两栖环境中仿生鳍的推进机理及实验研究

摘要

随着机器人技术的发展，机器人不再是单一的适应陆地或者水下环境，特别需要适应复杂的水陆交界区域过渡环境。研制具备通过性好、越障性能强、推进效率高、机动性和隐蔽性好、具有脱困能力的两栖机器人具有非常现实的意义，因此为提高两栖机器人在过渡环境中的通过性和适应性，优化两栖机器人的推进机构的形态、结构及运动参数亟待进行研究。过渡环境大多数为松软介质例如不同含水量的沙滩和泥浆，两栖机器人在松软介质中经常会出现打滑以及下陷的现象，这是由于环境介质的本构特性、机器人行进机构的形态和结构特征、以及行进机构的运动学参数等因素所导致的机器人与环境的相互作用动力学所决定的。研究机器人与过渡环境相互作用的机理，可提高两栖机器人在过渡环境中的通过性，使得两栖机器人可以真正的进行水陆转换走向实用。
　　本论文首先从仿生学的角度出发，围绕两栖机器人在过渡环境中的通过性和适应性问题，重点开展了两栖环境中推进机构的推进机理研究，并进行了两栖仿生推进机构的实验研究，为未来两栖机器人推进机构的研制提供了参考和借鉴。具体研究内容介绍如下:
　　(1)以具有优秀水下机动能力的锦鲤和两栖运动能力的弹涂鱼为仿生学研究对象，分别对锦鲤和弹涂鱼胸鳍的形态学和运动学进行了详细的研究，并详细介绍了运动学观测实验的三维实时高速摄像系统、坐标变换和数字图像处理技术的方法。分析了锦鲤胸鳍在悬停状态下鳍条的形态特征，然后对弹涂鱼在水里、两栖环境、陆地环境中进行了运动学分析，并获得了弹涂鱼在不同环境下的的运动学参数，然后将水生类胸鳍和两栖类胸鳍的形态结构和运动特征进行了比较分析，为研制两栖仿生胸鳍的设计和控制提供了参考。最后分析了弹涂鱼在不同波幅波长比下的推进速度，发现弹涂鱼在水中和两栖环境下有最优的波幅波长比，为仿生多关节两栖机器人的机械结构设计和运动控制提供了参数化的指导。
　　(2)根据弹涂鱼背主鳍在两栖环境中的形态特征，设计了五种不同形态参数的推进机构。基于RFT模型并采用微元分析法获得了推进机构与泥介质相互作用的受力情况，根据推进机构在两栖环境中的受力分析，结合过渡介质的应力、应变、强度和时间这四个变量之间的内在关系和仿生推进机构的具体形态参数，计算出了五种不同形态参数的推进机构在两栖环境中的力学特性，包括一个运动周期内水平推进力、竖直支撑力和转矩的变化规律。然后分别对比分析了不同形态参数、运动参数和含水率下推进机构的力学特性，得到了推进机构与两栖环境介质相互作用的规律，建立过渡环境介质的强度—变形理论，为两栖环境中推进机构的设计和优化提供有效的理论指导。
　　(3)以弹涂鱼胸鳍的形态学研究为基础，结合3D打印技术和相似理论，设计并实现了与仿生对象的整体尺寸以及对应鳍条的尺寸及分布形式一致的五种不同刚度的两栖仿生胸鳍。设计并搭建了两栖环境土槽实验平台，并介绍了两栖环境土槽实验平台的机械设计、硬件的搭建设计以及系统软件设计。研究了不同含水量、不同刚度、不同运动参数对两栖仿生鳍推进性能的影响，具体分析了两栖仿生鳍在运动周期内的平均推进力、竖直位移、最大转矩和平均推进速度运动特性，并对两栖仿生鳍的推进实验结果和两栖环境中推进机构推进机理进行了对比分析，验证了推进机理的可行性，为两栖环境中推进机构的研究提供了理论依据，并为两栖环境中的推进机构的研制走向实用提供了一般性的结论和设计原则。