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仿生水黾机器人的研究

作　者: 张明文
导　师: 赵杰
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 水黾仿生机器人疏水性运动分析支撑腿
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

仿生水黾机器人是基于水黾生物能够在水面上漂浮和滑行的基本原理,模仿水黾腿的疏水特性,能够实现在远程水域等环境独立自主作业。目前国内外对仿生水黾机器人的研究还停留在实验室阶段,要实现机器人在恶劣环境中独立作业的目标还有很多问题需要解决。因此,开展仿生水黾机器人的研究和设计,不仅具有重要的科学意义,而且将在军用和民用上具有非常广阔的应用前景。论文从静力学角度研究水黾腿的疏水特性,为新型疏水性金属支撑腿的研究提供理论基础,设计出具有疏水性的金属支撑腿,研制出新型仿生水黾机器人,并对其直线运动和转向运动的速度及稳定性进行分析。首先,针对水黾腿部结构,分析水黾腿的运动机理,从静力学角度研究水黾腿的疏水特性,推导疏水性材料的支撑力、拉脱力的理论公式,为疏水性金属支撑腿的设计提供理论依据,最后通过实验对水黾腿的疏水特性进行验证。研究材料的疏水性,采用新型超疏水性材料研制超疏水性金属支撑腿,基于疏水性理论对该金属支撑腿的疏水性进行分析。利用疏水性金属支撑腿制作实验样机,测试该支撑腿的负载能力。确定机器人的划水方式,设计驱动腿结构;设计机器人控制电路、主控制器、手持式控制,并研制仿生水黾机器人。利用流体力学理论对机器人直线运动和转向运动进行速度和稳定性进行分析最后,搭建实验平台,通过机器人在水面上的运动实验,测试机器人的负载能力、运动速度、运动稳定性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-16
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9-10
  1.2 仿生水黾机器人的研究现状  10-14
    1.2.1 仿生水黾机器人国内外研究现状  10-13
    1.2.2 仿生水黾机器人的类型  13-14
  1.3 仿生水黾机器人研究的关键问题  14-15
  1.4 本课题的主要研究内容  15-16
第2章水黾运动机理及疏水性能分析  16-33
  2.1 引言  16
  2.2 水黾腿部结构  16-18
    2.2.1 水黾的尺寸结构及腿关节  16-17
    2.2.2 水黾腿的表面结构  17-18
  2.3 水黾运动机理  18-19
    2.3.1 水黾漂浮状态分析  18
    2.3.2 水黾滑行状态分析  18-19
    2.3.3 水黾划水方式  19
  2.4 水黾腿的疏水特性研究  19-28
    2.4.1 Young氏方程和Cassie-Baxter方程  20-21
    2.4.2 水黾腿的表面张力及水面变形曲线  21-24
    2.4.3 水黾腿的支撑力  24-25
    2.4.4 水黾腿的拉脱力  25-27
    2.4.5 水黾腿的接触角  27-28
  2.5 水黾腿的疏水性实验  28-32
    2.5.1 实验概述  28-29
    2.5.2 实验结果  29-31
    2.5.3 实验结果分析  31-32
  2.6 本章小结  32-33
第3章超疏水性金属支撑腿设计与分析  33-44
  3.1 引言  33
  3.2 超疏水材料  33-35
    3.2.1 材料表面润湿性的定义及材料的分类  33-34
    3.2.2 超疏水材料的微观结构  34
    3.2.3 新型超疏水材料  34-35
  3.3 超疏水性支撑腿设计与分析  35-41
    3.3.1 支撑腿材料的选择  35-36
    3.3.2 支撑腿的接触角实验  36-37
    3.3.3 支撑腿的支撑力分析  37-38
    3.3.4 支撑腿的拉脱力分析  38-39
    3.3.5 支撑腿的变形分析  39-40
    3.3.6 支撑腿的结构设计  40-41
  3.4 支撑腿的负载能力实验  41-43
    3.4.1 实验概述  41-42
    3.4.2 实验结果  42
    3.4.3 实验结果分析  42-43
  3.5 本章小结  43-44
第4章仿生水黾机器人的研制及运动分析  44-63
  4.1 引言  44
  4.2 机器人机械设计  44-47
    4.2.1 驱动腿设计  44-46
    4.2.2 机器人整体设计  46-47
  4.3 机器人控制系统设计  47-52
    4.3.1 控制系统组成  47
    4.3.2 机器人控制电路  47-50
    4.3.3 主控制器  50-51
    4.3.4 手持式控制器  51-52
  4.4 仿生水黾机器人运动分析  52-62
    4.4.1 驱动腿的流场分析  52-53
    4.4.2 机器人直线运动分析  53-59
    4.4.3 机器人转向运动分析  59-62
  4.5 本章小结  62-63
第5章仿生水黾机器人实验  63-69
  5.1 引言  63
  5.2 仿生水黾机器人实验系统  63-64
  5.3 仿生水黾机器人实验  64-68
    5.3.1 串口通讯调试实验  64
    5.3.2 机器人负载能力测试  64-65
    5.3.3 机器人的直线运动实验  65-67
    5.3.4 机器人的转向运动实验  67-68
  5.4 本章小结  68-69
结论  69-70
参考文献  70-75
致谢  75

仿生水黾机器人的研究

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