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構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創(chuàng)新理論、界面流體力學和超疏水材料的研制等相關領域基礎科學的研究進展。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構簡單、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、復等領域有廣泛的應用前景。
　　仿生水黽機器人領域的研究方向主要有兩個:基于水黽腿部微納米剛毛結構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,國內外的研究人員在仿生水黽機器人樣機的研制和結構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理論分析進行驗證。
　　首先,以界面流體力學為理論基礎,從動量變化的角度針對水黽機器人驅動腿的劃水進行了動力學建模,分析了水黽機器人驅動腿受力與劃水速度的定量關系,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,將水黽機器人驅動腿劃水的理論計算模型與ADAMS虛擬樣機技術結合,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