Jump to content

Рыба-робот

Робот-рыба Джессико в павильоне Франции на Всемирной выставке 2012 в Йосу

Рыба -робот — это тип бионического робота , который имеет форму и движение живой рыбы . Большинство рыб-роботов созданы для имитации живых рыб, которые используют движение хвостового плавника (BCF) , и их можно разделить на три категории: односуставные (SJ), многосуставные (MJ) и интеллектуальных материалов «мягкие тела» на основе . дизайн.

С тех пор, как Массачусетский технологический институт впервые опубликовал исследование по ним в 1989 году, о рыбах-роботах было опубликовано более 400 статей. Согласно этим отчетам, было построено около 40 различных типов рыб-роботов, из которых 30 конструкций способны только переворачиваться и дрейфовать в воде. Наиболее важными частями исследования и разработки рыб-роботов являются совершенствование их управления и навигации, позволяющее им взаимодействовать и «общаться» с окружающей средой, что дает им возможность путешествовать по определенному пути и реагировать на команды, чтобы совершать свои действия. плавники» лоскут. [1] [2] [3]

Базовая биомиметическая роботизированная рыба состоит из трех частей: обтекаемой головы, тела и хвоста.

  • Головка часто изготавливается из жесткого пластика (например, стекловолокна ) и содержит все блоки управления, включая модуль беспроводной связи, батареи и процессор сигналов.
  • Корпус может состоять из нескольких сочлененных сегментов, соединенных серводвигателями . Серводвигатели контролируют угол поворота шарнира. В некоторых моделях грудные плавники закреплены по обеим сторонам тела для обеспечения устойчивости в воде.
  • Колеблющийся хвостовой (хвостовой) плавник, соединенный шарнирами и приводимый в движение двигателем, обеспечивает движущую силу . [4]

Вдохновение для дизайна

[ редактировать ]
Передвижение угря и рыбы

Инженеры часто фокусируются на функциональном дизайне. Например, дизайнеры пытаются создать роботов с гибкими телами (как у настоящей рыбы), способными совершать волнообразные движения. Этот тип тела позволяет рыбе-роботу плавать так же, как плавают живые рыбы, которые могут адаптироваться и обрабатывать сложную окружающую среду. Первая рыба-робот (RoboTuna от MIT) была разработана для имитации структуры и динамических свойств тунца. В попытке получить силу тяги и маневрирования системы управления рыбами-роботами способны управлять телом и хвостовым плавником, придавая им волнообразные движения. [5] [6]

Чтобы контролировать и анализировать движение роботизированной рыбы, исследователи изучают форму, динамическую модель и боковые движения роботизированного хвоста. Одна из многих форм хвоста, встречающихся у рыб-роботов, имеет форму полумесяца или полумесяца. Некоторые исследования показывают, что такая форма хвоста увеличивает скорость плавания и создает высокоэффективную рыбу-робота.

Задний хвост создает силу тяги, что делает его одной из важнейших частей рыбы-робота. У живых рыб есть мощные мышцы, которые могут генерировать боковые движения для передвижения, в то время как голова остается в относительно неподвижном состоянии. Таким образом, исследователи сосредоточились на кинематике хвоста при разработке движения рыбы-робота. [7]

Теория стройного тела часто используется при изучении движения рыб-роботов. Средняя скорость работы боковых движений равна сумме средней скорости работы, необходимой для создания средней тяги, и скорости потери кинетической энергии боковых движений жидкости. Среднюю тягу можно полностью рассчитать по смещению и скорости плавания задней кромки хвостового плавника. [8] Эта простая формула используется при расчете передвижения как робота, так и живой рыбы.

Реалистичные двигательные системы могут помочь улучшить автономное маневрирование и повысить качество передвижения. Разнообразный вариант плавников можно использовать при создании рыб-роботов для достижения этой цели. Включив грудные плавники, рыбы-роботы могут выполнять векторизацию силы и выполнять сложные плавательные движения вместо того, чтобы плавать только вперед. [9]

Контроль

[ редактировать ]
Многосуставная роботизированная рыба

Формы и размеры плавников у живых рыб сильно различаются, но все они помогают достичь высокого уровня движения в воде. Чтобы рыба-робот могла достичь такого же быстрого и маневренного движения, рыбе-роботу необходимо несколько управляющих поверхностей. Пропульсивные характеристики связаны с положением, подвижностью и гидродинамическими характеристиками рулей. [10]

Ключом к управлению многосуставной роботизированной рыбой является создание упрощенного механизма, способного обеспечить разумный уровень контроля. Дизайнерам следует учитывать некоторые важные факторы, включая боковые движения тела, кинематические и анатомические данные. Когда дизайнеры имитируют рыбу-робота типа BCF, волновая волна тела рыбы-робота, основанная на звеньях, должна обеспечивать движения, аналогичные движениям живой рыбы. Этот вид управления плаванием на основе объемных волн должен быть дискретным и параметризованным для конкретной плавательной походки. Обеспечить стабильность походки при плавании может быть сложно, а плавный переход между двумя разными походками может оказаться затруднительным для рыб-роботов. [11]

Центральная нейронная система, известная как « Центральный генератор шаблонов » (CPG), может управлять многозвенным передвижением рыб-роботов. ЦПГ расположен в каждом сегменте и может соединять и стимулировать сокращение или растяжение мышц. Головной мозг, самая передняя часть мозга у позвоночных, может контролировать входные сигналы для запуска, остановки и поворота. После того, как системы формируют устойчивое движение, сигнал от головного мозга прекращается, и CPG могут создавать и модулировать паттерны движения. [ нужна ссылка ]

Подобно тому, как нейронные сети играют роль в живых рыбах, они используются для управления рыбами-роботами. В проектировании бионических нейронных сетей есть несколько ключевых моментов. Во-первых, бионический пропеллер использует один серводвигатель для приведения в движение сустава, в то время как у рыбы в каждом суставе имеется по две группы мышц. Проектировщики могут реализовать по одному CPG в каждом сегменте для управления соответствующим соединением. Во-вторых, дискретная вычислительная модель стимулирует непрерывные биологические ткани. Наконец, время задержки связи между нейронами определяет межсегментарную фазовую задержку. Функция времени задержки в вычислительной модели необходима. [12]

Использование

[ редактировать ]

Изучаем поведение рыб

[ редактировать ]

Достижение последовательного ответа является сложной задачей в исследованиях поведения животных , когда живые стимулы используются в качестве независимых переменных. Чтобы решить эту проблему, роботов можно использовать в качестве постоянных стимулов для проверки гипотез, избегая при этом обучения и использования крупных животных. Управляемые машины можно заставить «выглядеть, звучать или даже пахнуть» как животные. Мы можем лучше воспринимать поведение животных, обратившись к использованию роботов вместо живых животных, поскольку роботы могут производить устойчивую реакцию в виде набора повторяющихся действий. Более того, благодаря различным полевым применениям и большей степени независимости роботы обещают помочь в поведенческих исследованиях в дикой природе. [13] [ самостоятельно опубликованный источник? ]

Простая рыба-робот, состоящая из гибкого вязкоупругого тела.

Игрушечные роботы-рыбы — самые распространенные игрушки-роботы на рынке. чаще всего они используются для развлечения, хотя некоторые используются для исследований. Конструкция этих игрушек проста и недорога. Их обычно делят на две категории: автоматические круизные роботы-рыбы и роботы-рыбы с управляемым движением. Самые простые состоят из мягкого тела (МД), мотора (хвоста) и головы (основного электрического элемента управления). Они используют батарею, чтобы обеспечить электроэнергию для двигателя, обеспечивающего движение, и используют системы дистанционного управления для достижения мощности рулевого управления. Напротив, сложность игрушек и роботов-рыб с целью исследования практически одинакова. Они не только полностью автоматизированы, но и могут имитировать поведение рыб. Например, если вы поместите в воду посторонний предмет с рыбой-роботом, она будет совершать движения, аналогичные движениям настоящей рыбы. Он отойдет от постороннего предмета и скорость плавания увеличится. Она демонстрирует состояние шока и растерянности по отношению к постороннему объекту, как и настоящая рыба. Рыбы-роботы заранее фиксируют такой тип поведения. [14]

Применение на АНПА

[ редактировать ]

Военная оборона и защита морской среды вызывают растущую озабоченность в области исследований. Поскольку миссии усложняются, возникает необходимость в высокопроизводительных автономных подводных аппаратах (АНПА). АНПА требуют быстрого движения и многонаправленной маневренности. Роботизированные рыбы более компетентны, чем нынешние АНПА, приводимые в движение движением, потому что рыба представляет собой образец биологических АНПА. Как и живые рыбы, рыбы-роботы могут действовать в сложных условиях. Они могут не только проводить подводные исследования и открывать новые виды, но также спасать и создавать подводные объекты. При работе в опасных условиях роботы-рыбы демонстрируют более высокую производительность по сравнению с другими машинами. Например, в коралловой зоне мягкие рыбы-роботы лучше справляются с окружающей средой. В отличие от существующих AUV, которые не являются гибкими, рыбы-роботы могут получать доступ к узким пещерам и туннелям. [15] [16]

Образование

[ редактировать ]

Помимо огромного исследовательского потенциала, роботизированные рыбы также демонстрируют множество возможностей для привлечения студентов и широкой общественности. Биороботы ценны и эффективны и могут привлечь студентов к различным областям науки, техники, инженерии и математики. Роботизированные рыбы использовались в качестве вспомогательных образовательных инструментов во всем мире. Например, тысячи молодых людей были привлечены роботами, похожими на карпов, во время недавней выставки в Лондонском аквариуме. Ученые и другие исследователи представляли различные виды рыб-роботов на многих информационных программах, включая первый и второй фестивали науки и техники в США в 2010 и 2012 годах соответственно. На этих мероприятиях посетителям была предоставлена ​​возможность не только увидеть роботизированную рыбу в действии, но и пообщаться с сотрудниками лаборатории, чтобы понять технологию и ее применение. [17]

«Чарли», робот-сом, созданный ЦРУ.
  • В 1990-х годах Управление передовых технологий ЦРУ построило робота-сома по имени «Чарли» в рамках исследования возможности создания беспилотных подводных аппаратов . Робот был разработан для сбора подводной разведки и проб воды, оставаясь при этом незамеченным, и управлялся с помощью беспроводной радиотелефонной трубки прямой видимости. [18]
  • RoboTuna — это роботизированная рыба , имеющая форму и функции настоящего тунца, которая была спроектирована и построена командой ученых Массачусетского технологического института (MIT). Он имеет сложную систему тросов и шкивов из нержавеющей стали, которые действуют как мышцы и сухожилия. Внешняя часть состоит из гибкого слоя пены, покрытой лайкрой, эластичным полиуретановым волокном, имитирующим гибкость и гладкость кожи тунца. Управляется шестью мощными серводвигателями по две лошадиных силы каждый. Он может регулировать свои движения в режиме реального времени благодаря датчикам силы, расположенным по бокам ребер, которые обеспечивают непрерывную обратную связь с роботом. [19]
  • Робот Пайк — первая в мире свободно плавающая рыба-робот, разработанная и построенная командой ученых Массачусетского технологического института. Он контролируется вмешательством человека. Сложная компьютерная система интерпретирует команды и передает сигналы каждому двигателю рыбы-робота. Он имеет кожу из силиконовой резины и подпружиненный экзоскелет из стекловолокна, который делает рыбу-робота гибкой. В воде он может ускоряться со скоростью от восьми до двенадцати м/с, но не может избежать препятствий, поскольку не оснащен датчиками. [20]
  • Роботизированная рыба «Эссекс» была создана учеными из Университета Эссекса. Он может плавать автономно, как настоящая рыба, и достигать различных типов перемещения. Он имеет четыре компьютера, пять двигателей и более десяти датчиков, расположенных в разных местах тела. Он может плавать вокруг аквариума и избегать объектов, а также может адаптироваться к неопределенным и непредсказуемым стимулам в окружающей среде. Он предназначен для широкого спектра применений, включая исследование морского дна, обнаружение утечек в нефтепроводах, исследование морской жизни и шпионаж. [21]
  • Джессико — подводный робот, созданный французской стартап-компанией Robotswim. Ее длина всего 22 см, что делает ее одной из самых маленьких рыб-роботов в мире. Им очень легко управлять, он может двигаться назад, менять цвет и имитировать поведение живой рыбы. Благодаря этим функциям он может делиться эмоциями и даже взаимодействовать с людьми. Он демонстрирует искусственный интеллект и потенциальное использование средств связи, что дает ему возможность плавать с более чем десятью рыбами, создавать захватывающую хореографию и световые эффекты, используя плавники для навигации по воде. Оно продемонстрировало, что маленькая рыба-робот может плавать автономно часами. [22]
  • Робот-рыба SPC-03 был разработан Китайской академией наук (CASIA). Он может плавать на расстоянии 1,23 метра от управляющего источника в воде. Он устойчив, имеет мельчайшую конструкцию и управляется техническими специалистами удаленно. Он может работать от 2 до 3 часов под водой на максимальной скорости 4 км/ч. Рыба может снимать и передавать фотографии, выполнять картографирование подводных фондов и транспортировать небольшие предметы. [23]
  • Робот-кои был спроектирован и разработан компанией Ryomei Engineering из Хиросимы, Япония. Его рост 80 сантиметров, вес 12 кг, управление осуществляется дистанционно. Робот-кои можно использовать для изучения концентрации кислорода в воде с помощью датчиков, расположенных на его рту. Он может собирать информацию о других видах окружающей среды, плавая среди них и сообщая о здоровье рыб. Оснащенный камерой, он может фиксировать ресурсы, находящиеся на глубине воды. Его также можно использовать для обследования повреждений мостов и нефтяных платформ под водой. [24]
Робот-рыба: iSplash -II
  • В 2014 году iSplash -II был разработан аспирантом Ричардом Джеймсом Клэпхэмом и профессором Хуошэн Ху из Университета Эссекса. Это была первая роботизированная рыба, способная превзойти настоящую карангиформную рыбу, рыбу, которая слегка двигает головой, но создает значительную амплитуду движений в направлении хвоста, с точки зрения средней максимальной скорости (измеренной в длине тела в секунду) и выносливости. [25] iSplash -II достиг скорости плавания 11,6BL/с (т.е. 3,7 м/с). [26] Первая сборка, iSplash плавательные движения во всю длину тела -I (2014 г.), была первой роботизированной платформой, которая применяла караангиобразные , что, как было обнаружено, увеличивало скорость плавания на 27% по сравнению с традиционным подходом с ограниченной задней формой волны. [27]
  1. ^ Ю, Цзюньчжи; Тан, Мин (2015). «Проектирование и управление многосуставной роботизированной рыбой». В Ду, Руксу; Ли, Чжэн; Юсеф-Туми, Камаль; Вальдивия и Альварадо, Пабло (ред.). Рыбы-роботы: подводные роботы, похожие на рыб, созданные на основе биотехнологий . Спрингерские трактаты по машиностроению. стр. 93–117. дои : 10.1007/978-3-662-46870-8_4 . ISBN  978-3-662-46869-2 .
  2. ^ Ю, Цзюньчжи; Ван, Чен; Се, Гуанмин (2016). «Координация использования нескольких роботов-рыб с их применением в соревнованиях подводных роботов» . Транзакции IEEE по промышленной электронике . 63 (2): 1280–8. дои : 10.1109/TIE.2015.2425359 . S2CID   31599369 .
  3. ^ Нгуен, Фи Луан; Ли, Бён Рён; Ан, Кён Кван (2016). «Анализ тяги и скорости плавания робота-рыбы с неоднородным гибким хвостом». Журнал бионической инженерии . 13 : 73–83. дои : 10.1016/S1672-6529(14)60161-X . S2CID   110144051 .
  4. ^ Чжан, Дайбин; Ху, Дьюэн; Шен, Линчэн; Се, Хайбин (2008). «Разработка искусственной бионической нейронной сети для управления передвижением рыбы-робота». Нейрокомпьютинг . 71 (4–6): 648–54. doi : 10.1016/j.neucom.2007.09.007 .
  5. ^ Ван, Тяньмяо; Вэнь, Ли; Лян, Цзяньхун; Ву, Гуаньхао (2010). «Нечеткое управление завихрением биомиметической роботизированной рыбы с использованием хлопающего полулунного хвоста». Журнал бионической инженерии . 7 : 56–65. дои : 10.1016/S1672-6529(09)60183-9 . S2CID   135741678 .
  6. ^ Бутайл, Сачит; Полверино, Джованни; Фамдуй, Пол; Дель Сетте, Фаусто; Порфири, Маурицио (2014). «Влияние размера, конфигурации и активности косяка роботов на поведение рыбок данио в среде свободного плавания». Поведенческие исследования мозга . 275 : 269–80. дои : 10.1016/j.bbr.2014.09.015 . ПМИД   25239605 . S2CID   20755024 .
  7. ^ Нгуен, Фи Луан; До, Ван Фу; Ли, Бён Рён (2013). «Динамическое моделирование неоднородного гибкого хвоста роботизированной рыбы». Журнал бионической инженерии . 10 (2): 201–209. дои : 10.1016/S1672-6529(13)60216-4 . S2CID   137685845 .
  8. ^ Нгуен, Фи Луан; Ли, Бён Рён; Ан, Кён Кван (2016). «Анализ тяги и скорости плавания рыборобота с неоднородным гибким хвостом». Журнал бионической инженерии . 1 : 73–83. дои : 10.1016/S1672-6529(14)60161-X . S2CID   110144051 .
  9. ^ Равалли, Андреа; Росси, Клаудио; Маррацца, Джованна (2017). «Биологический робот-рыба на основе химических датчиков». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 239 : 325–9. дои : 10.1016/j.snb.2016.08.030 .
  10. ^ Сиддалл, Р; Ковач, М (2014). «Запуск AquaMAV: биоинспирированный дизайн воздушно-водных роботизированных платформ». Биоинспирация и биомиметика . 9 (3): 031001. Бибкод : 2014BiBi....9c1001S . дои : 10.1088/1748-3182/9/3/031001 . hdl : 10044/1/19963 . ПМИД   24615533 . S2CID   21175991 .
  11. ^ Нгуен, Фи Луан; До, Ван Фу; Ли, Бён Рён (2013). «Динамическое моделирование и эксперимент робота-рыбы с гибким хвостовым плавником». Журнал бионической инженерии . 10 :39–45. дои : 10.1016/S1672-6529(13)60197-3 . S2CID   109405322 .
  12. ^ Чжан, Дайбин. «Разработка искусственной бионической нейронной сети для управления передвижением рыбы-робота» . ДокСлайд .
  13. ^ «РобоТуна» . 11 сентября 2009 г.
  14. ^ https://www.youtube.com/watch?v=31E8ywyUCrw [ нужна полная цитата ]
  15. ^ Лю, Цзиндун; Ху, Хуошэн (2010). «Биологическое вдохновение: от карангиформной рыбы к многосуставной роботизированной рыбе». Журнал бионической инженерии . 7 : 35–48. CiteSeerX   10.1.1.193.4282 . дои : 10.1016/S1672-6529(09)60184-0 . S2CID   11802468 .
  16. ^ Вэнь, Л; Ван, ТМ; Ву, Г.Х.; Лян, Дж. Х. (2012). «Гидродинамическое исследование самоходной роботизированной рыбы на основе метода управления с силовой обратной связью». Биоинспирация и биомиметика . 7 (3): 036012. Бибкод : 2012BiBi....7c6012W . дои : 10.1088/1748-3182/7/3/036012 . ПМИД   22556135 . S2CID   6565585 .
  17. ^ Ван, Цзяньсюнь (2014). Роботизированные рыбы: разработка, моделирование и применение для мобильного зондирования (кандидатская диссертация). Мичиганский государственный университет. OCLC   921153799 .
  18. ^ «Чарли: Робот-рыба ЦРУ — Центральное разведывательное управление» . www.cia.gov . Архивировано из оригинала 16 августа 2013 года . Проверено 12 декабря 2016 г.
  19. ^ «Архивная копия» . Архивировано из оригинала 29 ноября 2016 г. Проверено 12 декабря 2016 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) [ нужна полная цитата ]
  20. ^ http://www.robotic-fish.net/index.php?lang=en&id=robots#top [ нужна полная цитата ]
  21. ^ http://www.computerweekly.com/news/2240086124/University-of-Essex-robotic-fish-enter-IET-awards [ нужна полная цитата ]
  22. ^ http://www.robotswim.com/index.php?id=jessiko&id2=projet&lan=en [ нужна полная цитата ]
  23. ^ Чоудхури, Абхра Рой (2014). Моделирование и управление биоинспирированным роботизированным подводным аппаратом-рыбой. Подводные роботы нового поколения (кандидатская диссертация). [ постоянная мертвая ссылка ]
  24. ^ https://www.telegraph.co.uk/technology/3345303/Robot-koi-carp-designed-to-get-up-close-and-Friendly-with-real-fish.html [ нужна полная цитата ]
  25. ^ «Высокоскоростная роботизированная рыба | iSplash» . isplash-робот . Проверено 7 января 2017 г.
  26. ^ «iSplash-II: реализация быстрого гуглеобразного плавания, позволяющая превзойти настоящую рыбу» (PDF) . Группа робототехники в Университете Эссекса. Архивировано из оригинала (PDF) 30 сентября 2015 г. Проверено 29 сентября 2015 г.
  27. ^ «iSplash-I: высокоэффективное плавательное движение карангообразной роботизированной рыбы с координацией всего тела» (PDF) . Группа робототехники в Университете Эссекса. Архивировано из оригинала (PDF) 30 сентября 2015 г. Проверено 29 сентября 2015 г.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: a6af4bc5bae20c2c1e4e4123874b6d13__1703640900
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/a6/13/a6af4bc5bae20c2c1e4e4123874b6d13.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Robot fish - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)