1、 1 本科毕业论文（设计） 开题报告 题 目_ 仿生水母机器人 2 一、选题依据 海洋中蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和能源。占地球表面积 49的海洋是国际海 底区域，该区域内的资源不属于任何国家，而属于全人类。如今，海洋已成为国际上战略竞 争的焦点，也是高技术研究的重要领域。 水下机器人作为人类探索海洋的重要的工具之一， 被人们普遍的关注， 在人类进军海洋 的征程中起着至关重要的作用， 发展水下机器人的意义是重要且深远的。 水母仿生机器人作 为仿生机器人和水下机器人两大科研热点的结合，具有较高的科研价值和广阔的应用前景。 目前，全世界的水母机器人可分为两大类，一类依靠高分子智能材料、形状记忆
2、合金等 “人造肌肉”驱动，另一类依靠电机和传统机构驱动。 二、文献综述 1、国外研究现状国外研究现状 国外水母机器人的研究以德国费斯通公司和美国弗吉尼亚理工学院为代表。 如图 1 所示为德国费斯通公司研制的 AquaJelly 机器水母，它的身体是一个用 激光烧结而成的球形密封舱。它的 8 根触须的结构依据鱼鳍设计。根据“鳍条效应” ， 每根触须有一根软硬适度的“主骨” ，骨外面连着柔性的表面，表面分成两个腔，压力可以 分别调整，使整个触须向某个方向弯曲。每根触须的顶端都有小鳍，受触须带动，小鳍像鱼 尾那样划水，推动机器人水母前进。当机器水母需要改变方向时，一个由伺服马达驱动的斜 盘便会转动相
3、应的角度，改变水母的重心，使之倾斜，从而改变水母的游动方向。 图 1 3 如图 2 所示，美国弗吉尼亚理工学院的科研人员研制的名为 RoboJelly 的水母机器人， 材质为碳纳米管和智能材料。它的外观和运动方式与真水母非常接近。 RoboJelly 可以像真正的水母一样在水里游动。目前还处于初级阶段，这种机器人最终将 可应用于水下营救作业。RoboJelly 无需使用外部电源或者更换电池进行驱动，其以氢作为燃 料，从理论上讲，它的能量将取之不尽用之不竭，完全自给自足。水中的氧和氢以及表面的 铂之间的化学反应所产生的热量，将传递到机械水母的“人造肌肉”上，使其达到伸缩变形 的目的。 如图 3
4、所示，美国弗吉尼亚理工学院肖申克普利亚团队研发了一款仿生水母机器人。 这台代号为“Cyro”的机器人全长约 5.58 英尺，净重 170 磅，其具体仿制对象是霞水母 （Cyanea） ，其原型机是 RoboJelly 机器水母。它的内部有一个碗状刚性支架，刚性支架上安 装了直流电动机，可以控制刚性支架外部包裹的人造硅胶层进行有规律摆动，以此来产生动 力，其运动方式与真正的水母很相似。此外，机器人内部的直流电动机以及信息处理系统由 安装在刚性支架上的镍氢电池来驱动， 可以收集、 分析、 处理以及传送所感应到的数据信息。 图 3 图 2 4 2、国内研究现状国内研究现状 近几年国内也开始出现仿生机
5、器水母的研究热潮。 主要参与者有科研院所和高等院校两 大群体。 中国科学院自动化研究所的肖俊东和喻俊志研制出了一款基于多连杆机构的仿生机器 水母。如图 4 所示，该机器人由一个刚性的流线型头部密封舱和 4 组对称布置的六连杆传动 机构组成。头部密封舱里安装有重心调节装置、电源模块、控制模块、通信模块和舵机。执 行机构杆上粘有弹性橡胶膜，能随着执行杆的摆动形成一个容积随之变化的弹性腔体，有节 律地喷射出水流，推动水母机器人游动。通过控制该是母机器人 4 组六连杆机构的运动和重 心调节机构，实现其在水中的前进和转向。水母机器人的壳体采用 ABS 塑料制成，其他非受 力部件采用硬铝合金加工而成，受力
6、部件采用 40Cr 合金钢加工而成；静连接密封采用 O 型 橡胶密封圈，动密封采用内包骨架唇形密封圈。 我国各高等院校的机器水母作品已经在全国各类竞赛中崭露头角， 其中比较有代表性的 是哈尔滨工程大学和中国海洋大学的作品。 如图 5 所示，哈尔滨工程大学学生研制出了“仿生水母式水下机器人” ，在黑龙江省第 二届“知识产权杯”高校发明创新竞赛中首次亮相。该机器人由三个舱段组成，分别是位于 头部的压载水舱，中部的摄像头舱及后舱段的动力推进系统。头部的压载水舱用于控制机器 人的浮态，中部的摄像头用于水下观测，后部的动力推进舱内安装有控制器、舵机、蓄电池 和大扭矩低转速电机。 图 5 图 4 5 中国海洋大学学生研制出了 Jellyfish G 和 Jellyfish S 两款机器水母，分别在 2014 年国际 水中机器人大赛和第三届全国海洋航行器设计与制作大赛首次亮相。 如图 6 所示，Jellyfish G 拥有小巧的外形，密封舱体为半球形，运动部分由 8 根刚性骨 架连接弹性硅胶薄膜构成。8 根骨架分为 4 组，每组由一个减速电机提供动力。通过尼龙
