仿鞭毛菌游動(dòng)的微型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性研究.pdf

1、微型游動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸微小、器件精密，能夠進(jìn)入到人類和宏觀機(jī)器人所不及的狹窄空間進(jìn)行微細(xì)操作，應(yīng)用前景十分廣闊。自然界中微生物在低雷諾數(shù)液體環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)為微型游動(dòng)機(jī)器人的研發(fā)注入了靈感，對(duì)鞭毛菌等單細(xì)胞生物的運(yùn)動(dòng)形式及機(jī)理的研究與仿生設(shè)計(jì)成為熱點(diǎn)。本文以仿鞭毛菌游動(dòng)的微型機(jī)器人為研究對(duì)象，運(yùn)用理論分析、數(shù)值仿真以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量等研究手段對(duì)其仿生機(jī)理及運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究。
　　本文首先對(duì)螺旋推進(jìn)式機(jī)器人的仿生原理——鞭毛游動(dòng)機(jī)理的理論

2、基礎(chǔ)進(jìn)行了分析，比較了三種應(yīng)用最為廣泛的鞭毛推進(jìn)理論，即細(xì)長(zhǎng)體理論、抗力理論以及邊界元理論。比較結(jié)果表明：邊界元理論適用范圍最廣，精度最高；細(xì)長(zhǎng)體理論適用于細(xì)長(zhǎng)型鞭毛推進(jìn)計(jì)算，計(jì)算精度較高；抗力理論計(jì)算最為簡(jiǎn)單，適用于精度要求不高的場(chǎng)合。
　　針對(duì)鞭毛游動(dòng)的近壁效應(yīng)，建立了鞭毛菌的近壁運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了該模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)螺旋尾的幾何和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)與近壁運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系進(jìn)行了探討，為仿生游

3、動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制提供了參考依據(jù)。
　　其后，基于計(jì)算流體力學(xué)，利用CFD分析軟件Fluent對(duì)課題組研制的仿鞭毛菌游動(dòng)的微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了仿真研究，分析了螺旋尾結(jié)構(gòu)參數(shù)、液體環(huán)境參數(shù)以及螺旋尾轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)器人直行速度的影響。
　　最后，搭建了基于視覺的游動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，并建立了基于運(yùn)動(dòng)圖像序列的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)測(cè)量方法。利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和測(cè)量方法，分別對(duì)螺旋尾結(jié)構(gòu)參數(shù)、液體環(huán)境參數(shù)以及螺旋尾運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)對(duì)機(jī)器人直行速度