哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 simulation to imitate the process of water droplet separating from the superhydrophobic surface under a range of angles.The changing of the force between the water and material under the conditions of different hydrophobic materials,the separation velocities and angles were statistically analyzed.The microscopic analysis result consistent with the changing of the separating forces measured by force platform Finally,a prototype of jumping robot was designed based on incomplete gears and springs.The dynamic model of the robot was built by Adams,and the jumping process of the robot was simulated combining the above theories and experimental parameters. The structure of the robot was optimized through changing the position of the center of gravity,the hydrophobicity of materials,area of supporting legs,spring tension and jumping angle of the robot.Then the robot was fabricated by 3D printing technology. The relevant simulation parameters were verified through a series of experiments to determine the finally configuration of robot.The final water-jumping robot achieved a stable continuous jumping process and wireless control. Keywords:water strider,water jumping,bionic robot,superhydrophobic material, microscopic mechanism -I-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - simulation to imitate the process of water droplet separating from the superhydrophobic surface under a range of angles. The changing of the force between the water and material under the conditions of different hydrophobic materials, the separation velocities and angles were statistically analyzed. The microscopic analysis result consistent with the changing of the separating forces measured by force platform. Finally, a prototype of jumping robot was designed based on incomplete gears and springs. The dynamic model of the robot was built by Adams, and the jumping process of the robot was simulated combining the above theories and experimental parameters. The structure of the robot was optimized through changing the position of the center of gravity, the hydrophobicity of materials, area of supporting legs, spring tension and jumping angle of the robot. Then the robot was fabricated by 3D printing technology. The relevant simulation parameters were verified through a series of experiments to determine the finally configuration of robot. The final water-jumping robot achieved a stable continuous jumping process and wireless control. Keywords: water strider, water jumping, bionic robot, superhydrophobic material, microscopic mechanism
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 摘要 Abstract. 第1章绪论 1 11课题来源及研究的背景和意义 .1 1.1.1课题来源 .1 1.1.2课题研究的背景和意义 1 1.2仿生水黾水面跳跃机器人相关研究现状 1 1.2.1水面昆虫的研究现状 1.2.2超疏水性材料机理及研究现状 1.2.3仿生水面及微型跳跃机器人研究现状 5 1.3主要研究内容 11 第2章仿生水黾机器人腿部受力分析 13 2.1引言. 13 2.2仿生水黾机器人腿部形状分析 13 2.2.1生物水黾受力分析 13 2.2.2腿部形状优化 15 2.3机器人平板腿受力模型 18 2.3.1平板模型 18 2.3.2单支撑腿 19 2.3.3多支撑腿 22 2.3.4主动腿受力 25 24本章小结 26 第3章仿生水黾机器人腿部运动受力测试 27 3.1引言… 27 3.2机器人腿部受力测量分析. 27 3.3实验测试平台研制 28 3.3.1实验平台工作原理 28 3.3.2实验平台误差分析及处理 29 3.3.3移动平台设计 31 3.3.4测量及控制系统设计 32 -IV-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - IV - 目 录 摘 要...............................................................................................................................I Abstract.............................................................................................................................II 第 1 章 绪 论.............................................................................................................. 1 1.1 课题来源及研究的背景和意义............................................................................ 1 1.1.1 课题来源........................................................................................................ 1 1.1.2 课题研究的背景和意义................................................................................ 1 1.2 仿生水黾水面跳跃机器人相关研究现状............................................................ 1 1.2.1 水面昆虫的研究现状.................................................................................... 1 1.2.2 超疏水性材料机理及研究现状.................................................................... 4 1.2.3 仿生水面及微型跳跃机器人研究现状........................................................ 5 1.3 主要研究内容.......................................................................................................11 第 2 章 仿生水黾机器人腿部受力分析.................................................................... 13 2.1 引言...................................................................................................................... 13 2.2 仿生水黾机器人腿部形状分析.......................................................................... 13 2.2.1 生物水黾受力分析...................................................................................... 13 2.2.2 腿部形状优化.............................................................................................. 15 2.3 机器人平板腿受力模型...................................................................................... 18 2.3.1 平板模型...................................................................................................... 18 2.3.2 单支撑腿...................................................................................................... 19 2.3.3 多支撑腿...................................................................................................... 22 2.3.4 主动腿受力.................................................................................................. 25 2.4 本章小结.............................................................................................................. 26 第 3 章 仿生水黾机器人腿部运动受力测试............................................................ 27 3.1 引言...................................................................................................................... 27 3.2 机器人腿部受力测量分析.................................................................................. 27 3.3 实验测试平台研制.............................................................................................. 28 3.3.1 实验平台工作原理...................................................................................... 28 3.3.2 实验平台误差分析及处理.......................................................................... 29 3.3.3 移动平台设计.............................................................................................. 31 3.3.4 测量及控制系统设计.................................................................................. 32
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 34实验结果及分析 33 3.4.1静态受力 34 3.4.2分离受力 35 3.5本章小结 37 第4章疏水性材料水面分离运动微观机理分析 38 4.1引言 38 4.2基于分子动力学分离过程微观建模 38 4.2.1机器人跳跃过程问题分析 38 4.2.2基于分子动力学的微观模拟建模 39 4.3疏水性材料水面分离微观模拟方法 40 4.4分子动力学模拟结果及分析 41 4.4.1接触角计算 41 4.4.2疏水性影响… 42 4.4.3不同角度影响 42 4.4.4不同速度影响 46 4.5氧化铜超疏水性材料. 47 4.5.1氧化铜材料制备 47 4.5.2氧化铜材料模型建立及参数设置 47 4.5.3氧化铜材料液滴分离过程模拟 48 4.6本章小结 48 第5章仿生水黾机器人的研制与实验研究 50 5.1引言 50 5.2机器人原理及结构设计 50 5.3 Adams模型仿真分析 52 5.3.1 Adams模型建立 52 5.3.2重心调节分析 53 5.3.3 Adams仿真… 54 5.4机器人制作及跳跃实验 57 5.4.1机器人制作 57 5.4.2机器人跳跃实验 58 5.4.3无线操作机器人跳跃实验 62 5.5本章小结 62 结论 64 参考文献 65
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - V - 3.4 实验结果及分析.................................................................................................. 33 3.4.1 静态受力...................................................................................................... 34 3.4.2 分离受力...................................................................................................... 35 3.5 本章小结.............................................................................................................. 37 第 4 章 疏水性材料水面分离运动微观机理分析.................................................... 38 4.1 引言...................................................................................................................... 38 4.2 基于分子动力学分离过程微观建模.................................................................. 38 4.2.1 机器人跳跃过程问题分析.......................................................................... 38 4.2.2 基于分子动力学的微观模拟建模.............................................................. 39 4.3 疏水性材料水面分离微观模拟方法.................................................................. 40 4.4 分子动力学模拟结果及分析.............................................................................. 41 4.4.1 接触角计算.................................................................................................. 41 4.4.2 疏水性影响.................................................................................................. 42 4.4.3 不同角度影响.............................................................................................. 42 4.4.4 不同速度影响.............................................................................................. 46 4.5 氧化铜超疏水性材料.......................................................................................... 47 4.5.1 氧化铜材料制备.......................................................................................... 47 4.5.2 氧化铜材料模型建立及参数设置.............................................................. 47 4.5.3 氧化铜材料液滴分离过程模拟.................................................................. 48 4.6 本章小结.............................................................................................................. 48 第 5 章 仿生水黾机器人的研制与实验研究............................................................ 50 5.1 引言...................................................................................................................... 50 5.2 机器人原理及结构设计...................................................................................... 50 5.3 Adams 模型仿真分析 .......................................................................................... 52 5.3.1 Adams 模型建立........................................................................................... 52 5.3.2 重心调节分析.............................................................................................. 53 5.3.3 Adams 仿真................................................................................................... 54 5.4 机器人制作及跳跃实验...................................................................................... 57 5.4.1 机器人制作.................................................................................................. 57 5.4.2 机器人跳跃实验.......................................................................................... 58 5.4.3 无线操作机器人跳跃实验.......................................................................... 62 5.5 本章小结.............................................................................................................. 62 结 论............................................................................................................................ 64 参考文献........................................................................................................................ 65
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 68 附录 69 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 70 致谢.… 71 VI-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - VI - 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果................................................................ 68 附 录............................................................................................................................ 69 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限.................................................... 70 致 谢............................................................................................................................ 71
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章绪论 1.1课题来源及研究的背景和意义 人类对自然的崇拜和追求是亘古不变的，从远古时代到工业时代再到现代， 人类在生产力不断进步的同时，对仿生技术的追求也在不断发展。从最初船桨的 应用，到飞翔梦想的实现，再到现在各类仿生机器人的涌现。随着科技不断进 步，仿生所涉及的领域已经融入生活，人类也在对自然的学习过程中不断创新。 1.1.1课题来源 本课题来源于国家自然科学基金“仿生水黾机器人水面行走动力学研究”。 1.1.2课题研究的背景和意义 随着能在陆地、水下、空中以及极限环境中工作的机器人不断浮现，人类所 涉及的领域也在不断地扩展，逐渐渗透到从小到大的各个领域，但是，各领域交 界处的技术研究仍然有待于进一步的深入。介观体系与临界空间领域的研究已日 臻成熟，而水空气界面领域仍少有涉及。 水黾作为一种能够在水面自由滑行、跳跃的水栖昆虫，它在水空气界面的运 动优势吸引了越来越多的学者关注。不同于往常人们的认知，其很好地利用了表 面张力实现漂浮状态，在水面运动阻力小、效率高，这种运动形式引发了学者们 追求更极致性能的兴致。从发现超疏水性的原因到实现人工制备超疏水性材料再 到材料的应用，学者们不断接近水黾的特性并寻求超越。 作为应用的仿水黾机器人将不仅仅从材料上进行功能仿制，还将从跳跃动作 上进行模仿以实现同样的高效运动的同时根据实际应用需求进行改造，随着微型 电子元件及微细加工的发展，未来能够搭载摄像头实现侦察、探测的工作，从而 使该机器人成为一种低成本、高效率、高隐蔽性的探测机器人。 1.2仿生水黾水面跳跃机器人相关研究现状 根据课题所涉及内容，主要分为三个方向介绍课题相关研究现状。 1.2.1水面昆虫的研究现状 仿生机器人的发展均是从生物领域提取灵感的，对于生物的相关研究目前也 -1-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题来源及研究的背景和意义 人类对自然的崇拜和追求是亘古不变的，从远古时代到工业时代再到现代， 人类在生产力不断进步的同时，对仿生技术的追求也在不断发展。从最初船桨的 应用，到飞翔梦想的实现，再到现在各类仿生机器人的涌现。随着科技不断进 步，仿生所涉及的领域已经融入生活，人类也在对自然的学习过程中不断创新。 1.1.1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金“仿生水黾机器人水面行走动力学研究”。 1.1.2 课题研究的背景和意义 随着能在陆地、水下、空中以及极限环境中工作的机器人不断浮现，人类所 涉及的领域也在不断地扩展，逐渐渗透到从小到大的各个领域，但是，各领域交 界处的技术研究仍然有待于进一步的深入。介观体系与临界空间领域的研究已日 臻成熟，而水空气界面领域仍少有涉及。 水黾作为一种能够在水面自由滑行、跳跃的水栖昆虫，它在水空气界面的运 动优势吸引了越来越多的学者关注。不同于往常人们的认知，其很好地利用了表 面张力实现漂浮状态，在水面运动阻力小、效率高，这种运动形式引发了学者们 追求更极致性能的兴致。从发现超疏水性的原因到实现人工制备超疏水性材料再 到材料的应用，学者们不断接近水黾的特性并寻求超越。 作为应用的仿水黾机器人将不仅仅从材料上进行功能仿制，还将从跳跃动作 上进行模仿以实现同样的高效运动的同时根据实际应用需求进行改造，随着微型 电子元件及微细加工的发展，未来能够搭载摄像头实现侦察、探测的工作，从而 使该机器人成为一种低成本、高效率、高隐蔽性的探测机器人。 1.2 仿生水黾水面跳跃机器人相关研究现状 根据课题所涉及内容，主要分为三个方向介绍课题相关研究现状。 1.2.1 水面昆虫的研究现状 仿生机器人的发展均是从生物领域提取灵感的，对于生物的相关研究目前也