摘要
随着科技的发展和人类海洋开发的步伐不断加快，水下机器人技术在海洋资源探测、水下考古、水污染探测等领域有广阔的应用前景。现阶段有多种类型的水下机器人，包括螺旋桨时、轮式、仿生式及喷射式等。但是目前传统的水下机器人仍然存在推进力小、响应速度慢，只能用于低速游动等问题。而折纸结构凭借其良好的折叠特性和大折展比被广泛应用于机器人的设计中，设计了各种各样的折纸机器人。因此，可以将折纸结构的应用拓展到水下领域。本文采用waterbomb折纸结构作为水下推进结构，设计了不同waterbomb折纸结构的轮式水下机器人和履带式水下机器人，这种水下机器人响应速度快、推进力较大，对其进行性能分析及实验测试。主要内容如下： 基于waterbomb折纸结构设计了一种新型的水下机器人，机器人车轮由waterbomb结构折叠形成，折叠后为类球状且表面嵌有折痕形成的桨叶。其运动原理为车轮表面桨叶结构转动时，水流给车轮表面三角形桨叶结构以反作用力推动机器人前进。这种waterbomb结构可以进行径向收缩变化，使结构形状发生改变。为了分析车轮结构形状变化对机器人水下性能的影响，建立waterbomb车轮形状变化的几何模型，确定车轮改变时单元角?与半径的变化。同时分析了不同车轮形态对机器人整体浮力的影响。根据所设计的水下机器人制作样机，将车轮放入水中进行实验，实验结果表明所设计的水下机器人运动稳定，说明所提出的水下机器人设计思路的可行性。且车轮形状的改变对水下机器人运动性能有一定影响，在0-60°内，机器人运动速度随着?角的增大而增大。 Waterbomb折纸结构车轮表面有四种由折痕构成的不同桨叶结构，为了建立水下机器人的推力模型和运动性能的分析，分别对四种桨叶结构推力进行计算。根据桨翼水下航行相关理论，首先对各个桨叶结构垂直桨叶面方向上的速度进行求解，然后求得垂直叶面上的推力，分解后可得水平方向上机器人的推力大小，可知推力与桨叶面积、车轮半径及转速相关。通过Ansys对比四种桨叶结构的刚度差异，得出桨叶刚度对机器人性能的影响。制作水下机器人样机，搭建实验测试系统进行实验测试，将实验值与理论值进行比较，验证推力模型的准确性。实验结果表面，所建立的力学模型能够较为准确的反应水下机器人推力的大小。 为了研究由广义六折痕waterbomb折纸结构设计的水下机器人运动性能，将规则waterbomb单元推广到广义的六折痕waterbomb折纸单元，利用广义的六折痕折纸结构折叠成不同的车轮结构。制作了三种不同广义waterbomb结构的车轮进行运动性能分析，与上章规则waterbomb车轮相比，广义waterbomb结构车轮具有多种形状，不固定于球状车轮，且waterbomb折纸结构车轮的层数和列数各有不同。但是所形成的桨叶结构都是由两个三角形面构成，区别在于三角形所在车轮表面的位置及角度不同。因此，制作不同车轮结构的实验样机进行水下运动性能实验对比，实验结果表明不同车轮结构下机器人运动速度与产生的推力都不相同，其中一种开放式车轮结构所产生的推力最大且运动速度最快。 基于waterbomb折纸结构设计了一种履带式的水下机器人。履带由3*18个waterbomb折纸单元经折叠后首尾相连形成，驱动轮由1*8个waterbomb折纸单元折叠形成。履带上的waterbomb单元结构向内凸起，而驱动轮上waterbomb单元向内凹陷，使得履带圆周段刚好嵌入驱动轮内。将驱动轮放入履带的中间部分，当给电机施加驱动电压时，驱动轮带动履带向前转动。根据所设计的水下机器人制作了样机，搭建实验测试系统进行水下机器人性能测试。实验结果表明，所设计的waterbomb结构履带机器人在水下能够稳定前行，说明所提出的水下机器人设计思路的可行性。
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