论文部分内容阅读
仿生水黾机器人是以水黾等水生昆虫为原型,能够在水面自由移动并协助人类完成一定工作的微型机器人,在水面侦查、水质监测、水上搜索与救援等领域具有广泛的应用前景。论文以超疏水铝作为支撑腿材料,以微型伺服电机为驱动机构,使用Arduino BLE控制板为控制系统完成机器人的制作。主要研究工作包括: (1)分析了水黾在水面运动时表面张力所起到的作用和水黾的漂浮机理,并建立了受力分析模型。基于Young-Laplace方程推导出水黾腿与水面接触时形成的水-气界面二维轮廓曲线方程,为超疏水支撑腿的理论负载计算提供支持。 (2)针对现有超疏水表面制备方法存在成本较高、加工效率低、基底结合力差等问题,论文提出采用化学刻蚀和沸水反应的方法在铝基上构建微纳米粗糙结构,经氟硅烷修饰后获得超疏水性,对水的接触角和滚动角分别为168°和2°。采用扫描电子显微镜、X射线光电子能谱分析仪、X射线衍射仪、傅里叶红外光谱分析了试样表面的微观结构和化学成分,结果表明,化学刻蚀后铝表面出现大量微米级的长方体阶梯凸台结构,沸水反应进一步引入纳米级勃姆石和氧化铝针状结构,组成了微纳米复合结构;经氟硅烷处理后,表面出现大量含氟官能团,证明表面由自组装的氟硅烷分子层覆盖从而获得了较低的表面能。 (3)以上述化学刻蚀和沸水反应的方法制备出超疏水铝箔作为支撑腿,利用微型伺服电机作为驱动,利用蓝牙作为遥控方案,完成可实现直行、转向动作的仿生水黾机器人制作。研究了化学刻蚀时间和沸水反应时间对仿生水黾机器人支撑腿负载的影响,结果表明,化学刻蚀时间对负载能力影响较大,而沸水反应时间对负载能力影响不显著。化学刻蚀时间为13min、沸水反应时间为60min时制备的超疏水支撑腿可获得最大的5.05mm的压入深度和42.5g的负载能力;与原始铝构建的支撑腿相比,该超疏水支撑腿的负载能力提升1.13倍。 (4)对仿生水黾机器人支撑腿进行受力分析,比较理论计算与实际测量的结果,发现不同压入深度下的理论负载与实际负载误差最大仅为7%,证明了仿生水黾机器人的负载受力分析模型的有效性。