仿生水上行走机器人研究

论文摘要

仿生水上行走机器人是指主要靠水表面张力浮于水面,能够在水上自由运动,并且帮助人类完成一定任务的微型机器人,其仿生原型为水黾、水蜘蛛等水上昆虫。仿生水上行走机器人研究是一个综合仿生学、微机电系统、纳米材料以及表面化学等学科的交叉前沿课题,目前仍处于起步阶段,被卡内基梅隆大学的Metin Sitti教授称为“是对微型机器人研究的极限挑战”。未来仿生水上行走机器人的应用涉及水质监测、水上侦查、水上救援等领域。因此,仿生水上行走机器人的研究,不仅具有重要的科学意义,而且在民用和军事上具有非常广阔的应用前景。论文主要从表面界面角度对水黾的漂浮机理进行研究,推导仿生水上行走机器人负载能力计算方法,从流体力学角度对水黾等水上昆虫进行运动受力分析,基于螺旋副原理研制无线遥控螺旋驱动式实验样机,并对其负载能力、运动情况以及稳定性进行研究分析。首先,建立了单支撑腿和多支撑腿并列两种模型,并推导这两种模型的浮力计算方法。在此基础上,分析接触角与支撑腿截面半径对浮力的影响。最后,通过实验对所推导的理论进行验证分析,为仿生水上行走机器人负载能力计算提供参考。其次,建立了插板模型,通过分析插板模型所产生的凹槽轮廓,推导凹槽排出的水的体积力的计算方法。并在此基础上,分析水黾、水蜘蛛在水表面滑动时腿部的受力情况,为仿生水上行走机器人运动受力分析提供参考。最后,基于论文推导的支撑腿浮力计算理论以及驱动腿运动受力分析方法,研制了无线遥控螺旋驱动式仿生水上行走机器人实验样机,并分析了实验样机的负载能力、驱动能力以及稳定性,最后对实验样机进行了实验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 仿生水上行走机器人的研究现状
• 1.2.1 仿生原型生物漂浮机理
• 1.2.2 仿生原型生物运动机理
• 1.2.3 支撑腿浮力计算
• 1.2.4 仿生水上行走机器人实验样机概况
• 1.3 仿生水上行走机器人研究的关键问题
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 仿生水上行走机器人支撑腿浮力计算
• 2.1 引言
• 2.2 单支撑腿浮力计算
• 2.2.1 水-空气交界面的二维轮廓模型
• 2.2.2 圆形截面支撑腿浮力计算
• 2.2.3 接触角对支撑腿受力影响分析
• 2.2.4 横截面半径对支撑腿受力影响分析
• 2.3 多支撑腿并列浮力计算
• 2.4 细长圆柱体形支撑腿浮力实验
• 2.4.1 实验原理方法概述
• 2.4.2 单支撑腿凹槽轮廓实验
• 2.4.3 支撑腿表面接触角测量实验
• 2.4.4 单支撑腿浮力实验
• 2.4.5 多支撑腿浮力实验
• 2.5 本章小结
• 第3章 仿生原型生物摆动腿运动受力分析
• 3.1 引言
• 3.2 插板模型建立与受力分析
• 3.3 细长圆柱体形腿在水面上摆动受力分析
• 3.4 水黾水面运动腿部受力分析
• 3.5 水蜘蛛水上运动腿部受力分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 仿生水上行走机器人实验样机研制与实验
• 4.1 引言
• 4.2 实验样机驱动方式选择
• 4.3 螺旋驱动方式可行性实验
• 4.4 无线螺旋驱动式实验样机系统设计
• 4.4.1 实验样机整体设计
• 4.4.2 实验样机机械系统设计
• 4.4.3 实验样机驱动控制电路设计
• 4.5 无线螺旋驱动式实验样机力学分析
• 4.5.1 实验样机负载能力计算分析
• 4.5.2 实验样机动力学计算分析
• 4.6 基于ADAMS 的实验样机的稳定性分析
• 4.6.1 实验样机置于水面时稳定性分析
• 4.6.2 螺旋驱动腿工作时实验样机的稳定性分析
• 4.7 仿生水上行走机器人实验样机实验
• 4.7.1 实验样机支撑腿负载能力实验
• 4.7.2 实验样机运动速度测量实验
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢