仿生水黽水面跳躍機(jī)器人的研究.pdf_第1頁
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文檔簡(jiǎn)介

1、生物水黽能夠在水面自由靈活地運(yùn)動(dòng),相較于其他水面昆蟲更為輕盈的體態(tài)吸引了國(guó)際上眾多的學(xué)者,對(duì)它的研究已從疏水性材料展開,拓展到仿水黽機(jī)器人的研究。仿水黽水面滑行的機(jī)器人近年不斷出現(xiàn),但由于在水面跳躍過程中起跳及落回水面時(shí)刻對(duì)機(jī)器人支撐力要求比較高,而且對(duì)于動(dòng)態(tài)情況下界面流體受力,缺乏相應(yīng)的文獻(xiàn)著作提供完善的理論依據(jù)。這些因素造成跳躍機(jī)器人相關(guān)的研究少之又少。本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金“仿生水黽機(jī)器人水面行走動(dòng)力學(xué)研究”,針對(duì)仿生水黽水面跳

2、躍機(jī)器人及其相關(guān)領(lǐng)域展開研究。
  本文首先基于Young-Laplace方程對(duì)生物水黽進(jìn)行分析,對(duì)水黽圓柱形腿部進(jìn)行分析優(yōu)化,確定機(jī)器人選用矩形截面腿部材料。建立單支撐腿、多支撐腿及主動(dòng)腿在靜態(tài)、分離及落回水面過程中受力方程,并據(jù)此對(duì)比材料疏水性能、材料寬度、腿部間距等因素對(duì)獲得更大支撐力及克服更小拖拽力的影響。為后續(xù)機(jī)器人參數(shù)計(jì)算提供理論依據(jù)。其次,針對(duì)當(dāng)前仿生水黽機(jī)器人與水面分離運(yùn)動(dòng)的理論分析不完善,且缺少相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的情況

3、。基于杠桿原理設(shè)計(jì)了腿部受力測(cè)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)材料靜態(tài)情況下的性能測(cè)定,實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料與水面定速度變角度分離過程的實(shí)驗(yàn)測(cè)定。通過對(duì)不同角度分離過程的受力參數(shù)分析,獲得了分離角度對(duì)材料所受拖拽力的影響規(guī)律,為仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)、研制提供了實(shí)驗(yàn)參數(shù)。再次,從微觀角度對(duì)疏水性材料水面分離過程進(jìn)行分析,針對(duì)分離過程建立微觀模型,提出了不同角度下水滴與疏水性材料表面分離的分子動(dòng)力學(xué)模擬方法,統(tǒng)計(jì)分析了不同疏水性材料、分離速度、分離角度條件

4、下,水滴與材料分離過程受力變化規(guī)律,分情況統(tǒng)計(jì)模擬結(jié)果,從而得到了不同因素影響的分離過程受力變化,從微觀角度驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所測(cè)的材料與水面分離過程的規(guī)律。最后,基于不完全齒輪及彈簧結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了跳躍機(jī)器人原型,并利用Adams軟件進(jìn)行建模,通過Adams軟件,結(jié)合之前理論及實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)及機(jī)器人跳躍過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。改變機(jī)器人重心位置、材料疏水性能、腿部面積、彈簧剛度、跳躍傾角等參數(shù),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用3D打印技術(shù),制作跳躍機(jī)器人,并

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