仿鞭毛菌游動的微型機器人運動特性研究.pdf

1、微型游動機器人的結構尺寸微小、器件精密，能夠進入到人類和宏觀機器人所不及的狹窄空間進行微細操作，應用前景十分廣闊。自然界中微生物在低雷諾數(shù)液體環(huán)境下的運動為微型游動機器人的研發(fā)注入了靈感，對鞭毛菌等單細胞生物的運動形式及機理的研究與仿生設計成為熱點。本文以仿鞭毛菌游動的微型機器人為研究對象，運用理論分析、數(shù)值仿真以及實驗測量等研究手段對其仿生機理及運動特性進行了研究。
　　本文首先對螺旋推進式機器人的仿生原理——鞭毛游動機理的理論

2、基礎進行了分析，比較了三種應用最為廣泛的鞭毛推進理論，即細長體理論、抗力理論以及邊界元理論。比較結果表明：邊界元理論適用范圍最廣，精度最高；細長體理論適用于細長型鞭毛推進計算，計算精度較高；抗力理論計算最為簡單，適用于精度要求不高的場合。
　　針對鞭毛游動的近壁效應，建立了鞭毛菌的近壁運動動力學模型，通過與實驗數(shù)據進行對比分析，驗證了該模型的有效性。在此基礎上，對螺旋尾的幾何和運動學參數(shù)與近壁運動速度之間的關系進行了探討，為仿生游

3、動機器人的運動控制提供了參考依據。
　　其后，基于計算流體力學，利用CFD分析軟件Fluent對課題組研制的仿鞭毛菌游動的微型機器人的運動特性進行了仿真研究，分析了螺旋尾結構參數(shù)、液體環(huán)境參數(shù)以及螺旋尾轉速對機器人直行速度的影響。
　　最后，搭建了基于視覺的游動機器人實驗測量系統(tǒng)，并建立了基于運動圖像序列的機器人運動學參數(shù)測量方法。利用實驗平臺和測量方法，分別對螺旋尾結構參數(shù)、液體環(huán)境參數(shù)以及螺旋尾運動學參數(shù)對機器人直行速度