)程中形成的微孔泄漏。 在組裝階段之后，外表面覆蓋有合成涂料，以防止在組裝期間可能由毛細(xì)管裂縫引起的泄漏。

3D打印的尾鰭

機(jī)器魚(yú)原型長(zhǎng)約500毫米，寬76毫米，高215毫米。原型質(zhì)量約為3.1千克。

“在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中研究了用于三維運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器魚(yú)原型。在這些分析中，進(jìn)行了超過(guò)72個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)研究以獲得原型的特征，”研究人員解釋說(shuō)。 “為了測(cè)試安裝部件的密封性能，它們?cè)诔錆M水的測(cè)試池中運(yùn)行6小時(shí)。觀察到密封測(cè)試的成功�！�

在未來(lái)的工作中，將使用不同的控制結(jié)構(gòu)檢查原型的閉環(huán)控制性能，并在不同的水道中測(cè)試機(jī)器人的游泳性能。

這種機(jī)器魚(yú)設(shè)計(jì)為各種不同的海洋應(yīng)用提供了多種解決方案，例如水下資源檢查，污染測(cè)定，生物形態(tài)觀察，淹沒(méi)區(qū)域調(diào)查，電力或石油管道故障檢測(cè)，海岸線安全和軍事任務(wù)。

編譯自：3ders