基于管状折纸结构的仿乌贼水下机器人设计、分析与实验
发布时间：2021-12-31 09:19
仿生水下机器人模仿自然水下生物的游动模式和生理结构,在水下资源勘察与开发、水中侦察与预警、水下设备修复和水下生态环境保护等科学及军事领域有着广阔的应用前景。仿生水下机器人与传统的采用螺旋桨等方式驱动的水下机器人相比较,在水下环境中具有更好的适应性,能穿过环境复杂、空间狭窄的水域,且游动过程中隐蔽性能高、噪音低。目前国内外设计的仿生水下机器人主要采用鳍/躯干运动推进或喷射推进的游动模式,广泛应用于各种科学及军事领域,但目前采用喷射推进方式游动的仿生水下机器人仍然存在喷射推进力小、响应速度慢和转向游动不灵活等问题。因此,本文基于管状折纸结构设计了一种仿乌贼游动方式的水下机器人,主要内容如下:基于管状折纸结构仿乌贼游动方式设计了一款水下机器人,该水下机器人的自由运动由脉冲喷射机构和鳍波动机构实现。脉冲喷射机构通过驱动管状折纸结构进行轴向伸缩运动,带动管状折纸结构的内部体积产生变化,将腔内的水向外喷出,实现脉冲推进功能;鳍波动机构通过驱动呈半圆形的刚性鱼鳍结构在水下作往复摆动,实现鳍波动推进功能。对水下机器人的脉冲喷射推进力和鱼鳍推进性能进行分析,并搭建实验测试平台,制作水下机器人样机进行性能...
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
机器鱼图
第一章绪论3或不同幅值的波动实现转向，稳定性高、游动速度快，可实现原地转弯运动，鳍摆动/波动型游动模式受到目前大多数仿生水下机器人的采用。躯干摆动或波动型仿生水下机器人，通过驱动躯干进行左右两边不对称的交替运动，能够在海底复杂的地形中灵活穿行，但目前仍然存在推进效率低，可操控性较差等问题[14-15]。目前国内外基于鳍或躯干运动推进方式设计的仿生水下机器人种类繁多，科研成果丰富，其中国外学者对于仿生水下机器人的实验及实践环节更为重视。以下为国内外一些典型的基于鳍或躯干运动推进方式的仿生水下机器人设计，并对其进行简要分析。图1.2机器鱼图图1.3鳗鱼机器人图1.4仿鱼机器人图1.5基于DE材料驱动的水下机器人哈尔滨工业大学研制了一种基于SMA驱动的仿生机器鱼[16]，如图1.2所示，将SMA丝嵌入机器鱼仿生鳍的弹性基板，通过对SMA丝的驱动实现机器鱼仿生鳍的摆动运动。该仿生机器鱼的最大运动速度可达112mm/s，机器鱼转向运动时的转向半径最小为136mm，转向速度最大为40mm/s。中国科技大学与南洋理工大学共同研发设计了一种基于SMA材料驱动的躯干波动型仿电鳗鱼水下机器人[17]，如图1.3所示，该水下机器人由多个分段式躯干组成，每一段躯干主要由聚氨基甲酸酯制成的可变形薄膜组成，薄膜两侧分别嵌入一条SMA丝作为驱动器。通过控制薄膜两侧的SMA丝的收缩驱动，实现水下机器人多段躯干的波动式运动，该机器人在水中最高能以8.2mm/s的速度进行运动。美国麻省理工学院MarcheseAD等人受鱼类的躯干摆动推进模式启发，设计了一种采用弹性体致动器驱动的仿鱼机器人[18]，如图1.4所示，机器
第一章绪论4人通过弹性体致动器对躯干左右两侧进行交替驱动，使得躯干产生连续的摆动，为仿鱼机器人的游动提供动力。浙江大学的李铁风等人[19]基于DE驱动材料设计了一种新型仿生水下机器人，如图1.5所示，该水下机器人模仿水下生物蝠鲼的外形结构和游动方式，通过对机器人两侧鱼鳍内的DE材料施加高电压，驱动鱼鳍上下摆动，实现水下机器人的向前运动。水下机器人尾部的摆尾受DE材料的驱动，可以进行相应的摆动，使得水下机器人能够实现灵活的转向游动。该水下机器人长度为93mm，在电压为9.5kV、驱动频率为5Hz的驱动条件下运动速度最高可达64mm/s。对其单侧鱼鳍进行电压为7kV、驱动频率为8Hz的驱动时，水下机器人的最小转向半径为85mm。图1.6仿蝠鲼水下机器人图1.7软体机器鱼SoFi图1.8气动驱动型仿生水下机器人弗吉尼亚大学ZhengChen等人[20]基于IPMC驱动器设计了一种新型仿蝠鲼水下机器人，如图1.6所示，该水下机器人模仿水下生物蝠鲼的外形结构和游动方式，采用IPMC驱动器对其躯干两侧的鱼鳍进行驱动，水下机器人的游动速度最高可达4.2mm/s。
【参考文献】：
期刊论文
[1]折纸及其折痕设计研究综述[J]. 李笑,李明. 力学学报. 2018(03)
[2]用于水下机器人姿态调节的电磁式水下合成射流激励器[J]. 贾连超,胡志强,耿令波,衣瑞文. 机器人. 2018(03)
[3]智能材料在水下仿生机器人驱动中的应用综述[J]. 刘贵杰,刘展文,田晓洁,王清扬,陈功. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2018(03)
[4]水下软体机器人柔性驱动方式及其仿生运动机理研究进展[J]. 傅珂杰,曹许诺,张桢,刘先卫,李国瑞,梁艺鸣,李铁风. 科技导报. 2017(18)
[5]机器鳕鱼胸鳍/尾鳍协同推进直线游动动力学建模与实验研究[J]. 李宗刚,徐卫强,王文博,杜亚江. 船舶力学. 2017(05)
[6]气压驱动软体机器人运动研究[J]. 费燕琼,庞武,于文博. 机械工程学报. 2017(13)
[7]基于纤维增强型驱动器的气动软体抓手设计[J]. 魏树军,王天宇,谷国迎. 机械工程学报. 2017(13)
[8]一种改进的Yeoh超弹性材料本构模型[J]. 李雪冰,危银涛. 工程力学. 2016(12)
[9]基于Kriging模型的微夹持器优化设计[J]. 胡俊峰,蔡建阳,郑昌虎. 中国机械工程. 2016(14)
[10]身体/尾鳍推进模式仿生机器鱼研究的进展与分析[J]. 王安忆,刘贵杰,王新宝,付碧波. 机械工程学报. 2016(17)
博士论文
[1]仿生乌贼推进器及其流体动力仿真和实验研究[D]. 李健.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]基于仿生原理的可展开结构设计[D]. 孙丽娜.西安电子科技大学 2010
[2]SMA驱动的仿乌贼喷射推进器原型研究[D]. 杜威.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3560005
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
机器鱼图
第一章绪论3或不同幅值的波动实现转向，稳定性高、游动速度快，可实现原地转弯运动，鳍摆动/波动型游动模式受到目前大多数仿生水下机器人的采用。躯干摆动或波动型仿生水下机器人，通过驱动躯干进行左右两边不对称的交替运动，能够在海底复杂的地形中灵活穿行，但目前仍然存在推进效率低，可操控性较差等问题[14-15]。目前国内外基于鳍或躯干运动推进方式设计的仿生水下机器人种类繁多，科研成果丰富，其中国外学者对于仿生水下机器人的实验及实践环节更为重视。以下为国内外一些典型的基于鳍或躯干运动推进方式的仿生水下机器人设计，并对其进行简要分析。图1.2机器鱼图图1.3鳗鱼机器人图1.4仿鱼机器人图1.5基于DE材料驱动的水下机器人哈尔滨工业大学研制了一种基于SMA驱动的仿生机器鱼[16]，如图1.2所示，将SMA丝嵌入机器鱼仿生鳍的弹性基板，通过对SMA丝的驱动实现机器鱼仿生鳍的摆动运动。该仿生机器鱼的最大运动速度可达112mm/s，机器鱼转向运动时的转向半径最小为136mm，转向速度最大为40mm/s。中国科技大学与南洋理工大学共同研发设计了一种基于SMA材料驱动的躯干波动型仿电鳗鱼水下机器人[17]，如图1.3所示，该水下机器人由多个分段式躯干组成，每一段躯干主要由聚氨基甲酸酯制成的可变形薄膜组成，薄膜两侧分别嵌入一条SMA丝作为驱动器。通过控制薄膜两侧的SMA丝的收缩驱动，实现水下机器人多段躯干的波动式运动，该机器人在水中最高能以8.2mm/s的速度进行运动。美国麻省理工学院MarcheseAD等人受鱼类的躯干摆动推进模式启发，设计了一种采用弹性体致动器驱动的仿鱼机器人[18]，如图1.4所示，机器
第一章绪论4人通过弹性体致动器对躯干左右两侧进行交替驱动，使得躯干产生连续的摆动，为仿鱼机器人的游动提供动力。浙江大学的李铁风等人[19]基于DE驱动材料设计了一种新型仿生水下机器人，如图1.5所示，该水下机器人模仿水下生物蝠鲼的外形结构和游动方式，通过对机器人两侧鱼鳍内的DE材料施加高电压，驱动鱼鳍上下摆动，实现水下机器人的向前运动。水下机器人尾部的摆尾受DE材料的驱动，可以进行相应的摆动，使得水下机器人能够实现灵活的转向游动。该水下机器人长度为93mm，在电压为9.5kV、驱动频率为5Hz的驱动条件下运动速度最高可达64mm/s。对其单侧鱼鳍进行电压为7kV、驱动频率为8Hz的驱动时，水下机器人的最小转向半径为85mm。图1.6仿蝠鲼水下机器人图1.7软体机器鱼SoFi图1.8气动驱动型仿生水下机器人弗吉尼亚大学ZhengChen等人[20]基于IPMC驱动器设计了一种新型仿蝠鲼水下机器人，如图1.6所示，该水下机器人模仿水下生物蝠鲼的外形结构和游动方式，采用IPMC驱动器对其躯干两侧的鱼鳍进行驱动，水下机器人的游动速度最高可达4.2mm/s。
【参考文献】：
期刊论文
[1]折纸及其折痕设计研究综述[J]. 李笑,李明. 力学学报. 2018(03)
[2]用于水下机器人姿态调节的电磁式水下合成射流激励器[J]. 贾连超,胡志强,耿令波,衣瑞文. 机器人. 2018(03)
[3]智能材料在水下仿生机器人驱动中的应用综述[J]. 刘贵杰,刘展文,田晓洁,王清扬,陈功. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2018(03)
[4]水下软体机器人柔性驱动方式及其仿生运动机理研究进展[J]. 傅珂杰,曹许诺,张桢,刘先卫,李国瑞,梁艺鸣,李铁风. 科技导报. 2017(18)
[5]机器鳕鱼胸鳍/尾鳍协同推进直线游动动力学建模与实验研究[J]. 李宗刚,徐卫强,王文博,杜亚江. 船舶力学. 2017(05)
[6]气压驱动软体机器人运动研究[J]. 费燕琼,庞武,于文博. 机械工程学报. 2017(13)
[7]基于纤维增强型驱动器的气动软体抓手设计[J]. 魏树军,王天宇,谷国迎. 机械工程学报. 2017(13)
[8]一种改进的Yeoh超弹性材料本构模型[J]. 李雪冰,危银涛. 工程力学. 2016(12)
[9]基于Kriging模型的微夹持器优化设计[J]. 胡俊峰,蔡建阳,郑昌虎. 中国机械工程. 2016(14)
[10]身体/尾鳍推进模式仿生机器鱼研究的进展与分析[J]. 王安忆,刘贵杰,王新宝,付碧波. 机械工程学报. 2016(17)
博士论文
[1]仿生乌贼推进器及其流体动力仿真和实验研究[D]. 李健.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]基于仿生原理的可展开结构设计[D]. 孙丽娜.西安电子科技大学 2010
[2]SMA驱动的仿乌贼喷射推进器原型研究[D]. 杜威.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3560005
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