一种水陆两栖机器人及其关键部件研究与设计

摘要

能源是一个国家发展必不可少的物质条件，人类在工业革命初期开始使用煤炭、石油等燃料以来，化石燃料的使用已经经历了三百多年的历史，进入二十世纪以来，第三次工业革命的浪潮席卷了全球，科技在改变人类生活和命运的同时，也在消耗着大量的地球资源，1900年以来能源消耗呈爆发式增长，全球能源消耗量增加了约30倍，这些能源中绝大部分为化石燃料，这些化石燃料都是不可再生能源，这些燃料在开采过程中会破坏环境并且采用燃烧的方式使用时会产生大量的污染物，造成一系列的环境问题，危害人体健康。经历了改革开放三十年的跨越式发展，中国的能源消费总量已经居世界首位，约占世界能源消费总量的11%，其中石油对外依存度为45.2%，能源安全事关国家安全社会稳定，因此，国家在十八大报告中提出了“海洋强国”战略，开发海洋资源成为破除我国能源瓶颈的重要方向，但是海洋资源的利用受其环境因素限制使得人们望而却步，例如大多数沿海环境为人类无法正常工作的滩涂、沼泽，所以需要机器人去完成一些人类无法完成的工作。目前的机器人研制的方向主要是智能化家用和工业化用途，对于具有野外工作能力的实用型水陆两栖机器人的研究不是很多。 本文根据国家十二五计划中对海洋战略以及高科技领域的发展规划方针，研究了目前国内外两栖机器人的最新成果，总结了目前一些两栖机器人存在的问题，提出了一种新的水陆两栖机器人设计方案，即一种行星齿轮式动蹼明轮水陆两栖机器人。该两栖机器人只需要用动蹼明轮作为行走机构就能完成水中和陆地上的前进、后退、转弯等一系列动作，这种设计不需要复杂的切换机构，能够极大的提高两栖机器人的工作效率。 本论文主要进行了以下几部分的工作：1、对迄今为止国内外典型的水陆两栖机器人进行了研究，并进行了分析，对其中一些新的设计和样机提出了缺点和不足，在最后本文对两栖机器人的发展和应用前景进行了展望和规划。2、本文第二章部分对所设计的水陆两栖机器人的机械结构进行了详细的阐述，水陆两栖机器人的结构主要分为车身结构和行星动蹼明轮两个部分，其中车身结构主要是外形设计和传动结构的设计，行走机构部分的设计主要是齿轮传动的配合计算，并对齿轮进行了设计和验算，本章后半段用Fluent对车体进行了流体仿真，得到了车身阻力，还用动力学仿真软件RecurDyn对行走机构进行了动态的仿真，通过对行星齿轮的仿真结果证明了本设计行走机构的可行性和实用性。3、本文第三章部分参考了船舶相关理论，将两栖机器人的水中稳定性分为三个部分：大倾角稳定性、小倾角稳定性和动稳定性，并计算出了两栖机器人在水中的流体阻力和最大倾覆临界角。4、最后一章主要阐述了两栖机器人样机模型制作过程，并进行了陆地实验和水面实验，通过实验测试了水陆两栖机器人的速度、爬坡能力等主要设计指标，并测试了不同速度下水陆两栖机器人的稳定性和效率、水陆环境自主切换的能力，将最终的实验结果和水陆两栖机器人的设计指标进行对比，证实了样机实验达到了本文最初的设计指标性能最后，本文总结分析了设计和样机制作中存在的问题，为下一代样机的设计和制作积累了宝贵的经验。

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第一章 引言

1.1课题研究背景和意义

1.2国内外两栖机器人的研究现状

1.3 水陆两栖机器人的现状分析

1.4 本文主要研究内容

第二章 两栖机器人的设计与仿真

2.1引文

2.2 机器人设计指标

2.3机器人的质量估算

2.4机器人模型设计

2.5行走机构设计

2.6仿真分析

2.7本章小结

第三章 两栖机器人水陆稳定性分析

3.1引文

3.2机器人陆地运动分析

3.3水线长度计算

3.4水中阻力计算

3.5机器人重心估算

3.6两栖机器人的水中稳定性分析

3.7本章总结

第四章 样机的制作与实验

4.1引文

4.2 电机的选型

4.3控制系统的设计方案

4.4下水实验

4.5本章小结

第五章 结论与展望

5.1全文总结

5.2本设计的不足之处

5.3展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的科研成果