基于柔性驱动腿的仿水黾水面划行机器人研究

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1、硕士学位论文基于柔性驱动腿的仿水黾水面划行机器人研究RESEARCHONBIONICWATERSTRIDERWALKINGROBOTBASEDONFLEXIBLEDRIVINGLEGS杨益哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP242.3学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文基于柔性驱动腿的仿水黾水面划行机器人研究硕士研究生：杨益导师：闫继宏教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.3U.D.C:621DissertationfortheMa

2、sterDegreeinEngineeringRESEARCHONBIONICWATERSTRIDERWALKINGROBOTBASEDONFLEXIBLEDRIVINGLEGSCandidate：YangYiSupervisor：Prof.YanJihongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institut

3、ion：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要水黾能够在水面上飞快地滑行、跳跃，具有能耗低、效率高、对水面的破坏小、噪声低等特点，吸引了国内外越来越多的学者开展理论相关研究，并设计了多款仿水黾水面运动机器人。生物研究表明，生物水黾划水时，驱动腿能够顺应水面产生柔性变形，有效提高其运动性能和运动稳定性。但当前的仿水黾机器人样机普遍采用刚性驱动腿，忽略了生物水黾驱动腿柔性特点，此外对生物水黾柔性驱动腿划水变形和受力的理论研究还未见相关报道。本文结合国家自然科学基金“仿水黾水面滑跳复合运动机器人及其水动力学研究”，针对基于柔性驱动腿的仿水黾水面划

4、行机器人及其相关领域展开研究。首先，针对当前仿水黾柔性驱动腿划水变形、受力相关理论缺乏的问题，基于微单元悬臂梁理论建立柔性驱动腿划水变形、受力模型，并据此分析弹性模量、几何形状、划水速度和划水深度等参数对柔性驱动腿划水受力、变形及做功的影响。为后续柔性驱动腿划水受力实验和仿水黾机器人设计提供参考。其次，开展柔性驱动腿水面划水运动实验分析。基于杠杆原理搭建柔性驱动腿划水受力测量平台，实现柔性驱动腿划水过程受力的实验测定，验证柔性驱动腿划水模型的有效性；通过开展柔性驱动腿不同参数划水实验，获得了不同材料、速度、深度、驱动腿直径对划水过程受力、做功的影响。为仿生机器人的驱动腿材料选择与尺寸设计提

5、供了实验参数。再次，基于生物水黾表面张力漂浮与滑行运动机理，设计柔性驱动腿仿水黾水面划行机器人实验样机原型，基于摆动限位销结构以实现驱动腿水黾中腿空间椭圆划水轨迹；基于多细长圆柱体并排与水面作用模型设计了机器人支撑系统，完成实验样机整体设计与装配；并基于PWM波实现了样机控制，为后续进行划水实验奠定基础。最后，利用柔性驱动腿仿水黾机器人样机开展机器人负载能力和运动性能实验。测试了机器人柔性驱动腿不同材料与直径、不同频率下水面运动能力。获取了驱动腿不刺破水面下的极限划水频率及相应的直线和转弯运动速度，并与理论分析结果和驱动腿实验结果对比，验证驱动腿柔性对划水过程的贡献。借助邦德数与韦伯数两个

6、无量纲参数进行表面张力流体力相似性分析，分析表明柔性驱动腿机器人与水黾具有更高的水面运动相似性。关键词：仿水黾；机器人；柔性腿；表面张力；微单元悬臂梁方法-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWaterstriderhasthecharacteristicsoflowenergyconsumption,highefficiency,smalldamagetothewatersurfaceandlownoise,whichattractmoreandmorescholarsathomeandabroadtocarryouttheoreticalresearchanddesign

7、anumberofrobotsrunningonwatersurfaceimitatingwaterstrider.Biologicalresearchshowsthatwhenthebiologicalwaterstriderisdrawn,thedrivinglegcanadapttothewatersurfacetoproduceflexibledeformationandeffectivelyimproveits