基于无网格方法的仿海蟹机器人游动性能分析及实验研究
发布时间：2021-09-02 06:13
在自然界中,两栖环境是典型的非结构环境,机器人在两栖环境中作业时往往不仅要面对陆地上高低不平的岩石和松软的沙砾,还要面对水下的暗流或浮游生物,这种独特的环境因素给传统的陆地及水下机器人带来了更高的挑战。生物海蟹作为一种浅滩两栖生物,具备优越的两栖运动能力。本文以生物海蟹为仿生原型,通过对海蟹生理结构和运动规律的观察和分析,研制出仿海蟹机器人。本文在仿海蟹机器人的结构设计的基础上,利用仿真和实验的手段对其水下运动性能进行了研究。本文中的无网格方法采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法,是广泛应用在解决流体动力学问题的无网格数值模拟方法,其相对传统的有网格方法,可以更好的解决复杂边界的运动情况,而本文选择的典型的两栖浅滩生物仿海蟹机器人结构比较复杂,所以选用SPH数值方法对其游动性能进行模拟。本文在仿海蟹机器人的研究中,建立了机器人的运动坐标系并通过坐标系设计了机器人的游动模式,并设置不同的游动参数来分析机器人的游动性能,并为了验证SPH方法模拟的正确性,设计了机器人的游动实验,来优化机器人的推进性能。首先分析机器人的机身和游泳桨的坐标系。规划游泳桨关节运动规律,基于切片理论建立单桨动力学模...
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
仿生机器人发展历程
（1）水下仿生水母机器人储诚中研究的采用形状记忆合金（SMA）仿生水母机器人柔性驱动模块研制了仿生机器人，如图 1.2 所示。此机器人的游动模式为射流推进，此机器人的结构设计比单、比较容易修护、游动声音比较小、游动速度快和推进效率较高。通过比较可以，一般的水下仿生机器人的游动方式和容易受到环境的影响，不会受到水中生物的，成功的研制出了仿生水母机器人[11]。此机器人的研究是听通过观察了海月水母的和推进性能，此机器人的直径为 210mm,高度为 80mm,储诚中等人根据水母的游动来审计了其运动控制系统，对水母的游动动作进行了水动力学分析，在通过实验数仿真数据的对比来验证其机器人的游动性能。这些人运用实验样机来进行了水池实通过改变机器人不同的游动频率的大小的直航行驶和转弯行驶来分析机器人的最佳实验数据，通过实验可以得出，此仿生水母机器人在水中的最大实验游动度为cm/s,这等于机器人机身长度的 0.66 倍,最小转弯半径为 31.95 cm，验证的实验中仿母机器人的游动效率问题[12]。
（a）仿生水下子母机器人样机 （b）微型子机器人样机图 1.3 仿生水下子母机器人（2）水下仿生鱼机器人水下机器人为本文的重点研究内容，仿生机器人领域中水下机器人已经取得了极大的进步。“Ro Man-II”（如图 4.5）是新加坡南洋理工大学自主研发的仿生蝠鲼机器人，其机器人的两边有 6 条运动装置，通过这 6 个鳍条的拍动产生使机器人游动的推进力，改机器人能够完成转弯等高要求的运动方式[15]。防水下机器人的运动方式已经到达了一定的高度，可以通过材料的利用提高其游动效率，美国弗吉尼亚大学也开始研制仿生蝠鲼（如图 4.6），其结构没有太大的改变，但是不同于其他防水下机器人驱动凡是，改仿生机器人的驱动是由人工肌肉产生的，对其进行水下实验研究是发现其游动速度可以达到 0.4 cm/s。美国哈佛大学也开始着手研究柔性驱动的机器人，并且已经自主研发了柔性胸鳍进行推动的水下机器鱼，该机器鱼能够在水下进行多自由度的游动。
【参考文献】：
期刊论文
[1]水下仿生机器人研究综述[J]. 蒲欣岩. 中国高新科技. 2018(20)
[2]水下机器人发展现状与发展趋势探究[J]. 刘晓阳,杨润贤,高宁. 科技创新与生产力. 2018(06)
[3]进化生物学基础（第4版）[J]. 生命世界. 2018(05)
[4]新型仿生水下子母机器人系统设计[J]. 郭书祥,孙珊,郭健. 控制与决策. 2019(05)
[5]仿蝠鲼胸鳍推进执行机构水动力特性分析[J]. 云忠,蒋毅,李静. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2018(01)
[6]机器人研究进展与科学挑战[J]. 刘辛军,于靖军,王国彪,赖一楠,何柏岩. 中国科学基金. 2016(05)
[7]软体机器人结构机理与驱动材料研究综述[J]. 李铁风,李国瑞,梁艺鸣,程听雨,杨栩旭,黄志龙. 力学学报. 2016(04)
[8]六足机器人关键技术综述[J]. 李满宏,张明路,张建华,张小俊. 机械设计. 2015(10)
[9]仿生机器人研究现状与发展趋势[J]. 王国彪,陈殿生,陈科位,张自强. 机械工程学报. 2015(13)
[10]流固耦合S-型自主游动柔性鱼运动特性分析[J]. 郝栋伟,张立翔,王文全. 工程力学. 2015(05)
博士论文
[1]松软介质中弧形足运动特性分析及足—蹼复合推进两栖机器人研究[D]. 梁旭.中国科学技术大学 2013
[2]中国沿海三疣梭子蟹群体形态、生化与分子遗传多样性研究[D]. 董志国.上海海洋大学 2012
硕士论文
[1]水下机器人运动姿态控制技术研究[D]. 赵彦飞.西安工业大学 2018
[2]面向舞台表演的海龟机器人及其多足稳定步态规划研究[D]. 黄亮.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：3378474
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
仿生机器人发展历程
（1）水下仿生水母机器人储诚中研究的采用形状记忆合金（SMA）仿生水母机器人柔性驱动模块研制了仿生机器人，如图 1.2 所示。此机器人的游动模式为射流推进，此机器人的结构设计比单、比较容易修护、游动声音比较小、游动速度快和推进效率较高。通过比较可以，一般的水下仿生机器人的游动方式和容易受到环境的影响，不会受到水中生物的，成功的研制出了仿生水母机器人[11]。此机器人的研究是听通过观察了海月水母的和推进性能，此机器人的直径为 210mm,高度为 80mm,储诚中等人根据水母的游动来审计了其运动控制系统，对水母的游动动作进行了水动力学分析，在通过实验数仿真数据的对比来验证其机器人的游动性能。这些人运用实验样机来进行了水池实通过改变机器人不同的游动频率的大小的直航行驶和转弯行驶来分析机器人的最佳实验数据，通过实验可以得出，此仿生水母机器人在水中的最大实验游动度为cm/s,这等于机器人机身长度的 0.66 倍,最小转弯半径为 31.95 cm，验证的实验中仿母机器人的游动效率问题[12]。
（a）仿生水下子母机器人样机 （b）微型子机器人样机图 1.3 仿生水下子母机器人（2）水下仿生鱼机器人水下机器人为本文的重点研究内容，仿生机器人领域中水下机器人已经取得了极大的进步。“Ro Man-II”（如图 4.5）是新加坡南洋理工大学自主研发的仿生蝠鲼机器人，其机器人的两边有 6 条运动装置，通过这 6 个鳍条的拍动产生使机器人游动的推进力，改机器人能够完成转弯等高要求的运动方式[15]。防水下机器人的运动方式已经到达了一定的高度，可以通过材料的利用提高其游动效率，美国弗吉尼亚大学也开始研制仿生蝠鲼（如图 4.6），其结构没有太大的改变，但是不同于其他防水下机器人驱动凡是，改仿生机器人的驱动是由人工肌肉产生的，对其进行水下实验研究是发现其游动速度可以达到 0.4 cm/s。美国哈佛大学也开始着手研究柔性驱动的机器人，并且已经自主研发了柔性胸鳍进行推动的水下机器鱼，该机器鱼能够在水下进行多自由度的游动。
【参考文献】：
期刊论文
[1]水下仿生机器人研究综述[J]. 蒲欣岩. 中国高新科技. 2018(20)
[2]水下机器人发展现状与发展趋势探究[J]. 刘晓阳,杨润贤,高宁. 科技创新与生产力. 2018(06)
[3]进化生物学基础（第4版）[J]. 生命世界. 2018(05)
[4]新型仿生水下子母机器人系统设计[J]. 郭书祥,孙珊,郭健. 控制与决策. 2019(05)
[5]仿蝠鲼胸鳍推进执行机构水动力特性分析[J]. 云忠,蒋毅,李静. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2018(01)
[6]机器人研究进展与科学挑战[J]. 刘辛军,于靖军,王国彪,赖一楠,何柏岩. 中国科学基金. 2016(05)
[7]软体机器人结构机理与驱动材料研究综述[J]. 李铁风,李国瑞,梁艺鸣,程听雨,杨栩旭,黄志龙. 力学学报. 2016(04)
[8]六足机器人关键技术综述[J]. 李满宏,张明路,张建华,张小俊. 机械设计. 2015(10)
[9]仿生机器人研究现状与发展趋势[J]. 王国彪,陈殿生,陈科位,张自强. 机械工程学报. 2015(13)
[10]流固耦合S-型自主游动柔性鱼运动特性分析[J]. 郝栋伟,张立翔,王文全. 工程力学. 2015(05)
博士论文
[1]松软介质中弧形足运动特性分析及足—蹼复合推进两栖机器人研究[D]. 梁旭.中国科学技术大学 2013
[2]中国沿海三疣梭子蟹群体形态、生化与分子遗传多样性研究[D]. 董志国.上海海洋大学 2012
硕士论文
[1]水下机器人运动姿态控制技术研究[D]. 赵彦飞.西安工业大学 2018
[2]面向舞台表演的海龟机器人及其多足稳定步态规划研究[D]. 黄亮.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：3378474
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