注水驱动式人工水母的设计与研究

摘要

传统的水下机器人多采用螺旋桨推进，推进效率低、机动性差、容易对水下环境产生影响甚至破坏海洋生态系统。采用软体材料制作的软体机器人具有变形能力强、柔顺性好等优点。本课题将软体驱动器与仿水母机器人相结合，研制出一种基于软体材料的注水驱动式人工水母。该机器人采用小型直流潜水泵作为驱动装置，软体推进触手作为执行机构，通过向软体推进触手注入一定压力的流体，使其弯曲变形，实现仿生水母的游动动作和装置的水下游动。 本文的主要研究内容和成果如下: (1)通过分析水下生物的推进模型和水母的生物结构，总结出水母推进方式的特点，提出了本课题的设计需求。在此基础上，本文设计了注水驱动式人工水母的总体结构并对其游动方案进行了说明。 (2)通过分析人工水母在水下的受力，得到水母的推进速度与软体触手的弯曲形变量之间的相关性，提出了软体触手的设计要求。通过分析软体材料的力学性能和仿真软体推进触手的弯曲变形，最终确定了软体推进触手的具体结构参数。在此基础上，选择了软体触手的制作材料，设计了结构参数，通过仿真软件建立软体触手的三维模型，对不同的邵氏硬度的硅橡胶材料和影响弯曲变形的参数进行仿真。根据仿真结果，对软体触手的主要结构参数进行改进，确定了软体触手的结构。 (3)根据软体触手的结构参数，采用3D打印制作模具。选用硅橡胶作为原材料，采用浇注方法制作出软体触手。以3D打印技术制作的人工水母为主体结构，装配各个零件完成注水驱动式人工水母样机。为了检测软体触手的弯曲变形特性构建试验平台，对比实验结果与仿真曲线，得到软体触手能够在50kPa的压力下完成连续的大幅度弯曲变形，其动作柔顺性好，弯曲趋势与仿真结果一致。通过构建试验平台对软体触手的响应时间进行测试，由试验结果可知软体触手满足本文所提出的技术需求。 (4)设计了仿水母机器人的控制系统，设计并完成相应的电路板制作，将PCB板接入人工水母进行调试，人工水母样机能够完成周期性的摆动。根据人工水母的直线游动特性试验测试，结果表明人工水母具有良好的游动特性，最大运动速度24mm/s，试验也验证了本文提出的注水驱动式人工水母设计方案合理可行。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1课题背景与意义

1．2仿水母水下机器人的发展现状

1．2．1电机驱动

1．2．2智能材料驱动

1．2．3电磁驱动

1．2．3其他驱动方式

1．3软体机器人和软体驱动器的发展现状

1．4存在的问题

1．5课题的主要研究内容

2人工水母的总体结构设计

2．1水母的生物形态

2．1．1水下生物的推进模型

2．1．2水母的结构及功能

2．2人工水母的总体结构设计

2．2．1本课题技术需求

2．2．2结构设计

2．2．3游动动作设计

2．3本章小结

3软体触手的设计

3．1人工水母的力学模型

3．1．1静态受力分析

3．1．2动态受力分析

3．2软体触手的设计

3．2．1软体材料的选择

3．2．2软体材料的力学性能

3．2．3软体触手的具体参数设计

3．3软体触手的参数选择

3．3．1仿真分析模型建立

3．3．2主要参数对变形的影响分析

3．3．3软体触手的参数确定

3．4本章小结

4人工水母的制作及软体触手的试验

4．1人工水母的制作

4．1．1软体触手的制作

4．1．2人工水母的主体制作

4．1．3人工水母样机

4．2软体触手的弯曲变形特性及试验

4．2．1试验系统结构及原理

4．2．2试验结果分析

4．3软体触手的响应特性及试验

4．3．1试验系统结构及原理

4．3．2试验结果分析

4．4本章小结

5人工水母的控制系统及试验研究

5．1．1人工水母的设计需求

5．1．2控制系统总体方案

5．1．3控制芯片调试

5．2人工水母的游动试验与分析

5．2．1人工水母直线游动试验

5．2．2人工水母性能分析

5．3本章小结

6结论与展望

6．1结论

6．2展望

致谢

参考文献

附录