基于液压软体驱动器的仿生水母机器人研究

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随着人类对海洋探索与开发需求的逐渐加快,水下机器人研究和开发受到国内外学者广泛关注。一些研究者在水下机器人研究过程中融入仿生学理论,研发出许多以生物为原型的仿生水下机器人,与传统水下机器人相比,仿生水下机器人具有重量轻、效率高、无污染、噪声低和灵活性高等特点。目前,仿生水下机器人设计原型多为鱼类,相关研究较为成熟,且被实际应用于海洋环境监测和勘察工作中。基于海洋生物的种群多样性,运动方式与作动机理的差异性,水母以其独特的游动方式成为仿生领域研究重点。近年来,部分研究人员以水母为仿生原型研发水下机器人,但起步时间较短,在驱动方式上存在局限性。本文结合仿生学理论与软体驱动器优点,设计一种基于液压软体驱动器的仿生水母机器人。本文以赤月水母为研究对象,测量了其身体尺寸并分析了其运动时的形态变化,结合水母动力学公式建立了仿生水母机器人动力学模型。对比各类软体驱动器的结构与驱动方式,选择液压软体驱动器驱动仿水母机器人,其具有良好柔韧性与可靠性。通过对不同制作工艺、材料模型和仿真方法的液压软体驱动器,确定使用浇筑成型制作工艺、Yeoh材料模型和有限元分析仿真方法对仿生水母的软体驱动器进行制作与仿真。以循环设计的思路设计了仿生水母的结构,及其驱动方式和各部位零件。设计优越的软体驱动器,包括中心软体驱动器和驱动臂软体驱动器,并使用有限元软件ABAQUS对其伸长率等性能进行了仿真计算。使用Matlab&Simulink对仿生水母的运动过程进行了动力学仿真,优化了仿生水母驱动臂初始角度、摆动角度及硬质驱动臂长度等参数,最后提出了软体驱动器控制优化方案。使用流体动力学仿真软件Fluent分析了仿生水母不同游动情况下的流场分布,通过分析流场压力和速度的矢量图、云图,验证了设计合理性和可靠性。根据软体驱动器体积变化和控制优化方案选择了仿生水母使用的水泵。完成了对仿生水母软体驱动器以及各零部件制作,其中软体驱动器采用浇筑成型方式加工,各部分零件通过3D打印技术加工。根据制作后零件的重量和形状计算了仿生水母重心和浮心,使其满足游动要求。对制作完成的仿生水母样机进行了展示,阐述了仿生水母测试实验所需仪器,并对仿生水母控制系统需要满足的要求以及系统硬件组成进行了简要说明。进行了仿生水母的调试和性能测试实验,阐述了实验系统的组成、原理和测试内容,并对实验结果进行了收集和统计。最后对得到的数据进行分析并得出结论。测试结果表明,仿生水母结构设计和控制方法具有可行性,液压软体驱动器与仿生水母的结合表现出了高度适配性。
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