仿水黽機(jī)器人特性的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、水黽是一種體型小、運(yùn)動速度快、機(jī)動性好的水生昆蟲，依靠表面張力在水面上停留，以劃槳的方式在水面上滑行并且不刺破水面。水黽在水面上運(yùn)動的靈活性、高效率和對環(huán)境擾動小的特點(diǎn)引起機(jī)器人研究者的濃厚興趣，仿水黽機(jī)器人在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、管道檢測等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。然而仿水黽機(jī)器人的承載力、運(yùn)動速度在很大程度上限制了它的實(shí)際應(yīng)用。針對這一現(xiàn)狀，本文在生物原型水黽的靜態(tài)和運(yùn)動特性研究基礎(chǔ)上，開展張力型仿水黽機(jī)器人和浮力型仿水黽機(jī)器人特性的理

2、論和實(shí)驗(yàn)研究工作，主要研究內(nèi)容如下：
　　 1．考慮水黽依靠表面張力在水面上停留的特性，利用掃描電鏡拍攝水黽身體表面特征，研究水黽腿的超疏水特性；考慮水黽在水面上的快速滑行和跳躍的活動機(jī)能，利用高速攝像機(jī)拍攝水黽的運(yùn)動錄像，通過解析軟件進(jìn)行分析，研究水黽的平直滑行運(yùn)動、側(cè)直滑行運(yùn)動、拐彎滑行運(yùn)動和跳躍運(yùn)動時的水黽各腿與身體軸線夾角變化、水黽重心與體軸變化、水黽中腿劃水軌跡等，為仿水黽機(jī)器人設(shè)計提供依據(jù)。
　　 2．在研究

3、水黽的水面停留特性和滑行運(yùn)動特性基礎(chǔ)上，開展利用表面張力在水面停留的張力型仿水黽機(jī)器人研究。建立機(jī)器人橢圓形支撐腿壓水的水面形狀方程和支撐腿在水中的受力計算表達(dá)式，分析支撐腿材料的接觸角和支撐腿的尺寸參數(shù)變化對支撐腿承載力的影響；以理論分析為依據(jù)確定機(jī)器人支撐腿的尺寸、選擇實(shí)現(xiàn)仿水黽軌跡的劃水腿驅(qū)動機(jī)構(gòu)方案，制作一款張力型仿水黽機(jī)器人并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析；制作具有超疏水特性的仿生機(jī)器人支撐腿和經(jīng)過不同表面處理后的具有不同疏水性的支撐腿，通過

4、實(shí)驗(yàn)分析機(jī)器人腿的疏水性變化對機(jī)器人承載力的影響。
　　 3．考慮仿水黽機(jī)器人的負(fù)載能力，開展利用浮力在水面停留的浮力型仿水黽機(jī)器人研究。研究機(jī)器人在水面行走時水與機(jī)器人之間的相互作用力，根據(jù)流體力學(xué)理論建立支撐腿和劃水板的阻力計算表達(dá)式，分析表達(dá)式中影響機(jī)器人水面運(yùn)動速度的參數(shù)，利用FLUENT軟件分析變化參數(shù)后的幾種支撐腿和劃水板阻力特性，進(jìn)行支撐腿和劃水板的形狀優(yōu)化設(shè)計，以降低機(jī)器人運(yùn)動阻力、提高機(jī)器人推進(jìn)力，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)