仿水黾机器人结构优化研究

摘要

水黾依靠腿部特殊结构利用水的表面张力和疏水特性能够在水面上停留、滑行和跳跃。由于按照水的表面张力原理设计的仿水黾机器人，其负载能力过小，很难携带工具完成远距离探测等实际任务，所以本文研究一种依靠浮力停留水面的漂浮型仿水黾机器人。
　　 该机器人采用电磁铁驱动，机器人前后四条腿采用漂浮原理支撑，中间两条腿模仿水黾中腿划水运动完成划水动作。为了提高仿水黾机器人的运动效率，需要对水流与仿水黾机器人的相互作用进行研究。主要研究内容如下：
　　 以工程流体力学理论为基础，研究机器人在水面行走时流体水与机器人的作用关系，建立影响机器人阻力的支撑腿和影响机器人推进力的划水板的理论流体力学模型，并结合计算流体动力学分析软件FLUENT分别建立对支撑腿与划水板进行计算流体动力学分析的方案。优化目的是降低机器人运动的阻力，提高机器人的推进力，改善机器人腿部的流场特性，提高机器人运动速度。
　　 对仿水黾机器人支撑腿的综合优化研究。在相同体积的条件下，研究圆柱形和流线形两种支撑腿在机器人前行时受到的水流阻力，选择阻力较小的支撑腿模型；并在保持体积不变的条件下，改变该支撑腿模型的尺寸参数，研究尺寸参数对该支撑腿模型所受阻力的影响。在上述研究基础上，考虑仿水黾机器人的转弯性能，选择最优的支撑腿模型。
　　 对仿水黾机器人划水板的综合优化研究。分别研究矩形划水板的高度和长度尺寸变化对划水阻力的影响。综合考虑机器人划水腿的抬腿高度和和划水板弯曲变形等问题，选择阻力最大的高度尺寸和长度尺寸参数，提高机器人运动速度。在此过程中，考虑到形状对划水阻力的影响，分析不同形状的划水板所受划水阻力，选择划水阻力较大的形状。
　　 在上述研究基础上制作仿水黾机器人实验样机，在相同的实验条件下对仿水黾机器人进行水面上的前进、转弯运动实验，比较改进模型与原仿水黾机器人模型的运动速度。实验验证本文理论分析的正确性，对支撑腿与划水板模型优化的合理性与有效性。