龙虱游泳足运动特性研究及仿生划水推进机构设计与仿真

发布时间：2020-06-27 08:24

【摘要】：微型水下航行器(Micro-UUV)不仅在海洋灾难营救、环境信息探测、海洋地理研究等民用领域发挥重要作用,更具有不可替代的军事应用价值。模仿水生生物研制的仿生无人水下航行器,具备或部分具备水生生物的形体和游动方式,具有推进效率高、噪声低、转弯灵活、机动性好等优点,是近年来学术界研究的热点。自然界中,一些体积较小的水生昆虫,如龙虱,进化出了独特的结构及运动模式,在机动性、隐蔽性、灵活性等方面具有超凡的优越性,是微型水下航行器研究极佳的仿生模本。本研究以尺寸较大的黄缘真龙虱为研究对象,分析了其构形及结构特点,研究了其在自由水环境中的运动特性,结合龙虱的关节联接机制,设计了一种结构简单的仿生划水推进机构,并对推进机构进行了运动学仿真。具体为:采用体视显微镜分析了黄缘真龙虱的生物表面特征,测量并统计了黄缘真龙虱胸足各关节长度与躯干长度之间的比值,F检验及T检验结果表明黄缘真龙虱身体结构左右对称,雌、雄黄缘真龙虱游泳足对应的各关节长度无显著性差异。搭建龙虱运动学测试平台,采用两台高速摄像机及三维运动图像解析系统(Simi Motion)研究了静水环境中自由运动的黄缘真龙虱的运动特性及关节运动学。龙虱在水下运动过程中前足及中足几乎不起推进作用,推进力主要由后足产生。分析发现,在直线及后退运动过程中,黄缘真龙虱采用两条后足同步对称运动的方式,转向运动中,两条后足不对称摆动,转动的方向由起主要推进作用的后足决定,转动角度由两条足的摆动幅度决定。黄缘真龙虱在运动过程中腿节角度变化范围最大,跗节各亚节间角度变化趋势一致且变化范围较小。应用X射线三维显微镜及Mimics图像重建软件研究了黄缘真龙虱游泳足各关节之间的联接机制,发现其多为转动副联接。根据龙虱的运动方式及关节间的联接机制,忽略前足及中足,将后足进行了简化,设计了单腿机构,并将单腿机构的三维模型导入ADAMS进行了运动仿真,对比仿真得到的腿部机构末端运动轨迹与生物试验获得的轨迹,结果显示两者具有高度的相似性,且机构的杆件之间不发生干涉等问题,从而验证了单腿机构设计的合理性与可行性。采用三维扫描仪及逆向工程软件建立龙虱生物模型,通过提取及优化生物模型躯干特征曲线,设计了仿龙虱流线型的躯干外形。基于龙虱身体结构对称的特点,设计了两腿对称布置的整机机构,通过CATIA建立整机的三维模型,并利用ADAMS软件对整机的可行性与合理性进行了验证。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.941;Q811
【图文】：

.14 对仿鞘翅结构进行抽象、变异所得的粗略模型国外研究现状虱的研究大多集中在龙虱的运动方面。1958 年，剑HES[61]观察了龙虱在一个水深约为 6 英寸（15.24c虱在标有格子的鱼缸中自由游动时的运动视频，对龙期的运动做了分析，并研究分析了龙虱残肢对于运足残缺时，一开始会在水中转圈，随后由于其他足沿直线路径运动。1961 年，慕尼黑大学放射生HTIGALL 博士[62]在 nature 上发表了一篇关于龙虱游证明龙虱的身体外形具有良好的减阻性及游动稳定

图 2.3 黄缘真龙虱头部及前胸背板局部放大图（a）头部局部放大图（b）前胸背板局部放大图（2）鞘翅及腹部雌性及雄性成年黄缘真龙虱鞘翅呈黑褐色，具有墨绿色光泽，侧缘有黄色条

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本文编号：2731579