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仿生水上行走机器人研究

张新彬  
【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。


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