基于表面張力的仿水黽機(jī)器人研究.pdf

1、人類主要生活在陸地上，對海洋、湖泊等水域環(huán)境認(rèn)識能力有限，水上行走機(jī)器人能夠拓展人類活動范圍，推進(jìn)人們對未知水域的探索。微型化、群控化是機(jī)器人研究的一個重要方向，相比船、機(jī)器魚等傳統(tǒng)水上裝置，微型仿水黽機(jī)器人具有體積小、重量輕、低能耗、低噪音、低成本、活動范圍廣等優(yōu)點，群體作業(yè)可以執(zhí)行水質(zhì)監(jiān)測、水上偵查、水上搜索與救援等任務(wù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，仿水黽機(jī)器人涉及仿生學(xué)、MEMS、先進(jìn)材料、機(jī)器人學(xué)以及流體力學(xué)等學(xué)科，一些關(guān)鍵技術(shù)觸

2、及相關(guān)領(lǐng)域最前沿，因此相關(guān)研究的開展能夠同時推動多門學(xué)科技術(shù)的共同發(fā)展，具有重要的科學(xué)意義。
　　水黽獨特的身體構(gòu)型與運動方式賦予其靈活、快速、高效的水面運動能力，具有很高的合理性和科學(xué)性。本文從水黽水面運動生物學(xué)機(jī)理出發(fā)，探討了表面張力驅(qū)動的生物學(xué)原理，深入分析了超疏水材料潤濕特性以及機(jī)器人水-空氣界面運動與水之間相互作用，在此基礎(chǔ)上研制了一款新型表面張力驅(qū)動微型仿水黽機(jī)器人。
　　首先，基于尺度效應(yīng)及流體力學(xué)無量綱數(shù)，定

3、性分析了水黽水面運動的主導(dǎo)作用力，充分認(rèn)識了水黽水面漂浮與運動的生物學(xué)原理，以及表面張力作用機(jī)理，明確了本次仿生的基本思想及依據(jù)。
　　基于潤濕理論與最小界面自由能原理，從移動三相接觸線角度出發(fā)，分別建立了超疏水材料接觸角滯后模型以及水壓引起的超疏水性失效模型，并借助實驗及分子動力學(xué)模擬進(jìn)行了驗證，在此基礎(chǔ)上對本文制備的銅基底仿水黽超疏水材料相應(yīng)潤濕特性進(jìn)行了分析，為仿水黽機(jī)器人水面運動負(fù)載能力計算、穩(wěn)定性分析以及劃水頻率的制定提

4、供依據(jù)。
　　提出了并排多細(xì)長圓柱體與水面接觸相互作用模型，分析掌握了圓柱體表接觸角、截面半徑以及相對位置等因素對圓柱體-水相互作用影響規(guī)律，用于機(jī)器人支撐系統(tǒng)設(shè)計及負(fù)載能力分析；分別建立了機(jī)器人腿平行水面劃水運動受力模型以及刺破水面臨界條件分析模型，提出了一個無量綱數(shù)用于刺破水面判定，為仿水黽機(jī)器人水面運動動力學(xué)分析奠定理論基礎(chǔ)。
　　基于水黽生物學(xué)機(jī)理，明確了仿水黽機(jī)器人研制的基本原則；提出了一種新型凸輪連桿驅(qū)動機(jī)構(gòu)用于

5、模仿水黽中腿空間類橢圓形軌跡劃水動作；基于并排多細(xì)長圓柱體與水面接觸相互作用模型，設(shè)計了機(jī)器人支撐系統(tǒng)并進(jìn)行了水面負(fù)載能力計算分析。
　　基于細(xì)長圓柱體與水面接觸相互作用分析，提出了仿水黽機(jī)器人水面運動穩(wěn)定性分析模型，定義了一種類質(zhì)量-彈簧-阻尼模型用于描述機(jī)器人與水之間相互作用，分析了驅(qū)動腿沖擊水面及安裝位置對機(jī)器人水面運動穩(wěn)定性影響規(guī)律；建立了機(jī)器人水面運動動力學(xué)模型，并借助ADAMS進(jìn)行了仿真分析。
　　最后，研制機(jī)器