仿生水黽水面跳躍機器人的研究.pdf

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

2、躍機器人及其相關領域展開研究。
　　本文首先基于Young-Laplace方程對生物水黽進行分析，對水黽圓柱形腿部進行分析優(yōu)化，確定機器人選用矩形截面腿部材料。建立單支撐腿、多支撐腿及主動腿在靜態(tài)、分離及落回水面過程中受力方程，并據此對比材料疏水性能、材料寬度、腿部間距等因素對獲得更大支撐力及克服更小拖拽力的影響。為后續(xù)機器人參數計算提供理論依據。其次，針對當前仿生水黽機器人與水面分離運動的理論分析不完善，且缺少相應經驗參數的情況

3、?；诟軛U原理設計了腿部受力測定實驗平臺，實現了實驗平臺對材料靜態(tài)情況下的性能測定，實現了對材料與水面定速度變角度分離過程的實驗測定。通過對不同角度分離過程的受力參數分析，獲得了分離角度對材料所受拖拽力的影響規(guī)律，為仿生機器人的設計、研制提供了實驗參數。再次，從微觀角度對疏水性材料水面分離過程進行分析，針對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力學模擬方法，統(tǒng)計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)計模擬結果，從而得到了不同因素影響的分離過程受力變化，從微觀角度驗證了實驗平臺所測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構，設計了跳躍機器人原型，并利用Adams軟件進行建模，通過Adams軟件，結合之前理論及實驗參數對及機器人跳躍過程進行動力學仿真。改變機器人重心位置、材料疏水性能、腿部面積、彈簧剛度、跳躍傾角等參數，實現機器人優(yōu)化設計。采用3D打印技術，制作跳躍機器人，并