柔性仿生机器鱼：高精密监视系统和人机环境设计

获奖等级：二等奖

设计者：夏期荣，冯新宇，李海昌

指导教师：董二宝

中国科学技术大学工程科学学院，合肥，230026

本项目设计了一种基于形状记忆合金人工肌肉驱动的柔体仿生机器鱼（图27）。该机器鱼的创新点有：①用形状记忆合金制成的人工肌肉驱动器取代常规的电机作为驱动单元，人工肌肉驱动器以鱼类的肌肉—骨骼—脊柱为仿生对象，重量轻，结构简单，且无噪声。②采用特殊的柔性材料制作机器鱼的鱼体，既不影响人工肌肉的正常工作，又使得鱼身的摆动与真实鱼类高度相似。

仿生机器鱼的研究意义在于可以让用户拥有一个属于自己的丰富多彩的未来鱼类水族馆，亲临鱼类行为现场感受其所运用的高科技知识和研制过程中的困难和成就。同时，该柔性仿生机器鱼具备高度合理的人机环境设计的特点，其高度精密的监视系统使其也可以充当未来家庭的安全保障。(www.xing528.com)

仿生机器鱼作为一个完整的机器人系统，由鱼体结构、电控系统和驱动模块三部分组成。电控系统又包括传感器单元、通信单元和电源系统。机器鱼的鱼体结构由3D打印材料和特殊柔性材料综合制作而成。它的驱动模块采用形状记忆合金制成的人工肌肉驱动器，使得机器鱼的游动行为与真实鱼类高度相似。电源系统采用了电磁感应式的无线充电技术。无线充电装置可放置于鱼缸某处，使机器鱼不用离开鱼缸也可完成充电。

机器鱼的鱼体内部配备了语音模块、无线Wi-Fi模块、摄像头、红外传感器和姿态传感器等多种不同功能的传感器，使其具备了人机交互、摄像监控、语音交流、自主避障和自身姿态调节的功能。用户可通过手机专用的APP命令机器鱼进行水下运动、拍照、放音乐等，机器鱼也会将其自身和周围的环境数据实时反馈给用户。

该柔性仿生机器鱼的制作分人工肌肉驱动器设计、机器鱼机械系统设计和控制系统设计三个方面。经过三个月的设计制作，我们完成了第一代和第二代仿生机器鱼，并对其进行了试验，验证了系统的可靠性和实用性。

图27　柔体仿生机器鱼