仿生水黾机器人划水动力学建模与实验分析

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1、哈尔滨工业大学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景及研究的目的和意义仿生学(Bionics)是20世纪60年代兴起的一门综合性交叉学科，它是指人类受到自然界生物系统构造和生命活动过程的启发，通过有选择的模仿复制和再造，从而在生产和生活中的相关领域实现技术创新[1,2]。近年来，随着生命科学和工程技术科学的飞速发展，仿生机器人作为机器人技术和仿生学相互融合而延伸出来的新兴研究方向，已经成为当前科学研究领域的热点。仿生机器人是一个包含机械、电气、光等各种元器件的综合机器人系统，不仅在运动机理和感知模式等方面体现了生物的

2、形态特征，而且能够在未知环境下准确而高效的完成特定的复杂任务，因此开展仿生机器人领域的研究，将使人类利用科技改造自然的能力得到极大的提高，给人类社会的发展带来巨大的经济效益[3,4]。水黾俗称“水蜘蛛”，是一种常见于河流和池塘表面的水生半翅目类昆虫，其腿部特有的微纳米刚毛结构使其具有超疏水性，能充分利用表面张力停留在水面上，并实现快速的滑行和跳跃。水黾由于其在水面卓越的运动性能而引起了国内外很多科学家的关注，受生物水黾运动机理的启发，众多高校和科研机构都开展了仿生水黾机器人的研究工作，这对水上行走机器人的研究具有重

3、要意义，为机器人的工作空间从传统的已知结构空间拓展到未知的非结构空间奠定了基础。由于仿生水黾机器人的研究是一个多学科交叉的领域，涵盖了超疏水材料研制、机构创新理论研究、运动学理论研究以及动力学理论分析和控制算法研究等学科，因此针对仿生水黾机器人的研究将极大地推动相关基础科学的发展。另外，仿生水黾机器人能模仿生物水黾的划水方式来运动，具有结构简单、机动性高、隐蔽性好、能耗低和易于远程控制等优势，因此可以被充分利用在在水域环境监测、军事侦察、灾后救援、复杂结构管道的检测和修复等领域。综上所述，开展仿生水黾机器人的研究不

4、仅具有重大的理论意义，而且在军用和民用领域有巨大的实际应用价值[5]。当前，仿生水黾机器人领域的研究人员在该领域的研究方向主要分为以下两个：第一，以水黾腿部微纳米刚毛结构为基础进行超疏水材料的研制；第二，以水黾运动方式为基础进行的水上行走机器人的研究。本文属于水上行走机器人的研究方向。目前针对水黾机器人静止在水面时支撑腿的静力分析已经取得了重要的研究成果，支撑腿依靠浮力和表面张力的合力可以支持超过水黾自身体重15倍的负载。但是针对水黾机器人驱动腿在划水过程中所受的复杂的水力-1-哈尔滨工业大学硕士学位论文学分析进展

5、很缓慢，因此本文将在支撑腿静力分析的基础上开展对水黾机器人驱动腿划水动力学的分析，同时探究水黾支撑腿的结构形状和布局对水黾运动性能的影响，这对于仿生水黾机器人的研究具有重大的指导意义。1.2仿生水黾机器人研究现状的分析1.2.1生物水黾结构的研究现状水黾（如图1-1所示）是主要栖息在池塘、缓溪流面上，一只成年水黾体长约为10~20mm，体重约为20mg，能够在水面自如的滑行和跳跃而保证腿不被浸湿，其最大运动速度可达1.5m/s[6]。研究者通过对水黾的观察研究，发现水黾共有6条腿，其中两条前支撑腿较短，用于捕食和起

6、辅助支撑作用；两条后支撑腿和中间的驱动腿较长，水黾主要依靠中间两条驱动腿的摆动划水来获得滑行所需的反作用力，后支撑腿起停止和转向作用。前支撑腿驱动腿02后支撑腿(a)水黾生物图(b)水黾躯体的结构尺寸图1-1生物原型水黾水黾驱动腿属于单肢型附肢[7]，构成附肢的一系列肢节从驱动腿的基部到末端分别为：基节、转节、股节、胫节和跗节，水黾驱动腿结构如图1-2所示。跗节股节图1-2水黾驱动腿附肢结构基节与水黾躯干相连，实现驱动腿的前后摆动。水黾在划水过程中胫节和跗节部分与水面接触，水面被挤压形成凹槽但不会被刺破，研究表明正

7、是依靠-2-哈尔滨工业大学硕士学位论文该凹槽提供的巨大支撑力使得水黾能够在水面自如的行走而不沉没。中国科学院研究员江雷于2004年在Nature上发表文章，解释了水黾腿具有超疏水性的机理，水黾腿的扫描电镜照片如图1-3所示[8]。通过水黾腿的扫描电镜照片发现，水黾腿部表面附有数千根刚毛，这些针状的刚毛按照与腿的表面倾斜20°的方向排列，长度为20~70μm，直径在3µm到几百纳米不等,如图1-3b)所示。如果将水黾腿部结构放大20000倍观察，可以发现水黾腿部的每个微米级的刚毛上存在着很多结构复杂的纳米级螺旋状沟槽

8、,如图1-3d)所示。a)放大200倍b)放大1000倍c)放大5000倍d)放大20000倍图1-3水黾腿部结构的电镜扫描照片水黾腿表面具有的微纳米刚毛分级结构与液体接触时形成了固-气异相表面，根据Cassie定理，水黾腿部定向排列的微米级刚毛的螺旋状沟槽会吸附周围的空气形成一层稳定的气膜，因此水滴无法浸润到水黾腿内部，这样在宏观上水黾腿就表现出超疏水的特