仿鞭毛菌游動的微型機(jī)器人運(yùn)動特性研究.pdf

1、微型游動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸微小、器件精密，能夠進(jìn)入到人類和宏觀機(jī)器人所不及的狹窄空間進(jìn)行微細(xì)操作，應(yīng)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(yùn)動為微型游動機(jī)器人的研發(fā)注入了靈感，對鞭毛菌等單細(xì)胞生物的運(yùn)動形式及機(jī)理的研究與仿生設(shè)計成為熱點(diǎn)。本文以仿鞭毛菌游動的微型機(jī)器人為研究對象，運(yùn)用理論分析、數(shù)值仿真以及實(shí)驗(yàn)測量等研究手段對其仿生機(jī)理及運(yùn)動特性進(jìn)行了研究。
　　本文首先對螺旋推進(jìn)式機(jī)器人的仿生原理——鞭毛游動機(jī)理的理論

2、基礎(chǔ)進(jìn)行了分析，比較了三種應(yīng)用最為廣泛的鞭毛推進(jìn)理論，即細(xì)長體理論、抗力理論以及邊界元理論。比較結(jié)果表明：邊界元理論適用范圍最廣，精度最高；細(xì)長體理論適用于細(xì)長型鞭毛推進(jìn)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(yīng)，建立了鞭毛菌的近壁運(yùn)動動力學(xué)模型，通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了該模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，對螺旋尾的幾何和運(yùn)動學(xué)參數(shù)與近壁運(yùn)動速度之間的關(guān)系進(jìn)行了探討，為仿生游

3、動機(jī)器人的運(yùn)動控制提供了參考依據(jù)。
　　其后，基于計算流體力學(xué)，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(jī)器人的運(yùn)動特性進(jìn)行了仿真研究，分析了螺旋尾結(jié)構(gòu)參數(shù)、液體環(huán)境參數(shù)以及螺旋尾轉(zhuǎn)速對機(jī)器人直行速度的影響。
　　最后，搭建了基于視覺的游動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)，并建立了基于運(yùn)動圖像序列的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)參數(shù)測量方法。利用實(shí)驗(yàn)平臺和測量方法，分別對螺旋尾結(jié)構(gòu)參數(shù)、液體環(huán)境參數(shù)以及螺旋尾運(yùn)動學(xué)參數(shù)對機(jī)器人直行速度