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基于表面张力的仿水黾机器人研究

张新彬  
【摘要】:人类主要生活在陆地上,对海洋、湖泊等水域环境认识能力有限,水上行走机器人能够拓展人类活动范围,推进人们对未知水域的探索。微型化、群控化是机器人研究的一个重要方向,相比船、机器鱼等传统水上装置,微型仿水黾机器人具有体积小、重量轻、低能耗、低噪音、低成本、活动范围广等优点,群体作业可以执行水质监测、水上侦查、水上搜索与救援等任务,具有广阔的应用前景。此外,仿水黾机器人涉及仿生学、MEMS、先进材料、机器人学以及流体力学等学科,一些关键技术触及相关领域最前沿,因此相关研究的开展能够同时推动多门学科技术的共同发展,具有重要的科学意义。水黾独特的身体构型与运动方式赋予其灵活、快速、高效的水面运动能力,具有很高的合理性和科学性。本文从水黾水面运动生物学机理出发,探讨了表面张力驱动的生物学原理,深入分析了超疏水材料润湿特性以及机器人水-空气界面运动与水之间相互作用,在此基础上研制了一款新型表面张力驱动微型仿水黾机器人。首先,基于尺度效应及流体力学无量纲数,定性分析了水黾水面运动的主导作用力,充分认识了水黾水面漂浮与运动的生物学原理,以及表面张力作用机理,明确了本次仿生的基本思想及依据。基于润湿理论与最小界面自由能原理,从移动三相接触线角度出发,分别建立了超疏水材料接触角滞后模型以及水压引起的超疏水性失效模型,并借助实验及分子动力学模拟进行了验证,在此基础上对本文制备的铜基底仿水黾超疏水材料相应润湿特性进行了分析,为仿水黾机器人水面运动负载能力计算、稳定性分析以及划水频率的制定提供依据。提出了并排多细长圆柱体与水面接触相互作用模型,分析掌握了圆柱体表接触角、截面半径以及相对位置等因素对圆柱体-水相互作用影响规律,用于机器人支撑系统设计及负载能力分析;分别建立了机器人腿平行水面划水运动受力模型以及刺破水面临界条件分析模型,提出了一个无量纲数用于刺破水面判定,为仿水黾机器人水面运动动力学分析奠定理论基础。基于水黾生物学机理,明确了仿水黾机器人研制的基本原则;提出了一种新型凸轮连杆驱动机构用于模仿水黾中腿空间类椭圆形轨迹划水动作;基于并排多细长圆柱体与水面接触相互作用模型,设计了机器人支撑系统并进行了水面负载能力计算分析。基于细长圆柱体与水面接触相互作用分析,提出了仿水黾机器人水面运动稳定性分析模型,定义了一种类质量-弹簧-阻尼模型用于描述机器人与水之间相互作用,分析了驱动腿冲击水面及安装位置对机器人水面运动稳定性影响规律;建立了机器人水面运动动力学模型,并借助ADAMS进行了仿真分析。最后,研制机器人试验样机并进行实验,观察了驱动腿划水动作及轨迹,测试了不同划水频率、不同划水步态下机器人水面运动能力,并与仿真结果进行了对比分析,验证了动力学模型及仿真方法的有效性;通过对比其它仿水黾机器人,从稳定性和能耗两个方面讨论了本机器人驱动腿采用的仿水黾划水方式的优点;借助表面张力相关两个流体力学无量纲数对机器人与水黾进行了水面运动动力相似性分析,讨论了本次仿生的效果。


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