仿生水黽機(jī)器人劃水動(dòng)力學(xué)建模及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、仿生水黽機(jī)器人的研究,不僅將機(jī)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(xué)科交叉性和前沿性,因此將極大地推動(dòng)微型機(jī)器人的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新理論、界面流體力學(xué)和超疏水材料的研制等相關(guān)領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)的研究進(jìn)展。盡管仿生水黽機(jī)器人目前的研究仍處在實(shí)驗(yàn)室階段,但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,仿生水黽機(jī)器人不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、隱蔽性好、機(jī)動(dòng)性高,而且能耗低、易于遠(yuǎn)程控制,這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)將使仿水黽機(jī)器人在軍事偵察、災(zāi)后救援、水域環(huán)境監(jiān)測(cè)以及復(fù)雜管道的監(jiān)測(cè)和修

2、復(fù)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
　　仿生水黽機(jī)器人領(lǐng)域的研究方向主要有兩個(gè):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(jī)理的水上行走機(jī)器人的研究。目前,國(guó)內(nèi)外的研究人員在仿生水黽機(jī)器人樣機(jī)的研制和結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面取得了重大進(jìn)展,但是對(duì)水黽劃水時(shí)的受力分析仍集中在支撐腿的靜力分析階段。本文將對(duì)仿生水黽機(jī)器人的劃水狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模,對(duì)驅(qū)動(dòng)腿進(jìn)行劃水時(shí)的受力和支撐腿的穩(wěn)定性進(jìn)行理論分析,并基于ADAMS對(duì)仿生水黽機(jī)器人劃水模型進(jìn)行

3、了仿真分析,最后研制了新型樣機(jī)并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)相關(guān)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。
　　首先,以界面流體力學(xué)為理論基礎(chǔ),從動(dòng)量變化的角度針對(duì)水黽機(jī)器人驅(qū)動(dòng)腿的劃水進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模,分析了水黽機(jī)器人驅(qū)動(dòng)腿受力與劃水速度的定量關(guān)系,并推導(dǎo)了水黽機(jī)器人一個(gè)劃水行程軀干獲得的沖量的計(jì)算方法。
　　其次,對(duì)水黽機(jī)器人劃水時(shí)的支撐穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,探究了水黽機(jī)器人劃水時(shí)支撐腿沉沒(méi)的兩個(gè)臨界條件,并對(duì)不同截面形狀的支撐腿所具有的支撐穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比。此外,

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