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发布日期：2024-12-26 03:57 点击次数：93
人人好！今天来来了解一篇对于基于合成射流的微型模块化可重构水下机器东谈主的接头——《Miniature Modular Reconfigurable Underwater Robot Based on Synthetic Jet》发表于《Advanced Science》。水下环境复杂多变，传统机器东谈主濒临诸多挑战。本接头提议新有计议，通过合成射流旨趣，想象特有扩充器与领略模块，遴荐多种配置政策AG真人百家乐官方，发愤处理现存问题，展现出不凡的性能与后劲，为水下机器东谈主期间带来新碎裂。
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一、接头布景
（一）模块化可重构机器东谈主的需求
在当代社会，机器东谈主在各个鸿沟阐明着不可或缺的作用。可是，传统单体机器东谈主通常针对特定任务想象，在不可估量和非结构化环境中，机器东谈主需要具备各样化的领略才智和功能本性，以得志不同任务需求。举例，在海洋探索中，机器东谈主可能需要在不同地形和环境条目下扩充当务。此外，机器东谈主在故障时需实时栽种，以确保任务可靠性，这就促使了模块化可重构机器东谈主的发展。
（二）水下环境对机器东谈主的挑战
水下环境对机器东谈主提议了更为严格的要求。在局促或浅水的水生环境中，如珊瑚礁或浅滩区域，机器东谈主的领略可能会受到礁石、珊瑚等长途物的高低，同期电缆或其他贯穿形态也会限度其领略鸿沟。这就要求水下机器东谈主具有袖珍化和集成化的特色。此外，水下环境的股东步调和密封要求使得机器东谈主的模块化想象愈加复杂。
（三）现存水下股东政策的不及
当今的水下股东政策包括惯例的螺旋桨股东，如在大型自主水下飞翔器（AUV）中平凡应用，但螺旋桨不适用于局促空间；仿生股东步调，如体尾鳍（BCF）和中对鳍（MPF）股东，其机制复杂，难以完毕模块化想象和领略限度；射流股东器诚然效法了头足类动物的领略旨趣，但传统射流股东器需要孤立的出进口，结构复杂。而合成射流四肢一种新的股东步调，仅需一个喷孔，基于高频小振幅振动完毕领略，具有结构紧凑、反应快、限度约略和制形资本低等优点，但现存接头中的激励源存在问题，如压电材料、介电弹性体和传动机构等需要高激励电压和罕见信号，无法摒除线束敛迹，难以完毕限度系统集成。
（四）接头想路
针对上述问题，接头东谈主员提议了基于合成射流股东机制的模块化处理有计议，开发了一系列集成模块化可重构机器东谈主。在想象经过中，从合成射流扩充器、单领略模块、组合政策到应用出路进行了全面接头。
二、合成射流机制与合成射流扩充器想象
（一）合成射流扩充器的蹙迫性
合成射流扩充器是领略模块的要道股东组件，它获胜决定了模块的领略成果和合座尺寸，因此其想象对于总计模块化可重构机器东谈主系统至关蹙迫。
（二）扩充器类型及结构
接头东谈主员想象了底部和侧面两种射流扩充器。两种扩充器均遴荐防水偏心旋转质料（ERM）振动电机四肢激励源。底部射流扩充器的喷腔呈圆锥形，喷孔位于底面，在振动源的获胜激励下可产生垂直于底部的射流；侧面射流扩充器的喷腔肖似斜圆锥形，喷孔在侧面，用于产生垂直于侧面的射流。
（三）扩充器使命旨趣
ERM电机通过电机底座安装在薄板中心，与喷腔固定在总计。电机在直流电源启动下，偏心质料旋转产生椭圆振动，其离心力F(t)抒发式为
（其中是F0离心力振幅，m是偏心质料，d是偏心距离，w是旋转速率），该离心力在水和煦垂直标的产生的简谐振动为
薄板在电机激励下产生不同振动体式，履行发现第一和第四模式具有清晰的吸排才智，可灵验应用于合成射流启动。通过履行和模拟，弃取薄板尺寸为Φ30mm×0.25mm，使第四共振频率为228.35Hz，与电机频率匹配。
基于此进行流体-结构相互作用模拟，不雅察到射流扩充器在一个周期内的吸排气候和清晰的涡环领略。
通过粒子图像测速（PIV）步调不雅察合成射流的发展经过，测量射流扩充器的净力约为7mN，可产生灵验股东成果。
三、多目田度合成射流领略模块想象
（一）模块结构与参数
领略模块想象为具有多目田度自股东才智，遴荐肖似立方体外不雅，尺寸约为48mm×38mm×38mm，质料约79.0g。其里面集成了电源、限度和通讯电子系统，完毕良友限度。通过合理的结构想象和组件漫衍，完毕了重力与浮力的均衡，使模块梗概悬浮在水中。
（二）射流扩充器布局与领略形态
在模块的中间框架上固定三个射流扩充器，鉴识完毕模块在x、y、z标的的领略。底部射流扩充用具于模块的飞腾领略，两个侧面射流扩充用具于平面领略。
单侧侧面射流扩充器使命时，产生的股东力会使模块围绕质心旋转；两侧面射流扩充器同期使命时，射流团结产生线性力，推动模块直线领略。底部射流扩充器使命可完毕模块飞腾领略，速率可达28.7mm/s，关闭时模块自动着落。
通过流体-结构相互作用模拟直线领略情况，履行测得模块最大旋转速率约3.3rad/s，最大线性速率约70.7mm/s，且领略速率在1.3-3.3V电压鸿沟内清晰，电压降至约1.0V时速率斯须降为0。此外，模块还能完毕受控领略，绕过长途物到达推断位置。
（三）领略模块的历久性测试
在履行中，将射流扩充器的激励电压确立为3.3V，电板容量约为200mAh。测试结果标明，单射流扩充器使命时，模块历久性约85min；两射流扩充器同期使命时，历久性约50min；三射流扩充器同期使命时，历久性约30min。由于电压稳压单位的想象，启动性能在总计经过中相对清晰，终末阶段顿然着落。
四、不同模块的配置政策
（一）模块间的耦合步调
多个领略模块或与中间模块贯穿时，百家乐ag真人曝光遴荐磁耦合步调。这种步调结构约略紧凑，具有细密的自瞄准才智，梗概简化对接经过，提高贯穿精度。同期，对贯穿的可靠性进行了评估。
（二）同质领略模块的贯穿配置
两个、三个或四个领略模块贯穿时，可完毕从点到线、角和环的膨胀。这些配置加多了机器东谈主系统的领略冗余，提高了合座的敏捷性和鲁棒性。举例，当某个领略模块损坏时，不错浅易地进行替换。
（三）与中间模块的贯穿配置
领略模块可与中间模块（功能模块或接济模块）贯穿，中间模块的不同想象可显耀膨胀组合有计议和应用后劲。举例，遴荐约略立方中间模块时，有对角和线性两种基本配置，对角配置更紧凑，线性配置膨胀性更好。
与接济模块组合时，可凭证物体体式进行沟通，如对于球体或圆柱体等光滑名义物体，领略模块可与接济模块组合成环完毕运输，并通过接济模块优化自体刻画，提高领略性能。
对于不同体式和尺寸的中间模块（如长方体或棱柱体），其配置形态如图所示。
五、同质领略模块间的配置履行
（一）双领略模块的领略政策
双模块配置中，通过在非射流中间框架名义叮咛小永磁体完毕模块贯穿。该配置下的组合机器东谈主系统具有两个底部射流扩充器（BJAs）和四个侧面射流扩充器（SJAs），在水中的领略才智比单模块更敏捷。激励不同的侧面射流扩充器可完毕顺时针或逆时针旋转领略，由于臂长不同，产生的力矩不同，可分为主（SJA1L和SJA2R）和次（SJA1R和SJA2L）射流扩充器，鉴识激励时旋转速率不同。同期激励两侧面射流扩充器可完毕直线领略，最大领略速率约77.6mm/s，与单模块领略速率止境，且领略速率在约1.0V电压时急剧着落。
（二）四领略模块的领略政策
四模块配置中，领略模块相通通过永磁体贯穿，贯穿后的机器东谈主系统尺寸约为96mm×96mm×51mm，具有四个底部射流扩充器（BJA1-BJA4）和八个侧面射流扩充器。八个侧面射流扩充器协同使命，可完毕四个清晰现象的顺时针和逆时针旋转，单个射流扩充器股东时旋转速率约1.6rad/s，四个射流扩充器同期股东时可达2.5rad/s。
在直线领略方面，可沿平面内通盘角落标的和对角线标的纯真出动，如同期激活一侧的两组射流扩充器可完毕角落标的的直线领略，速率约81.4mm/s；沿对角线标的的线性领略有两种现象，对角对称射流扩充器同期股东或单个角模块股东均可产生对角线直线领略，速率鉴识约为63.0mm/s和62.1mm/s。
不同组合的射流扩充器激励时，四领略模块系统在八个标的的直线领略轨迹体现了其高敏捷性。但模块数目加多可能会因质料和阻力加多而裁汰领略参数，不外清晰性和鲁棒性的普及可弥补这一裂缝，实质应用中应凭证需求笃定模块配置。
六、功能模块配置履行
（一）功能模块考证履行
愚弄与领略模块尺寸相似的约略立方中间模块，考证机器东谈主在水中的运输和检测等基本功能。
双领略模块遴荐对角配置推动可替换中间模块，中间模块可凭证需求想象为不同功能模块，如物体运输模块和图像网罗模块。在运输履行中，将20g圭臬砝码摈弃在运输模块内，双领略模块可推动其完毕前进、后退直线领略和蔼时针、逆时针旋转领略，最大直线速率鉴识为46.8mm/s和44.9mm/s，最大旋转速率鉴识为1.8rad/s和1.5rad/s。在图像网罗履行中，将运输模块替换为图像网罗模块，限度机器东谈主绕过长途物并复返，图像网罗模块记载经过。
（二）不同配置的特色
对角配置纯真性高，可完毕多种领略；线性配置虽不可完毕后退直线领略，但因其细长尺寸可通过局促通谈，这体现了不同配置在不同场景下的适用性。
七、接头论断
（一）合成射流股东的上风
本接头解说了合成射流旨趣在水下机器东谈主模块化和袖珍化想象中的上风。合成射流股东机制约略，无需复杂的股东机构，便于模块化想象和与其他模块贯穿；其激励有计议约略，射流结构紧凑，有意于在小尺寸下完毕总计机器东谈主的集成。通过与其他水下机器东谈主的领略速率相比，本接头中的领略模块在尺寸和领略速率方面性能优厚。
（二）模块化可重构机器东谈主的本性体现
该模块化可重构机器东谈主系统充分体现了高合适性、高鲁棒性和低资本的本性。多模块组合的冗余性使单个模块故障对合座功能影响小，仅导致参数着落，且浪漫领略模块可替换，保证了系统在应用中的可靠性；通过不同模块组合可合适不同领略环境，功能模块可按需替换，惟有耦合接口一致即可；领略模块遴荐3D打印制造，裁汰了单个模块资本，模块替换也裁汰了系统宝贵资本。
（三）濒临的挑战与更正标的
可是，该机器东谈主系统在进一步应用中仍濒临挑战。领略模块因尺寸限度，历久性不及，无法孤立永劫刻使命。后续接头计议与水面平台链接，实时监测领略模块的历久性和与平台的距离，低电量时发送回收信号，完毕模块的回收、充电或遴荐单独的浮力或充电模块精准配置浮力。此外，现时遴荐的永磁体耦合机制无法完毕骄矜构，可遴荐电磁贯穿步调并辩论位置和姿态传感器，愚弄磁铁的自瞄准才智完毕自动贯穿，还可在水面平台上装置接济征战协助模块贯穿。改日，将更正领略模块、开发更多功能模块（如水质料传感和声息网罗等），优化限度政策，使机器东谈主系统在水下环境中阐明更大作用，完成从环境探索到数据网罗再到局促空间弥远监测等一系列任务。
八、总计来作念作念题吧
1、模块化可重构机器东谈主的主要上风不包括以下哪一项？
A. 高合适性
B. 高资本
C. 高鲁棒性
D. 可凭证需求编削结构和功能
2、合成射流扩充器中，哪种振动模式能灵验应用于射流启动？
A. 第一和第二模式
B. 第二和第三模式
C. 第一和第四模式
D. 第三和第四模式
3、领略模块中，完毕飞腾领略的是哪个部件？
A. 单侧侧面射流扩充器
B. 两侧侧面射流扩充器
C. 底部射流扩充器
D. 中间框架
4、多个模块间贯穿遴荐的磁耦合步调具有以下哪种优点？
A. 结构复杂但贯穿安适
B. 自瞄准才智强，简化对接经过
C. 无需计议贯穿可靠性
D. 仅适用于大型模块贯穿
5、在双领略模块配置中，激励哪个射流扩充器可使组合机器东谈主系统产生顺时针旋转领略？
A. SJA1L或SJA2R
B. SJA1R或SJA2L
C. SJA1L或SJA2L
D. SJA1R或SJA2R
6、在功能模块配置履行中，运输履行遴荐了哪种模块配置？
A. 线性配置
B. 对角配置
C. 环形配置
D. 当场配置
参考文件：
Wang DAG真人百家乐官方, et al. Miniature Modular Reconfigurable Underwater Robot Based on Synthetic Jet. Adv Sci (Weinh). 2024 Oct;11(39):e2406956.