仿生水黽機器人劃水動力學建模及實驗研究.pdf

1、仿生水黽機器人的研究,不僅將機器人的工作空間從已知結(jié)構(gòu)空間拓展到未知空間,而且由于該研究方向的多學科交叉性和前沿性,因此將極大地推動微型機器人的機構(gòu)創(chuàng)新理論、界面流體力學和超疏水材料的研制等相關(guān)領(lǐng)域基礎(chǔ)科學的研究進展。盡管仿生水黽機器人目前的研究仍處在實驗室階段,但是從長遠來看,仿生水黽機器人不僅結(jié)構(gòu)簡單、隱蔽性好、機動性高,而且能耗低、易于遠程控制,這些獨特的優(yōu)勢將使仿水黽機器人在軍事偵察、災后救援、水域環(huán)境監(jiān)測以及復雜管道的監(jiān)測和修

2、復等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
　　仿生水黽機器人領(lǐng)域的研究方向主要有兩個:基于水黽腿部微納米剛毛結(jié)構(gòu)的超疏水性研究和基于水黽劃水機理的水上行走機器人的研究。目前,國內(nèi)外的研究人員在仿生水黽機器人樣機的研制和結(jié)構(gòu)改進方面取得了重大進展,但是對水黽劃水時的受力分析仍集中在支撐腿的靜力分析階段。本文將對仿生水黽機器人的劃水狀態(tài)進行動力學建模,對驅(qū)動腿進行劃水時的受力和支撐腿的穩(wěn)定性進行理論分析,并基于ADAMS對仿生水黽機器人劃水模型進行

3、了仿真分析,最后研制了新型樣機并通過實驗對相關(guān)理論分析進行驗證。
　　首先,以界面流體力學為理論基礎(chǔ),從動量變化的角度針對水黽機器人驅(qū)動腿的劃水進行了動力學建模,分析了水黽機器人驅(qū)動腿受力與劃水速度的定量關(guān)系,并推導了水黽機器人一個劃水行程軀干獲得的沖量的計算方法。
　　其次,對水黽機器人劃水時的支撐穩(wěn)定性進行了分析,探究了水黽機器人劃水時支撐腿沉沒的兩個臨界條件,并對不同截面形狀的支撐腿所具有的支撐穩(wěn)定性進行了對比。此外,

4、考慮材料彈性變形的影響,分析了驅(qū)動腿半徑、長度以及材料疏水性對支撐穩(wěn)定性的影響。
　　再次,將水黽機器人驅(qū)動腿劃水的理論計算模型與ADAMS虛擬樣機技術(shù)結(jié)合,建立了水黽機器人的虛擬樣機,實現(xiàn)了對水黽機器人劃水的動力學仿真,結(jié)果表明本文對水黽機器人劃水動力學建模是合理的。此外,基于簡化的質(zhì)量-彈簧-阻尼模型,完成了對水黽機器人支撐穩(wěn)定性的仿真分析。
　　最后,基于生物水黽驅(qū)動腿擺動劃水的機理,研制新型的仿生水黽機器人樣機,并利