基于输流软管驱动的仿水母动力学设计、仿真与实验

本文创新性地提出了一种基于输流软管变形驱动的新型仿水母机器人设计.当弯曲初始构型的软管输送流体时会产生较大的变形,在流速为零时软管便会恢复到初始构型,通过利用软管周期性的变形-恢复原理达到驱动目的.首先,基于绝对节点坐标法建立了输流软管的非线性动力学理论模型,通过动力学分析确定了在较小流速下产生较大变形的软管构型设计.然后,按照该弯曲初始构型制作了仿水母软体触手,并在水中开展了不同流速下的变形-恢复实验研究,与理论模型预测结果进行了对比.此外,发展了结构变形与流体动力学耦合的仿真方法,探究了仿水母机器人的内部流速和触手个数对作用在触手上的流体力的影响规律.研究表明,内流速越大,触手变形也越大,触手摆动频率降低,但最大流体力逐渐增大;在内流速相同的情况下,触手个数对单个触手变形产生的最大流体力没有影响.最后,通过3D打印制作了头部和三通接头,与软体触手共同组成仿水母机器人,在水下进一步开展了推进实验研究.实验表明,随着电压(内部流速)的增大,软体触手变形越大,推进速度也越大;相比于喷水推进模式,通过利用软体触手变形可提高28%的推进速度.本研究为水下仿生机器人驱动方式提供了一种新的设计策略.

“海洋精灵”制作记

大三时,学校开设了《单片机原理及应用》课程,郭岩宝教授对单片机理论的剖析以及实验动手环节为我打开了自动控制的大门,我欣喜地发现这门技术可以控制众多硬件设备,昔日里我脑中的许多梦想有了实际落地的可能。也是在这一年,我参加了全国大学生节能减排大赛,设计了一个阀门控制电路用于项目之中。最终,该项目获得了国家三等奖。