仿生学大作业 马爱静

仿蝌蚪游动微型机器人的研究

姓名：马爱静

学院：能源与动力学院

专业：车辆工程专业

学号：SX1102010

（一）立项依据与研究内容（4000-8000 字）：

1、项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）

20世纪60年代初诞生的仿生学(Bionics)，是生物科学和工程技术相结合的一门边缘学科。通过学习，模仿．复制和再造生物系统的结构，功能，工作原理及控制机制，来改进现有的或创造新的机械，仪器，建筑和工艺过程。现代仿生学已经延伸到很多领域，机器人学是其主要的结合和应用领域之一，可归纳为机器人的结构仿生，材料仿生，功能仿生，控带十仿生以及群体仿生五个方面。目前，国内外根据仿生学原理已经研制出了很多微型机器人，其中对液体中游动微型机器人的研究异常活跃。根据游动微型机器人驱动元件采用的材料来分，可以分为以下几类：压电材料元件驱动游动机器人、形状记忆合金(SMA)驱动游动机器人、超磁致伸缩材料驱动振动式游动机器人、应用IPMC(又称ICPF)高分子驱动器的游动机器人、铁磁橡胶(FMP)驱动游动机器人、PAMPS凝胶驱动游动机器人、应用IEM．Pt高分子驱动器的游动机器人等。

液体中运动装置可采用螺旋浆和游动方式。传统螺旋浆推进器具有能源效率低。结构尺寸和重量大，对环境扰动大，噪音大，可靠性差，起动、加速性能差以及运动灵活性能差等缺点。而利用智能性材料构成的仿鱼类微型游动推进装置，不仅具有鱼类运动高效率、无噪音等优点，并且还使其小型化、微型化成为可能。因此，如何结合鱼类游动理论，探索在“微”的条件下游动微机器人运动机理成为值得研究的重点。游动方式有利于运动装置的小型化、微型化，所以采用游动方式。这样，在“微”的条件下的游动微型机器入运动机理的研究就是必要的。水下微型机器人采用仿生型的一体化结构，游动的动力来自致动器在谐振状态下与液体的相互作用，这样微型机器入可以做得很小，并且可以在液体中运动。初步实验证明，如果致动器本身较柔软，谐振频率较低，则微型机器人能在液体中游动。游动微型机器人的一个重要研究内容就是其致动技术。在“微”的条件下，游动微型机器人的机械结构既受到运动机理的约束，同时也影响到游动微机器人的性能、控制方法、以及进一步小型化、微型化的可能性。目前，对游动微型机器人的致动技术的研究有两个方面：一是进一步深入研究微机构理论，且与鱼类游动理论相结合，以实现游动微机器人结构最优设计；其次是用不同的物理效应形成不同的致动方式。

在游动微型机器人中应用较多的致动方式有电磁致动、静电致动、压电致动、形状记忆合金致动、热致动等，此外，如超导致动、凝胶等高分子致动、直接光驱动、超声波致动等也有研究。试验新材料、建立游动微型机器人的动力学方程，解决其控制问题物体进入“微观范畴”，物体所受的诸多因素的作用已发生了变化，一些主要因素的作用变成不主要，而一些次要因素却起了主要作用。因此，综合考虑微机器人的材料、结构、形状进行研究，制作一些不同材料、不同结构、不同形状的微机器人，进行实验、测试。最后，进行分析综合、修改并确认微流体力学中的一些主要规律及一些因素，建立液体中微机器人的动力学方程，优化结构设计，解决其控制问题。当微型机器人的尺寸缩小到一定范围内，许多物理现象和宏观世界相比有很大差别。力的尺寸效应和表面效应在微观领域可能其主要作用。在微小尺寸领域，与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力(P)作用相对减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力(L2)、表面张力(L1)、静电力(Lo)等的作用相对增大。表面力与体积力相比成为主导作用的力，这也是MEMS中常以静电力、表面张力作为驱动力的原因。与重力相比，摩擦力的影响比普通机械要大。因此，要对微流体力学进行深入研究，以建立水下微型机器人的动力方程，优化结构设计，解决其控制问题。

游动方式有利于运动装置的小型化、微型化，所以采用游动方式。这样，在“微”的条件

下的游动微型机器入运动机理的研究就是必要的。水下微型机器人采用仿生型的一体化结构，游动的动力来自致动器在谐振状态下与液体的相互作用，这样微型机器入可以做得很小，并且可以在液体中运动。初步实验证明，如游动微型机器人的一个重要研究内容就是其致动技术。在“微”的条件下，游动微型机器人的机械结构既受到运动机理的约束，同时也影响到游动微机器人的性能、控制方法、以及进一步小型化、微型化的可能性。目前，对游动微型机器人的致动技术的研究有两个方面：一是进一步深入研究微机构理论，且与鱼类游动理论相结合，以实现游动微机器人结构最优设计；其次是用不同的物理效应形成不同的致动方式。目前在游动微型机器人中应用较多的致动方式有电磁致动、静电致动、压电致动、形状记忆合金致动、热致动等，此外，如超导致动、凝胶等高分子致动、直接光驱动、超声波致动等也有研究。从微型机器人的发展过程来看，每前进一步，都和微机械电子技术，超精密加工技术的发展以及和以功能材料，智能材料为基础的微型驱动器的研制开发成果是密切相关的。

昆虫微电子机械系统(简称微机械)作为二十世纪末新型前沿学科，发展十分迅猛，并开创了微电子学、微机构学、微摩擦学、微流体力学、微细加工技术等新的研究领域。目前微电子机械系统已广泛应用于生物医学，航天、军事、工业和农业等方面，并导致了人类认识能力和改造世界能力的重大突破，从而给国民经济、人民生活和军事国防带来了深远的影响。它已成为以美国、日本、德国为代表的许多发达国家研究的热点。在微电子机械系统和新型功能材料的发展基础上，目前国内外已经研制出了多种微型机器人。微型机器人的发展给工业、医疗、卫生、生物等领域带来新希望。在工业和人们日常生活中，微型机器人给埋藏在地下的大量、无数的小口径输液管道的检测和维护提供了一种很好方式和手段。而且在医疗方面也得到广泛的应用。尤其是体内微型机器人，它已经成为举世瞩目的重大科技发展方向。人体内血液通过血管可以到达人体内部的任何地方。现在世界上已研制出为2 mm的微型内视镜，通过血管进行体内的一些局部治疗，但是这种微型内视镜在血管中的运动是靠人人体内血液通过血管可以到达人体内部的任何地方。现在世界上已研制出为2 mm的微型内视镜，通过血管进行体内的一些局部治疗，但是这种微型内视镜在血管中的运动是靠人手在体外施加推力来进行的，这会给患者带来很大的痛苦，也对进行手术的医生的技术水平提出更高的要求。人们设想通过血管机器入进行定点投药或作其它形式治疗，从而实现微创伤和无创伤手术或监测。因此，在对生物游动原理研究的基础上，我们提出了一种仿蝌蚪游动微型机人的驱动方式。该微型机器人结构简单，能量利用率高，转向控制和加速性能好，是一种无损伤驱动的游动微型机器人。

手在体外施加推力来进行的，这会给患者带来很大的痛苦，也对进行手术的医生的技术水平提出更高的要求。人们设想通过血管机器入进行定点投药或作其它形式治疗，从而实现微创伤和无创伤手术或监测。因此，在对生物游动原理研究的基础上，我们提出了一种仿蝌蚪游动微型机人的驱动方式。该微型机器人结构简单，能量利用率高，转向控制和加速性能好，是一种无损伤驱动的游动微型机器人。

微型机器人在医疗检测手术中的应用使得人们的要求正在或将要变成现实：①微型机器人可用于药物投放系统。为了实现无痛苦的诊疗系统，可以设想研制一种微型机器人，使之能够进人人体器官甚至血管中进行药物投放。该微型机器人由微型传感器、微型泵和贮药囊组成，供患者植人皮下或吞人胃中，根据微型传感器测得血液或胃液中某种浓度数据，自动泵出适当的药量，并且由数据的改变适时适量地输送药物。如果在微机器人上携带诊疗系统，则能够在体内进行组织采样和治疗等功能。目前，日本已经研制出一种具有趋光性的微型机器人，将导管插人患者的血管，微型机器人从导管中出来，在外科医生操纵下进行麻醉药注射或做手术修补血管。②微型机器人可用于推动医用内窥镜系统。传统的内窥镜采用人为插体内手术仪器的灵敏程度，因此开发高精度的微型传感器、体内照明系统和柔性的微机器人

将成为推动微刨外科手术进步的关键。近来，采用腹腔镜下进行胆囊切除手术，己引起人们的极大关注。基于微机电系统的微型机器人，通过导管进人人体腔内并可在脏器间或血管内移动，利用激光或微型手术设备进行体腔内手术，这样可以减少人体不必要的创伤，据目前的研究报道，已经有些科学家利用压电驱动、空气压驱动、形状记忆合金驱动、聚合物驱动、光热和光电驱动等形式驱动的微型机器人系统。

日本，美国，德国和法国等一些国家发达国家已经研制出了能够在微型管道中以及模拟人体肠道和血管内运行的微型体内机器人。

目前我国对面向细小管道的微型机器人和体内微型机器人的研究也取得了突破性进展，取得了一定可喜的成果。管道微型机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走，携有一种或多种传感器及操作器，在操作人员的遥控操作或计算机的自动控制下，能够进行一系列管道作业的机电仪一体化系统。由于受结构尺寸和作业空间的限制，微型机器人很难采用常规的驱动方式和驱动机构，因而，研究出新颖的驱动机构和相应的驱动器也就成为科学界迫在眉睫的事。管道微型机器人有着广泛的应用前景，目前大多数的管道机器人研究主要基于管道检测和维修这样一个应用背景。而管道微型机器人在医疗、生物工程、细小工业管道的检测和维修等方面的应用前景也日益显露出来。

在已经实现的管道机器人中按其行走方式可分为轮式、履带式、振动式、蠕动式等几种。从行走功能上可分为连续运动型和非连续运动型。连续运动型主要靠驱动轮或履带与管壁之间的附着力产生机器人向前运动的牵引力；而非连续运动型管道机器人包括蠕动式管内移动机器人、仿生型步进式直线驱动器等。

液体中运动装置可采用螺旋浆和游动方式。传统螺旋浆推进器具有能源效率低。结构尺寸和重量大，对环境扰动大，噪音大，可靠性差，起动、加速性能差以及运动灵活性能差等缺点。而利用智能性材料构成的仿鱼类微型游动推进装置，不仅具有鱼类运动高效率、无噪音等优点，并且还使其小型化、微型化成为可能。因此，如何结合鱼类游动理论，探索在“微”的条件下游动微机器人运动机理成为值得研究的重点。

下图是仿蝌蚪游动微型机器人驱动机构的示意图。它是一个具有头部和柔性尾鳍的摆动推进器，由微型电机、微型摆动机构和具有很好柔性的尾巴组成。其中微型电机、微型摆动机构安置在头部内。当接通微型电机时，微型摆动机构带动柔性尾鳍左右摆动击水，利用其产生的反作用力使微型机器人向前推进，通过控制微型电机的转速可以控制微型机器人的游动状态。因此，仿蝌蚪游动微型机器人的研究有着重要意义和价值，也为血管机器人的研究提供了基础。

下图1是微型机器人的实体形状示意图

图1 微型机器人的实体结构图

从微型机器人的发展过程来看，每前进一步，都和微机械电子技术，超精密加工技术的发

展以及和以功能材料，智能材料为基础的微型驱动器的研制开发成果是密切相关的。尽管目前已经提出了很多的游动微型机器人，但是诸如能源供给问题，通讯问题及自主控制问题都还没有从根本上解决，毫无疑问，如果说微小环境下，游动微型机器人面临着一场观念性变革的话，那么诸如能源供给问题，通讯问题，通过性问题及自主控制河匿才是对游动微型机器入的真正挑战。正如我们认识的那样，在常规机器人环境下面临的问题，在游动微型机器人环境下应该用不同的方法来解决；在常规机器人下环境下不是严重的问题但在游动微型机器人环境下却常常显得非常严重，而且还会遇到一些与想不到的新问题。

拟结合对微型机器人的发展现状、发展趋势以及研究内容的分析，提出一种仿蝌蚪游动微型机器人使其能够在液体中自由的游动；建立仿蝌蚪微型机器人的游动推进模型，确定微型机器人研究的可行性；根据仿生学的有关理论知识，基于蝌蚪的游动原理和规律提出了一种新的微型机器人，该微型机器人较好地复制蝌蚪的游动机制和功能，具有良好的机动性能和可控型。在微型管道(微型输油、液以及人体血管等)的监测和维护方面有着广泛的应用前景。

此研究内容涉及到微机电系统、计算机实时控制、信息处理、新材料等诸多学科领域。

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2、项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题。（此部分为重点阐述内容）

研究内容：

整个系统由游动微型机器人本体和其控制系统两部分组成。目前采用有线通讯方式。控制系统比较简单，包括PC机和控制器两部分。它们主要用来控制微型电机的转动频率，从而达到控制微型机器人尾部的摆动，进而实现直接控制微型机器人的游动状态的目的。其总体结构框图如图2

图2. 仿蝌蚪游动微型机器人总体结构框图

第一，根据目前有关鱼类游动理论研究和各种机械鱼的研究，充分利用现代设计理论和创新原理，本课题提出一种仿蝌蚪微型机器人。详细分析了该微型机器人的游动推进原理，同时设计了仿蝌蚪游动微型机器人游动推进机构装置的原理样机。

第二，建立了微型机器人游动推进的理论模型，并对该微型机器人的游动推进理论模型进行了理论分析和数值求解，从而确定微型机器人的游动速度、推进力和游动阻力等与微型机器人结构参数的关系。

第三，进行了仿蝌蚪游动微型机器人的实验研究，并对实验结果进行了详细的分析，同时讨论分析了影响微型机器人运行的各种重要因素。

第四，在分析蝌蚪游动机制的基础上，初步提出解决游动微型机器人的游动推进控制问题。研究目标：

a．根据蝌蚪的游动推进方式，提出一种仿蝌蚪游动微型机器人，使其能够在液体中自由的游动；

b．对该微型机器入进行理论分析，建立仿蝌蚪微型机器人的游动推进模型，确定微型机器人研究的可行性；

c．制造出该微型机器人的样机，使其能够实现预期的目的；

d．对该微型机器人样机做出实验研究，确定影响该微型机器人机动性能的各种因素以及微型机器人的结构优化参数；

e．根据蝌蚪游动控制机制，初步有效的解决机器人的控制问题。

拟解决的关键问题:

（1）可靠性问题游动微型机器人最终目标是要实现在生物医学以及工业输液管道等重要领域中应用，因此其可靠性显得尤为重要，从而要求微型机器人能够适应复杂的管内环境，并具备故障排除的能力，不能因为一些故障的产生而导致微型机器人的瘫痪。

（2）速度及位置识别问题

常规机器人一般采用与驱动轮联结的光电码盘形成闭环控制，并借助于CCD实现速度和位置的控制，目前微型机器人的速度及位移只能借助于外部激光干涉实验仪器和外部跟随装置间接实现，还远远没有实现速度及位置的自主识别。

（3）考虑需要研究适于液体中的智能传感器，实现测量、处理、通信、控制一体化目标，以使液体中游动微型机器人早日达到实用化阶段。

（4）微型机器人可靠性理论的控制与设计方法

（5）给出了仿蝌蚪游动微型机器人的游动参数，根据这些参数如何实现仿蝌蚪游动微型机器人的控制。

（6）如何实现微型机器人定位控制的研究方法和研究方向。

3、拟采取的研究方案及可行性分析。（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）

研究方案：

1．根据鱼类具有机动性、加速性能好以及能量利用效率高的特点，充分利用现代设计理论和创新原理，在目前有关游动理论研究和各种机械鱼的研究基础上，提出了一种新型的仿蝌蚪游动微型机器人。详细分析了该微型机器人的驱动原理，同时设计了游动微型机器人驱动机构。

2．在游动微型机器人的驱动机构上，进行游动微型机器人的实验研究，通过试验验证该微型机器人是否能很好的再现蝌蚪在液体中的快速平稳的游动机动性能和状态。

3．对本文提出的游动微型机器人进行了理论建模，并对该游动理论模型进行了理论分析和求解，得到了机器人尺寸参数和机动参数对机器人游动速度和游动推进力等游动状态的影响。

4．简单介绍目前机器人的相关控制理论和方法，提出了游动微型机器人的控制问题。在分析蝌蚪游动状态控制机制的基础上，绘出了相应的微型机器人控制理论和方法。通过控制微电动机的转动频率进而可以控制微型机器人的游动推进摆动频率，从而实现了其游动推进，转弯，急转等机动性能。

可行性分析：

通过实验研究和理论分析及求解验证：

①在微型机器人的尾部形状和结构尺寸一定的情况下，提高微型机器人的摆动频率，可增加微型机器人的游动推进速度和游动推进力。

②通过改变微型机器人的尾部形状和结构尺寸可以改变微型机器人的游动推进速度。在相同条件下，尾部采用矩形形状可以得到较大的推进速度。

③当尾部摆动频率一定时，微型机器人游动推进速度和游动推进力与其尾部摆幅在一定范围内成正比关系，随着摆幅的增大．游动推进速度和游动推进力也随之增大。

④微型机器人逆着液体流动方向游动方向推进过程中，随着液体流动速度的增大，微型机器人游动推进速度减小。

⑤微型机器人在液体中游动推进时，随着所处环境液体密度的增加，其游动推进速度逐渐增加；当液体粘度增加的影响超过液体密度的影响时，微型机器人的游动推进速度会有所减小。

⑥当微型机器人靠近壁面游动推进时，近壁效应使微型机器人的游动推进速度减小，游动推进稳定性提高。

⑦在摆动游动推进和波动游动推进两种游动推进方式下，微型机器人呈波动游动推进时具有较高的游动推进效率。

⑧若理论计算结果与实验测量结果吻合得较好，说明微型机器人理论模型的合理性和有效性。

4、本项目的特色与创新之处

（1）根据鱼类具有机动性、加速性能好以及能量利用效率高的特点，充分利用现代设计理论和创新原理，在目前有关游动理论研究和各种机械鱼的研究基础上，提出了一种新型的仿蝌蚪游动微型机器人。

（2）根据蝌蚪的转弯机制，我们设计了机器人的转弯控制。如果机器人要实现在垂直方向的转向，即所述的上浮和下潜前进，可以通过控制头部浮沉控制器的质量平衡小球的位置来控制机器人的偏重，从而使微型机器人在水平面内失去平衡，从而使其头部在垂直面内的向上或向下偏转，随着微型机器人的柔性尾部的摆动，机器人实现上浮或者下潜运动，控制微型机器人此时的摆动频率，即微电机的转动频率可以控制微型机器人的上浮或下潜运动速度。