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仿生机器海豚
一、项目概述
北京大学力学与工程科学系智能控制实验室、北京大学系统与控制研究中心结合仿生学在海豚推进机理、减阻机制和人机交互方面的成果,将仿生技术、流体动力学理论、控制技术、智能信息处理技术等综合到一起,针对仿生机器海豚的推进机理和运动控制开展研究,开发研制具备初步人机交互功能的机器海豚实验平台。强调外形仿生和运动仿生,研究海豚典型的背腹式摆动和鳍肢运动机理。运用控制技术、水动力学和机器人学理论,解决机器海豚推进机构设计、外观设计、控制体系结构、运动控制及系统集成等理论与技术中的关键问题。通过理论研究、系统开发到应用实践几个层面的工作,一方面为研究机器海豚的推进机理、减阻机制提供一个实验平台,并且为探索集高效性、机动性、灵活性和隐形性于一体的AUV技术提供必要的理论和技术基础;另一方面为开发具有高技术展示度、面向市场的宠物海豚或多海豚协调系统提供技术储备。
机器海豚作为一个多学科交叉问题,其理论和技术上的突破,将会获得一批创新性研究成果。一方面,基于实际仿生系统的海豚推进机理研究将有助于理解和揭示海豚高性能游动的奥秘、减阻机制和人机交互方式;另一方面,机器海豚作为一种新型的仿生机电系统,与普通水下推进器相比,具有良好的机动性、灵活性、隐蔽性和高效率,在危险、狭窄、复杂的水下环境中的监测、侦探、救捞和维修中具有良好的应用前景。同时,机器海豚具有比机器鱼更优的运动性能和智能,具有更高的科技含量和展示度,在水族馆、科技馆的科普和娱乐中有着良好的市场前景。
二、应用范围及应用前景
新的机器人技术正越来越多地应用于玩具制造业及科普教育。目前国内外市场上还没有可自主导航并进行人机交互的机器海豚样机。通过外观设计和包装,可制成宠物海豚上市;如将机器海豚实验系统引入科技馆,通过集成人机交互(如语音、视觉及表情),让机器海豚成为一种集多种高科技于一身的展品;还可以用于实验室研究仿生学、控制理论、人工智能、力学、信息处理等的教学、实验平台。
三、技术优势和技术水平
由于海豚独特的运动机理、减阻机制、声纳探测和人机交互背后蕴含着深刻的生物学和流体力学机理,涉及生理学、解剖学和力学等多门学科,在运动机理研究方面具有相当的难度。作为生物推进机理和工程技术的结合点,机器海豚是包含水动力学控制和机器人技术的多学科问题。基于北京大学系统与控制研究中心在机器人动力学、机器鱼开发、运动控制、多机器人协调协作、人工智能和分布式仿真系统等方面的研究工作,结合仿生学、力学、材料科学、自控理论、机械、电子、传感、通讯等学科的新发展,研制模仿海豚身体结构和运动机能的机器海豚有可能变为现实。机器海豚的外观、大小及功能可由用户定制,利用智能算法可实现自主导航,逼真地复现海豚的背腹式运动及鳍肢划水动作。
在国际上,由于机器海豚开发研制的诸多困难,针对机器海豚的理论和技术研究尚处于起步阶段。虽然有过相关的技术探索,但国内外尚未成功实现机器海豚的复杂运动(如背腹式运动、如乘浪、翻滚、腾跃等),而仿生机器海豚的研制开发有可能填补这一空白。目前,仿生机器海豚已申请国家发明专利。
四、项目所处阶段
机器海豚项目进展顺利,在机器海豚仿生外观设计、海豚运动机理、仿生推进机构和二自由度鳍肢机构设计方面积累了大量研发经验,推出了两代样机:PKU-dolphin I和PKU-dolphi