微型泳动机器人理论及实验研究

1、浙江大学硕学位论文摘要摘要近来随着微细加工技术、微机电技术以及医疗事业的发展，在国际上对各种微型管道机器人和医用微型机器人的研究十分活跃。体内微型泳动机器人作为医用机器人的一种，具有巨大的潜在应用前景。本论文阐述了微型泳动机器人波动前进时的运动学模型和动力学模型，并进行计算分析求解，给出理论运动规律。经过实验研究归纳微型机器人的实际运动规律，与理论运动规律进行对比研究，分析各因素对其运动状态的影响。第一章介绍了微型泳动机器人的研究背景，详细介绍了国内外微型机器人的发展现状以及微型机器人研究的关键技术和难点。提出了一种微型泳动机器人，并给出了本课题的研究意义和研究内容。第二章介绍了微型泳动机器人

2、的理论基础和驱动原理，对微型机器人进行运动学和动力学分析，建立理论研究模型。分析微型机器入运动过程中的阻力，并对不同前进方式的效率进行研究对比。第三章详细介绍了微型泳动机器人原理样机与实验装置的构成及其可实现的功能。介绍了微型机器人的可实现的功能和机动性能原理，对实验装霞的测量原理做了详细说明，并对测量结果的精度进行了合理的误差分析。第四章介绍了微型泳动机器人的种不同的机动性能实验方案，对微型泳动机器人进行了详细的实验研究，给出相应实验研究结果，对微型机器人的实验规律进行初步分析总结。第五章对微型泳动机器人的运动性能进行理论研究，分析在各种条件下不同因素对机器人运动性能的影响，计算其理论运动规

3、律。对微型泳动机器人的实验结果与理论分析进行对比研究，发现实验结果与理论研究规律的之间的差异，对实验中异常现象做出解释。第六章对整个课题和论文的工作进行了总结和展望。本论文受国家自然科学基金项目资助（）关键词：微型泳动机器人，仿生学，泳动理论，波动推进浙江大学硕士学位论文下丁，；，浙江大学硕士学位论文致谢致谢首先向已故的周银生导师表示最诚挚的感谢和深深的怀念本论文是在顾大强教授悉心指导下完成的。在硕士研究生求学期间，顾老师不仅在学业上给我悉心的指导，而且在生活上给我很多亲切的关怀和帮助。顾老师致力教育，他严谨的治学态度，渊博的学识，孜孜不倦的工作作风以及对事业的执著追求都给我留下了深刻的印象，

4、也将永远激励着我在今后的学习和工作中不断努力奋斗。在硕士研究生学习期间，我要感谢课题组陈柏博士、胡忠文硕士和胡飞硕士在学习和生活上的热情帮助和支持，在此向他们表示衷心的感谢！同时，对在我的学习和生活中给予帮助的老师和同学表示真诚的谢意！最后，特别感谢我的家人在我的求学生涯中毫无保留的关心和支持：作者：于克龙浙江大学浙汀大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论【摘要】分析国内外微型机器人的研究现状，介绍了微型机器人的研究背景和意义，在现有微型机器人研究的基础上，提出一种波动推进的泳动微型机器人。最后给出了本论文的研究意义和研究内容。前言微型机器人是随着（，即微电予机械系统）的发展而发展起来的【。这种

5、电子微机械系统很好地集微型机构、微型传感器、微型致动器（或执行器）以及信号处理和控制电路，甚至接口、通讯和电源于一体，成为具有某些功能的一体化的微型器件系统。技术起始于八十年代中术期，一开始就受到世界各国的广泛重视，并由此诞生了微电子学、微机构学、微摩擦学、微流体力学、微细加工技术等新的研究领域，其主要研究方向包括微小执行器、微小驱动器、微机器人、微机器人装配工艺及微机器人的图像识别控制装配系统。它以微电子及机械加工为依托，范围涉及电子学、机械学、自动控制、力学、信息学、生物学、材料科学等多种工程技术和学科。以其微型化的优势，在汽车、电子、家电、机电等行业和军事领域有着极为广阔的应用前景。微型

6、机器人是在微细加工技术和微电子机械系统基础上迅速发展起来的一个多学科交叉的前沿研究领域，是微机电系统（）的重要分支，是微机电系统发展的高级形式。年，美国大学发明了基于表面牺牲层技术的微马达后，首次成功研制出西吮的静电型微马达，引起国际学术界的轰动，使人们看到了电路与执行部件集成制作的可能性，被视为技术的开端【。随之微型电子机械学、微型机械、微传感器和真空微电子学及其相应的结构、装置和系统的开发研究也出现了新的研究势头。年，美国的一批著名科学家就提出：“小机器、大机遇”，科学界应进一步加强对的研究。年，美图公司采用该技术成功地将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着技术商品化的开

7、端。九十年代，发达国家先后投巨资并设立国家重大项目促进其发展。此后，技术发展迅速，特别是深槽刻蚀技术出现后，围绕该技术发展了多种新型加工工艺。最近，美国朗讯公司开发的基于光开关的路由器已经试闱，预示着发展又一高潮的来临。目前已经开发出手指大小的微型移动机器人，可翊于进浙江大学硕士学位论文第一章绪论入小型管道进行检查作业。预计将生产出毫米级大小的微型移动机器人和直径为几百微米甚至更小（纳米级）的医疗机器人，可让它们直接进入人体器官，只有纳米分辨率表面成像和渗透能力，进行各种疾病的诊断和治疗，而不伤害人的健康“。目前部分器件已经实现了产业化，如微型加速度计、微型压力传感器、数字微镜器件（）、喷墨打

8、印机的微喷嘴、生物芯片等，并且应用领域十分广泛。有人称微型机器和微型机器人为世纪的尖端技术之一。突破传统的机械加工方法和手段，利用微细加工技术可制造出微型低成本机械部件，如微型传感器、微型电动机、微型齿轮等微型机电产品，已开发成功集成电路（）技术、光刻电铸（）技术、腐蚀成型技术、键合法等。近年来国际上的专利数正呈指数规律增长，说明技术全面发展和产业快速起步的阶段已经到来。微电子机械系统及相关技术的发展为微型机器人的研究奠定了坚实的基础。微型机器人在微型电子机械学方面，利用集成电路微细加工技术可在只有几个立方毫米的硅片上集成机构及其驱动器和传动装置、传感器、控制器、电源等，获得功能完备的机电一体

9、化的微电子机械系统。这种电子微机械系统可将整个系统的尺寸缩小到几毫米甚至几百微米，因此这使微型机器人的研制逐渐成为机器人发展领域的一个重要方向。另外，近年来快速发展起来的新型功能材料对微型机器人的发展也起着重要的推动作用。目前已经有很多新型功能材料在微型机器人的研制上得到应用，比如形状记忆合金材料（）、超磁致伸缩材料（）、铁磁橡胶材料（）、压电陶瓷材料（）、离予聚合物（）、离子交换膜金属复合材料（）、凝胶复合材料（）和人造肌肉等都已经在微型机器人的研制卜获得应用。微型机器人的应用领域正在不断扩大，无论是在民用如农业、工业、医学、生物等领域，还是军用如军事和航空领域，都有着广泛的应用。在农业上可

10、以用来杀灭害虫、定点洒农药；在工业和人们日常生活中，微型机器人给埋藏在地下的大量、无数的小口径输液管道的检测和维护提供了一种很好方式和手段。在核工业上可以用来处理核电站事故、进行设备维修以及对核燃料进行处理。在医学上医用微型机器人的研究正在不断取得进展”】。在军事上可以用于军事要地的报警、防卫战略要地等，也可以攻击敌人的重要设施、实现定点爆破，或者深入敌后获取重要的军事情报。在航天上发射微型卫星可以大大降低卫星的成本和发射费用。微型机器人的研究现状随着微细加工技术和微型电子机械技术以及医疗事业的发展，各种微型管浙江大学硕十学位论文第一章绪论道检测机器人和医用微型机器人的研究成果不断出现，尤其是

11、体内微型机器人，它已经成为举世瞩目的重大科技发展方向。微型机器人的研究正处于逐步发展时期，还没有公认的分类标准和性能评价准则。本节按照机器人的运动形式和用途将其分为平面运动型、管道内运动型、人体内运动型和游泳型四种类型。平面运动型微型机器人的研究现状这类微型机器人是一种极常见的微型机械，大体可分为以下几类：）轮式运动模型轮式移动机器人是应用最多的一种机器人，它一般是将具有独立驱动装置、换向装置和制动装置的滚轮安装在由电机驱动的腿结构的末端，这些机构和装置增加了机器人的重量，限制了机器人机动性和灵活性。年初精工爱普生公司成功开发了体积仅立方厘米、重仅为克的微型机器人“”。依靠安装在两边的轮子移动

12、，其移动速度相当快，为毫米秒，而轮子的驱动则使用了厚度仅毫米的超声波马达。图所示的是一种从动轮式移动机器人。）仿蛇形机器人模型仿蛇形机器人就是把蛇的运动机理和行为方式应用到机器人上。传统的轮式移动机器人的运动平滑，效率高，但需要相对光滑的地面，不能够适应恶劣的环境。蛇形机器人实现了象蛇一样的“无肢运动”，而不需要轮子和腿，具有运动稳定性好，适应地形能力强；由于采用模块化结构的特点，可靠性和维护性高；并且结构体积较小，适应各种狭小的环境：关节不外露，可以很好的密封，可用于水下作业。图所示是一种仿蛇形机器人。图轮式移动机器人图仿蛇形机器人）仿昆虫机器人模型利用机械共振原理实现机器人直线和转弯运动，

13、避免了有线能源供应，提高了运动的灵活性，但其运动模式受到共振频率和振动模态的限制。日本东京大学等人用超声场驱动微型蚂蚁，浙江大学硕十学位论文第一章绪论实现了前进和转向运动微型蚂蚁的尺寸为，材料为单晶硅，使用技术制造。微型蚂蚁置于压电振动台上，压电振动台振动时产生超声能量场，其振动频率可以被控制，如图所示。由于微型蚂蚁各个腿的固有频率各不相同，所以发生共振的腿将被激活，这样使用不同的振动频率组合就可以使微型蚂蚁完成不同的动作。类似的还有仿蜘蛛机器人，如图所示。图超声场中的微型蚂蚁图仿蜘蛛机器人）聚乙二烯氟化物（）模型【”该模型包括一个片，电极分布在其两侧，片被弯成拱形，如图。在交流电作用下引起拱

14、振动，由于拱的两端与接触面问有不同的摩擦系数，从而引起模型的单向运动。这个模型表明了物理尺寸和运动能力之间的重要关系。）“刷状”模型【通过把随电机转动的离心质量产生的离心力传递到与地面接触的弹性纤维刷上，产生模型运动的驱动力如图所示。此模型的优点是采用纽扣电池供能，省去了导线，提高了微型机器人的运动灵活性，但是在运动方向的控制和自主性方面还有待提高。蚺蛞人”戈离，蛇茁图拱模型图利用离心力的微型机器人刷状模型微小管道中运动型微型机器人的研究现状管道微型机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走，携有一种或多种传感器及操作器，在操作人员的遥控操作或计算机的自动控制下，能够进行一系列管道作业的机电一

15、体化系统。由于受结构尺寸和作业空间的限制，微型机器人很难采用常规的驱动方式和驱动机构。管道微型机器人有着广泛的应用磐赫缝归，艟一篙黧耕莰，蕊甲惫一峨篡一蜒一纭删、，扩彳，浙江大学硕士学付论文第一牵绪论前景，目前大多数的管道机器人研究主要基于管道检测和维修这样一个应用背景。而管道微型机器人在医疗、生物工程、细小工业管道的检测和维修等方面的应用前景乜益硅露出来【。目前在一些核工业和石油化工领域经常会遇到微型管道的检测和修复问题，这些场合是不适合人去工作的，所以管道微型机器人有着很好的应用前景。年月瑞典科学家初步研制出一种新的超微型机械人，尺寸只有，如图，所示。国内外有学者提出了一种带螺旋沟槽推进装

16、置的医疗微型机器人模型，如图所示，可以在充满液体的微细管道中运动。这都显示了该领域的良好发展势头”。图超徽型机械人、肋片圈带沟槽的螺旋推进装置）形状记忆合金（）模型形状记忆合金（）用于微驱动器是一种极好选择。体积越小，功重比越大；采用驱动后可省略传动机构，使结构大为简化；同时可以实现精确控制。元件能够充当驱动器，是因为在变温相变过程中有回复力输出，这一回复力可以对外做功，如钛镍（）形状记忆合金的回复力可达。图是一种直线驱动机器人。）压电驱动模型卜日本公司研制出压电元件驱动的微型机器人，用于细小工业管道的自动化检测工作。微型机器人主要由压电元件、配重和夹钳组成，携带涡轮传感器进行榆测，该微型机器

17、人是根据惯性冲击运动的原理设计的。图为该微型机器人的运动示意图。警逼跚持螺簏弹簧熊耋锋、。，任歌毗盘蠹如攫期圈形状记忆合金管道机器人图压电式管道镀壅机器人）交变磁场驱动模型日本大学等人用巨磁致伸缩材料（）制作的微型管道机器人，在交变磁场的激励下能够实现前进和后退。巨磁致伸缩材料是一种在交变磁场中氏度会发生伸长和浙江大学硕士学位论文第一章绪论缩短的智能材料，在巨磁致伸缩棒的侧面安装上具有一定倾角的腿，当旋加外部交变磁场、，巨磁致伸缩棒的变形被放大，并依靠腿尖与管道内壁的碰撞实现移动，移动方式如图所示。实验表明移动方向与腿的倾角方向相反，并可以通过控制加外部电磁线圈上的电流来改变；移动速率与外磁场

18、激励频率有关，在一定频率范用内随著频率的增加而增大。）外加旋转磁场驱动模型，日本东北大学的等采用外加旋转磁场驱动螺旋状结构的磁体，微机器人的本体是一个直径为所的圆柱形永磁体，在本体上缠绕有直径为的金属线，形成一个螺旋状叶片，如图所示。当外加旋转磁场时，磁体在径向被磁化，产生与外磁场同步的旋转运动，叶片给液体一个向后的作用力。反过来机器人受到一个向前的推进力，因此向前游动。通过改变外磁场的方向来控制运动方向，运动速度决定于外磁场的强度、频率和介质。翟斟萑吾耋斟翟斟琶斟警燮避匡二甄瓯二，！图管道微机器人的移动模式图外部旋转磁场推进的泳动微机器人）微波驱动模型，日本公司研制出一种用微波驱动的金属管道

19、探测微型机器人，整个机器人的外径为，长，包括模块、控制电路、移动装置，摄像头，如图所示。微波接收电路将的微波转换成直流电，再通过门电路生成锯齿波电压用于驱动层双压电变形膜执行器，微波能量功率为。双压电变形膜在锯齿波电压的作用下，产生惯性冲击移动，即根据不同时刻静摩擦力大小与伸缩冲击力大小的比较，实现存金属管道中的移动，其前后运动方向通过改变锯齿波波形来控制。）轮式管内移动模型。日本学者福田敏男、细贝英夫在年研制可以通过。，形无圆弧过渡的管内移动机器人。从转弯的难易程度考虑“”型垂直管要比圆形弯管复杂，该机器人行走机构分别由头部和本体两部分组成，头部和本体可以相对回转。当机器人在直管内行走时，本

20、机上的电动机通过减速装置带动本体上的驱动轮转动，使机器人沿直管行走。当通过度弯管时，电动机驱动头部作姿态调整，同时驱动头部履带，引导机器人通过弯管。图为该微型机器人示意图。浙江大学硕上学位论义第一章绪论图无线管道检查微机器人图轮式小管径管内移动机器人人体内运动型微型机器人的研究现状）蠕动模型】这种模型包含有至少两个用于支撑躯体的气囊和至少一个町以产生驱动力的气囊，属于气动驱动、蠕动型微型机械人，可以在内径为的玻璃管道中移动如图所示。这种模型在将来应用到内诊镜导航系统方面具有一定的潜力。）螺旋驱动模型【卜】浙江大学周银生教授等人根据动压润滑理论的机理提出了一种新型的微型机器人的驱动机构。此种微型

21、机器人能够在充满液体的弯曲管道内运行。当它在充满液体的微型管道内运行时，在它的周围会自动形成一层动压润滑薄膜，此润滑薄膜能够有效地避免它与管道壁面发生直接接触。此种微型机器人能够以较快的速度在管内悬浮运行，特别适合用于在人体内腔中推进内窥镜。图该微型机器人的结构原理示意图。下（瓦；趸；一、，：。”二卫妥重豆二亘霸砬：”】薹亘豆丑二匿垂亘耍二圈霆性蠕动机器人图微型机器人的结构原理示意图）仿尺蠖式运动模型，年，意大利的等和比利时大学的等提出了一种有自推进能力的内窥镜，它由本体、控制系统和微小手臂三部分组成。本体包括三个气囊驱动器，其中一个为轴向伸缩的推进驱动器，用来推动微机器人，两个径向伸缩的夹紧

22、驱动器，使得机器人的两端与肠道内壁夹紧，产生摩擦力。机器人的运动是仿尺蠖运动。如图所示。）内诊器模型一种被多个微型执行器驱动的、用于最小浙江人学硕学位论文第一章绪论入侵手术的微型机器人超级内诊器已经被推出如图所示。这种机器人可以进入人体进行腹腔手术操作，但是需要多条导线。图自推进微型机器人内窥镜图超级内诊器徽型机器人液体中游动型微型机器人的研究现状在工业和日常生活中有大量、无数的液体管道（输油管、水管），特别是埋在地下小口径管道的数量更是众多，分布的面更广，它们的维护是一个迫切解决的大问题因此，人们已经开展了管内和管外机器人的研究。人体内血液通过血管可以到达人体内部的任何地方，现在世界上已研制

23、出直径为的微型内视镜，通过血管进行体内的一些局部治疗。但是这种微型内视镜在血管中的运动是靠人手在体外施加推力来进行的，这既会给患者带来很大的痛苦，也对进行手术的医生的技术水平提出更高的要求。从而人们设想通过血管机器人进行定点投药或作其它形式治疗【”。基于以上存在的问题，液体中游动微型机器人的研究将为液体微管道机器人提供一种更重要的形式，同时为血管机器人的研究提供基础。根据游动微型机器人驱动元件采用的材料米分，可以分为以下几类：）形状记忆合金（）驱动游动机器人【”】某些金属材料在发生塑性变形后，如通过加热使其温度升到某一特定温度之上，便能回复到变形前的形状，这种现象称为形状记忆效应。具有这种效应

24、的金属通常为合金，故称为形状记忆合金。形状记忆合金驱动器就是利用在形状记忆效应中输出的位移和力来对外界做功的机构，目前形状汜忆合金（）作为微型驱动器的主要驱动方式有：薄膜驱动、纤维驱动、丝驱动、弹簧驱动以及内嵌式驱动。国内外根据形状记忆合金的特性已经研制了多种微型机器人，例如美国等人利用作为驱动器研究了一种能在诸如水等液体中游动的机器人游动推进装置，它通过模仿鱼类的尾鳍来实现游动推进，图是该游动机器人的结构示意图。）超磁致伸缩材料驱动振动式游动机器人”】磁致伸缩材料原理是处浙大学硕十学位论文第一章绪论于磁场的磁性材料中的磁畴旋转直至与磁场方向排列一致，并导致材料的膨胀，从而使超磁致伸缩材料在外

25、界磁场的作用下，沿磁力线方向产生伸缩相对变彤。当超磁致伸缩材料构成的电一机械能量转换器在磁场激励下，将产生外部位移和力输出，从而可以作为一种微型执行器驱动元件。利用超磁致伸缩材料制成的微型驱动器已经在微型机器人上获得了应用，并且取得了良好的效果。图是利用超磁致伸缩材料制作的一种微型机器人的微型驱动器，随着外部磁场的变化，超磁致伸缩器的薄膜不断变形而使薄膜产生弯曲，从而使薄膜不停的摆动，能够在液体中像鱼类一样推动微型机器人的运动。（二挚圈游动推进装置图微型机器人的超越致伸缩驱动嚣）铁磁橡胶（）驱动游动机器人玎铁磁橡胶（）是一种含有纯铁粉颗粒的橡胶，其制备方法是首先将粒度为的还原铁粉与硅橡胶粘合剂

26、按一定比例均匀混合，然后置于模具中在室温下固化小时，最后将已固化的样品切成所需形状，即可用于制作微型驱动器。由于含有纯铁粉，因此具有软磁特性，既可以被磁场磁化，产生磁吸引力，当磁场撤销后义能基本恢复无磁性状态。同时，的基材是硅橡胶，具有较好的柔软性和弹性，在外力的作用下会发生较大的变形，夕撤销后又能恢复原状。中国科技大学梅涛等人利用铁磁橡胶的软磁性和机械弹性研制的微型驱动执行器，可用于无线驱动游动微型机器人，如图所示。微型机器人在外加磁场下能够像鱼类那样在液体中游动，通过改变磁场的强度和频率可以控制机器人在液体中前进或后退。）压电材料元件驱动游动机器人【与其他微型驱动器相比，压电元件微型驱动器

27、具有独特的优势：易于微型化、响应快、控制方便、对周围环境影响不大，此外该压电微型驱动器还有无磁场干扰、低电压驱动等优点，因此很适合作为微型机器人的微型驱动器。日本等人利用压电元件研制了双鳍鱼形微型机器人，如图。所示。这种机器人能够在液体中像鱼类那样前后自由游动。目前国内也利用压电元件作为驱动器研制了相应的微型机器人驱动机构。浙江大学硕士学位论文第一章绪论州咖“州珥口出图驱动的游动微型机器人图压电材料驱动的双簧仿鱼微型机器人）应用高分子驱动器的游动机器人【。”】（）是一种新型的智能材料，称为离子交换薄膜金属复合材料，是由阳离子交换膜和铂等贵金属通过化学镀的方法复合而成。由于材料的微观结构是离子化

28、的，在电场的作用下，聚合物分子链两侧包含的相反极性固定电荷产生吸引和排斥作用，使得相同电荷极性的运动离子产生迁移，从而引起薄膜产生局部收缩和溶胀，其两侧产生压力梯度而形成弯曲。当施加交变电压信号时，薄膜产生振动弯曲，并且弯曲位移取决于输入信号的幅值和频率。因此构成驱动器或传感器。的驱动性能非常类似于生物肌肉，故称其为“人工肌肉”，它是一种适合于开发微型机器人的驱动材料。人们利用这种材料，可制作出具有高度的可操纵性、无噪音、动作灵活，可类似模仿人体手臂、鱼类、昆虫等动作的仿生机器人。与由常规材料构成的驱动机构相比，它能提供很高的化学能转换为机械能的变换效率。目前，国内外已经利用研制出了多种游动微

29、型机器人。等人应用高分子驱动器研制了具有柔软性，低电压驱动和体内安全的微型机器人，如图所示。这种微型机器人模仿鱼的游动原理，应用分子驱动器。他们试做的微型机器入外形似小船，长度，宽，厚，具有一对驱动翼，由脉冲电压驱动而产生驱动力，通过改变脉冲电压的频率（），可以测定微型机器人在水中的游动特性。实验结果证明了他们提出的新型水中微型机器人的构造合理，改变脉冲电压的频率可以控制其在水中的游动状态。这一研究成果在工业和医疗领域有广泛的应用前景。圈微型机器人示意图删一拶“髫硼望浙江火学硕士学位论文第一章绪论）其它类型游动机器人”目前国内外研究人员利用微电动机或外部磁场结合螺旋驱动研制出了多种微型机器人。

30、日本的等人利用外部磁场磺制了一神新型的微型机器人驱动推进机构，如图所示。微型机器人由螺旋形头部和附在其后的磁铁组成，通过施加外部磁场使磁铁在磁转矩的作用下产生旋转，该微型机器人驱动推进机构在螺旋头部的推进下产生运动。类似。日本等人利用外部磁场研制了一种新型的在液体中游动推进机构（由螺旋形导线和附在其上小磁铁组成），通过施加外部磁场使小磁铁在磁转矩的作用下产生旋转，该泳动机构在沿螺旋线的传播波形的推进下产生运动，如图所示。（。，。咧篙等：。圈磁场驱动螺旋型微型机器人圈镬型机器人泳动机构本课题的研究意义和研究内容本课题的研究意义海洋动物的推进方式具有高效率、低噪声、高速度、高机动性等优点，成为人们

31、研制新型高速、低嗓音、机动灵活的柔体潜水器的模仿对象。运动仿生是仿生机器人研制成功的前提，而进行运动仿生的关键则在于对运动机理的建模。在具体研究过程中，应首先根据具体的技术需求，有选择地研究某些生物的结构与运动机理，借助于高速摄影或录像设备，结合解剖学、生理学和力学，建立所需运动的生物模型；在此基础上进行数学分析和抽象，提取出内部的函数关联，建立仿生的数学模型；最后，利用各种机械、电子、化学等工具方法，根据抽象出的数学模型加工出仿生的软硬件模型。目前，应用仿生学原理，模拟生物的运动形式，成为微小型机器人研究的个热点。随着目前微机械制造水平的提高，制造出小巧、有创新功能的微机械产品是人们所希望的

32、。在设计、制作微机械过程中，人们发现总体尺寸缩小后，如果仍用传统的理论概念，相应缩小每个零件的尺寸，即便作了力学仿真和克服了巨大的工艺困难也难以成功“。研究鱼类等水下生物的运动机理，为微机械设计寻找新理论，浙江人学硕士学位论文第一章绪论是仿生泳动机器人研究的一个重要研究方向。在实践中，常常需要在充满液体的狭小环境中开展工作，如输油管、水管、海上石油钻井等，人难以进入或进入后有危险，而采用机器人是良好的选择。液体中运动装置的驱动可采用螺旋桨和泳动方式。传统螺旋桨推进器存在着能源利用率低、结构尺寸和重量大、对环境扰动及噪声大、可靠性、加速性能以及运动灵活性能差等缺点。鱼类的游动方式具有高速、高效、

33、灵活、低噪等特点，其游动和控制姿态的能力是任何目前装备传统的操纵与推进系统的潜水器所无法比拟的，将其应用于水下机器人，将为水下机器人的研究和发展提供新的起点和更为广阔的空间。近年来仿生水下机器人已经成为水下机器人的重要研究方向之一。因此，利用泳动推进的机器人装置不仅具有高效率、多自由度、无噪声等优点，而且还使其小型化、微型化成为可能。如何结合鱼类游动理论，探索在“微”的条件下游动微机器人运动机理成为值得研究的重点。本课题的研究内容本文的目的是研究种能在水中或粘性流体管道中运动的泳动微型机器人。该微型机器人结构简单，能量利用率高，转向控制和加速性能好，是一种无损伤驱动的游动微型机器人。它具有柔韧

34、性好、低电压驱动、良好的响应性能等特点。本课题在国家自然科学基金项目血管微型机器人驱动原理与控制方法的研究（资助号：）资助下开展微型泳动机器人理论及实验研究。图是泳动微型机器人驱动机构的示意图，它由头部和柔性尾部两大部分组成。主要部分包括微型电机、微型摆动机构和具有柔性的尾巴。其中微型电机、微型摆动机构安置在头部内。当接通微型电机时，微型摆动机构带动柔性尾鳍左右摆动击水，利用其产生的反作用力使微型机器人向前推进，通过控制微型电机的转速可以控制微型机器人的游动状态。此外，通过调整重心还可以控制微型机器人的转向。一一一一一一、。一尾部头部图微型机器人的侧面示意图浙江大学顶十学位论文第一章绪论本课题

35、提出的研究内容：）对目前仿生鱼类游动理论进行研究，并对其中一种推进理论进行详细推导。在该理论基础上设计了微型泳动机器人，并以此来验证和完善该理论。同时设计制造了应用该理论的微型泳动机器人的原理样机和实验装置，为验证该理论提供了物理平台。）对微型泳动机器人进行实验研究，讨论影响微型泳动机器人运动状态的各项因素，并在各种情况下进行实验，获得实验结论。获取机器人的实际运动舰律，并对其进行初步分析。）根据理论对微型泳动机器人的运动状态进行描述，给出在不同因素影响下的运动曲线。对微型泳动机器人理论运动规律和实际运动规律进行比较，分析其差异的原因，并做出解释。）对本课题的研究给出总体结论，叙述了各项因素对

36、微型泳动机器人的运动状态所产生的影响，并对将来进一步研究和应用做出展望。浙江太学颂士学位论文第二章微型泳动机墨人的理沦研究第二章微型泳动机器人的理论研究【摘要】介绍了微型泳动机器人的理论基础和驱动原理，并对其进行周密推导。给出微型泳动机器人的运动学模型和动力学模型，并对其进行详细的运动学和动力学分析。对微型泳动机器人前进时的阻力进行简要分析，并对推进方式和效率进行了分析。微型泳动机器人的游动推进原理为了攫取食饵、逃避敌害、繁殖后代和集群洄游等生存需要，鱼类经过亿万年的自然选择，进化出了非凡的水中运动能力，既可以在持久游速下保持低能耗、高效率，也可以在拉力游速或爆发游速下实现高机动性。鱼类在水中

37、的自主游动，其速度或效率不能说达到了最优，但其整体性能却接近最优。仿鱼类微型游动推进装置，不仅具有鱼类运动高效率、无噪音等优点，而且还使其小型化、微型化成为可能“”。微型泳动机器人波动推进理论的研究背景一珀鱼类游动运动生物力学的研究任务是从整体上探索鱼类作为一种生命机器的力学设计概念及其理论，包括神经控制、肌肉力学、生物材料性能、鱼的形态和运动观测（运动学）、水中推进机制（外部流体力学）、能量转换及效率（力能学）等。前人在实验的基础上，采用解析、数值或两者结合的手段求解，得出合理的结果，并揭示了有关的规律，同时提出了一些鱼类的游动模型。对鱼类游动的推进模式和推进机理的研究是仿生机器鱼研究的理论

38、基础。在自然界，为了适应环境，鱼类进化出各式各样的运动形式如游动、潜伏、滑翔、射流反冲推进等。对流体力学和生物学者来说，其兴趣主要在于鱼类游动的周期性运动。年首先对鱼类游动的推进模式进行了分类，为以后的鱼类推进机制分类奠定了一个框架。由在年率先对体形瘦长的游鱼提出了细长体模型，在各个横截面内分别求出鱼体横向运功的势流线性解析解，假设各个截面问的流动互不相关，然后沿体长积分，最后得出鱼体上总的推力、输出功率、有用功率和流体推迸效率。该细长体理仑是个限定常解，只考虑了惯性力一个因素，可是它在一定范围内给出了正确的定性规律，并且形式简单，因此是其他类似实验及理论解决方案的最初形式。羔鬯兰蔓塑生！丝堡

39、兰二箜二兰塑型鲨垫！坚叁塑堡垒堕塞加州理工学院的在提出了二维波动板模型：在纵截面内将鱼体的对称面当作一块厚度为零、展长无限的二维柔板，令它作变幅的行波状运动。这个模型同时计入了惯性作用、前线吸力和尾迹展向涡的作用，由此得出了二维非定常的线性解析解。年，根据鱼类推进所使用的身体部位的不同，将鱼类游动的推进模式分为两类：身体尾鳍推进模式（，简称）和中央鳍对鳍模式（，简称）。按照这种分类方法，机器鱼可以分成两大类：式和式。图给出了鱼体形态特征描述的有关术语。图，给出了。关于鱼类游动推进模式的分类和特点。图鱼体的形态特征描述术语图鱼类游动推进模式的分类及功能同样在年，考虑到鱼类游动的生物力学特性和结构

40、的动惫特点，和针对与身体长度相比其侧向振幅很小的鱼类提出了“薄体理论；假定鱼沿纵向弯曲刚度为常量。年和提出了“波动平板理论”。年提出了“动态粱理论”。最近，（）从鱼游的流动显示中观察到，在往复摆动的许多相位，鱼体周围的流场不符合细长理论所假定的在横截面内的准二维流动，而是更为显著的在一横截面内的流动，而且在鱼体的腹、背边缘处，更是复杂的三维流动。这项观测证实了二维和三维波动板理论的真实性。童秉纲和庄礼贤、程健宇将二维波动板模型拓展到三维情况，即研究任意平面形状和任意展弦比的波动扳。他们用半解析半数值的方法给出了三维非定常线性解。这个三维波动板模型除了计入惯性力作用和前缘吸力之外，还考虑了兼有流

41、向涡和展向涡的尾涡面作用，并在一定程度上涵盖了月牙尾的作用。所欠缺的是他们给出的线性理论不能反映大振幅情况，但是仍可以在某种程度上给出定性的结果。国际上也有基于方程而直接求解鱼的游动的方法。例如，等（）浙江大学硕士学位论文第二章微型泳动机器人的理论研究求解了蝌蚪游动（）。这是基本上不需要提炼模型的做法，其计算结果对人们了解流动的细节非常有益。但是这种计算流体动力的工具太复杂了，在应用上有着一定的限制，并且与工程上实际情况并不能很好的吻合。从实验看来以上模型给出的鱼游动基本规律在定性上是一致的。例如，鱼类要产生正推力，必须满足的条件，其中是行波传播的相速度，它是圆频率和波数的比值，即；是游速。只

42、有波的相速度大于游速的条件下，鱼类方可游动推进。还有，的比值越大，则游动推力越大，推进效率越小，反之亦然。总而言之，推力和推进效率不可兼得。微型泳动机器人的驱动机构及其泳动推进原理下面是本实验中微型泳动机器人的结构示意图。如图（）所示，微型泳动机器人基本由头部和尾部两大部分组成。头部构件由快速成型加工而成，其材料足光敏树脂。尾部由柔性橡胶材料做成，具有一定柔性和刚度。上尾部头部图（）徽型泳动机器人的侧面示意图瘸图（）微型泳动机器人的俯视结构图如图（）所示，微型泳动机器人的头部由外壳、微型电机、微型传动结构和微型摆动机构组成。其中微型电机、微型传动机构和微型摆动机构安置在外壳内部。在微型摆动结构

43、中连杆的末端安装柔性尾巴。启动微电机，机器人的柔性尾部在摆动机构的带动下作周期性的摆动。此时，微型摆动机构带动浙江大学硕士学位论文第二章微型泳动机器人的理论研究柔性尾鳍左右摆动击打液体，利用其产生的反作用力使微型机器人向前波动泳动推进。所谓波动推进是指其身体作横向扭曲、往复摆动，以横波的方式由前向后传播，微型机器人在环境液体产生的推进力作用下游动前进。控制微电机的转动速度可以控制尾部摆动频率从而相应实现控制微型机器人的游动前进速度和游动状态。根据蝌蚪的转弯机制，通过控制微型机器人的微电机的转动加速度可以控制其在水平面内的转弯速度和转角大小。当微型机器人在液体中波动游动时，其柔性尾鳍左右摆动击打

44、液体，这将迫使其“脊椎曲线”所包络的部分液体向后喷出，液体向后运动产生的反作用力将推动微型机器人游动前进。微型机器人的波动游动推进速度和波动游动推进力取决于其形状参数和游动状态参数。为了定量分析微型机器人的波动游动推进速度和波游动推进力与其形状参数和游动状态参数之间的关系，需要建立微型泳动机器人的运动学模型和动力学模型。为此，在下面的研究中我们首先建立了微型泳动机器入的运动学模型和动力学模型，然后对其迸行了详细的分析和计算。在微型机器人的泳动理论研究过程中，本文需作如下假设：）实验所用液体是无旋涡、不可压缩且无粘性的；）微型机器人尾部的厚度相对于长度而言呵以忽略不计；）微型机器人在实验过程中为低速稳定运动状态；）在运动过程中，微型机器人尾部由于摆动而形成的波长不随尾部摆动频率的改变而改变；）在微型机器入波动运动前进中，暂不考虑其头部形状对微型机器人波动推进性能的影响。微型泳动机器人的几何模型本文研究的微型机器人在波动推进过程中仿生了具有细长体形状鱼类的推进方式游动前进。下如前面所介绍的，目前国内外生物力学研究针对鱼类游动已经建立了细长体模型及理论、二维波板模型及理论、三维波板模型及理论以及方程来直接求解鱼类游动的理论和算法。但对于仿生具有细