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发布日期：2025-01-21 07:09 点击次数：147
各人好！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计划——《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。本计划提倡新有筹办，通过合成射流旨趣，遐想特有奉行器与表现模块，遴选多种配置计策，奋发惩办现存问题，展现出超卓的性能与后劲，为水下机器东谈主本事带来新冲破。
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一、计划配景
（一）模块化可重构机器东谈主的需求
在当代社会，机器东谈主在各个规模弘扬着不可或缺的作用。关联词，传统单体机器东谈主时时针对特定任务遐想，在不可揣度和非结构化环境中，机器东谈主需要具备各样化的表现智力和功能秉性，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款下奉行任务。此外，机器东谈主在故障时需实时诞生，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倡了更为严格的要求。在狭隘或浅水的水生环境中，如珊瑚礁或浅滩区域，机器东谈主的表现可能会受到礁石、珊瑚等贫苦物的贫苦，同期电缆或其他通达表情也会截止其表现边界。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，水下环境的激动行为和密封要求使得机器东谈主的模块化遐想愈加复杂。
（三）现存水下激动计策的不及
现在的水下激动计策包括通例的螺旋桨激动，如在大型自主水下飘零器（AUV）中平日应用，但螺旋桨不适用于狭隘空间；仿生激动行为，如体尾鳍（BCF）和中对鳍（MPF）激动，其机制复杂，难以完结模块化遐想和表现限度；射流激动器天然师法了头足类动物的表现旨趣，但传统射流激动器需要独处的出进口，结构复杂。而合成射流行动一种新的激动行为，仅需一个喷孔，基于高频小振幅振动完结表现，具有结构紧凑、反映快、限度粗犷和制变本钱低等优点，但现存计划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畸形信号，无法摒除线束拘谨，难以完结限度系统集成。
（四）计划念念路
针对上述问题，计划东谈主员提倡了基于合成射流激动机制的模块化惩办有筹办，开发了一系列集成模块化可重构机器东谈主。在遐想历程中，从合成射流奉行器、单表现模块、组所有策到应用远景进行了全面计划。
二、合成射流机制与合成射流奉行器遐想
（一）合成射流奉行器的垂危性
合成射流奉行器是表现模块的重要激动组件，它径直决定了模块的表现后果和全体尺寸，因此其遐想对于系数这个词模块化可重构机器东谈主系统至关垂危。
（二）奉行器类型及结构
计划东谈主员遐想了底部和侧面两种射流奉行器。两种奉行器均遴选防水偏心旋转质料（ERM）振动电机行动激励源。底部射流奉行器的喷腔呈圆锥形，喷孔位于底面，在振动源的径直激励下可产生垂直于底部的射流；侧面射流奉行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）奉行器责任旨趣
ERM电机通过电机底座安装在薄板中心，与喷腔固定在一都。电机在直流电源出手下，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），该离心力在水和善垂直场合产生的简谐振动为
薄板在电机激励下产生不同振动表情，施行发现第一和第四花样具有安靖的吸排智力，可灵验应用于合成射流出手。通过施行和模拟，遴选薄板尺寸为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-结构互相作用模拟，不雅察到射流奉行器在一个周期内的吸排表象和安靖的涡环表现。
通过粒子图像测速（PIV）行为不雅察合成射流的发展历程，测量射流奉行器的净力约为7mN，可产生灵验激动后果。
三、多解放度合成射流表现模块遐想
（一）模块结构与参数
表现模块遐想为具有多解放度自激动智力，遴选肖似立方体外不雅，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，完结良友限度。通过合理的结构遐想和组件散播，完结了重力与浮力的均衡，使模块或者悬浮在水中。
（二）射流奉行器布局与表现表情
在模块的中间框架上固定三个射流奉行器，分手完结模块在x、y、z场合的表现。底部射流奉行器具于模块的高潮表现，两个侧面射流奉行器具于平面表现。
单侧侧面射流奉行器责任时，产生的激动力会使模块围绕质心旋转；两侧面射流奉行器同期责任时，射流并吞产生线性力，推动模块直线表现。底部射流奉行器责任可完结模块高潮表现，速率可达28.7mm/s，关闭时模块自动下落。
通过流体-结构互相作用模拟直线表现情况，施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，且表现速率在1.3-3.3V电压边界内安靖，电压降至约1.0V时速率陡然降为0。此外，模块还能完结受控表现，绕过贫苦物到达主义位置。
（三）表现模块的永恒性测试
在施行中，将射流奉行器的激励电压建立为3.3V，电板容量约为200mAh。测试终端标明，单射流奉行器责任时，模块永恒性约85min；两射流奉行器同期责任时，永恒性约50min；三射流奉行器同期责任时，永恒性约30min。由于电压稳压单位的遐想，出手性能在系数这个词历程中相对安靖，临了阶段陡然下落。
四、不同模块的配置计策
（一）模块间的耦合行为
多个表现模块或与中间模块通达时，遴选磁耦合行为。这种行为结构粗犷紧凑，具有追究的自瞄准智力，或者简化对接历程，提高通达精度。同期，对通达的可靠性进行了评估。
（二）同质表现模块的通达配置
两个、三个或四个表现模块通达时，可完结从点到线、角和环的延长。这些配置增多了机器东谈主系统的表现冗余，提高了全体的敏捷性和鲁棒性。举例，当某个表现模块损坏时，不错通俗地进行替换。
（三）与中间模块的通达配置
表现模块可与中间模块（功能模块或扶持模块）通达，中间模块的不同遐想可权臣延长组合有筹办和应用后劲。举例，遴选粗犷立方中间模块时，有对角和线性两种基本配置，对角配置更紧凑，线性配置延长性更好。
与扶持模块组合时，可把柄物体表情进行改变，如对于球体或圆柱体等光滑名义物体，表现模块可与扶持模块组合成环完结运输，并通过扶持模块优化自体形容，提高表现性能。
对于不同表情和尺寸的中间模块（如长方体或棱柱体），其配置表情如图所示。
五、同质表现模块间的配置施行
（一）双表现模块的表现计策
双模块配置中，通过在非射流中间框架名义嘱托小永磁体完结模块通达。该配置下的组合机器东谈主系统具有两个底部射流奉行器（BJAs）和四个侧面射流奉行器（SJAs），在水中的表现智力比单模块更敏捷。激励不同的侧面射流奉行器可完结顺时针或逆时针旋转表现，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）射流奉行器，分手激励时旋转速率不同。同期激励两侧面射流奉行器可完结直线表现，最大表现速率约77.6mm/s，与单模块表现速率至极，且表现速率在约1.0V电压时急剧下落。
（二）四表现模块的表现计策
四模块配置中，表现模块雷同通过永磁体通达，通达后的机器东谈主系统尺寸约为96mm×96mm×51mm，具有四个底部射流奉行器（BJA1-BJA4）和八个侧面射流奉行器。八个侧面射流奉行器协同责任，可完结四个安靖情景的顺时针和逆时针旋转，单个射流奉行器激动时旋转速率约1.6rad/s，四个射流奉行器同期激动时可达2.5rad/s。
在直线表现方面，可沿平面内系数旯旮场合和对角线场合生动挪动，如同期激活一侧的两组射流奉行器可完结旯旮场合的直线表现，速率约81.4mm/s；沿对角线场合的线性表现有两种情景，对角对称射流奉行器同期激动或单个角模块激动均可产生对角线直线表现，速率分手约为63.0mm/s和62.1mm/s。
不同组合的射流奉行器激励时，四表现模块系统在八个场合的直线表现轨迹体现了其高敏捷性。但模块数目增多可能会因质料和阻力增多而裁汰表现参数，不外安靖性和鲁棒性的提高可弥补这一舛误，本色应用中应把柄需求细则模块配置。
六、功能模块配置施行
（一）功能模块考证施行
期骗与表现模块尺寸相似的粗犷立方中间模块，考证机器东谈主在水中的运输和检测等基本功能。
双表现模块遴选对角配置推动可替换中间模块，中间模块可把柄需求遐想为不同功能模块，如物体运输模块和图像麇集模块。在运输施行中，将20g圭臬砝码搁置在运输模块内，双表现模块可推动其完结前进、后退直线表现善良时针、逆时针旋转表现，最大直线速率分手为46.8mm/s和44.9mm/s，最大旋转速率分手为1.8rad/s和1.5rad/s。在图像麇集施行中，将运输模块替换为图像麇集模块，限度机器东谈主绕过贫苦物并复返，图像麇集模块记载历程。
（二）不同配置的特色
对角配置生动性高，可完结多种表现；线性配置虽弗成完结后退直线表现，但因其细长尺寸可通过狭隘通谈，这体现了不同配置在不同场景下的适用性。
七、计划论断
（一）合成射流激动的上风
本计划评释注解了合成射流旨趣在水下机器东谈主模块化和袖珍化遐想中的上风。合成射流激动机制粗犷，无需复杂的激动机构，便于模块化遐想和与其他模块通达；其激励有筹办粗犷，射流结构紧凑，有意于在小尺寸下完结系数这个词机器东谈主的集成。通过与其他水下机器东谈主的表现速率比拟，本计划中的表现模块在尺寸和表现速率方面性能优厚。
（二）模块化可重构机器东谈主的秉性体现
该模块化可重构机器东谈主系统充分体现了高相宜性、高鲁棒性和低本钱的秉性。多模块组合的冗余性使单个模块故障对全体功能影响小，仅导致参数下落，且即兴表现模块可替换，保证了系统在应用中的可靠性；通过不同模块组合可相宜不同表现环境，功能模块可按需替换，只有耦合接口一致即可；表现模块遴选3D打印制造，裁汰了单个模块本钱，模块替换也裁汰了系统惊叹本钱。
（三）濒临的挑战与改良场合
关联词，该机器东谈主系统在进一步应用中仍濒临挑战。表现模块因尺寸截止，永恒性不及，无法独处永劫刻责任。后续计划计划与水面平台联结，实时监测表现模块的永恒性和与平台的距离，低电量时发送回收信号，完结模块的回收、充电或遴选单独的浮力或充电模块精准配置浮力。此外，现时遴选的永磁体耦合机制无法完结自高构，可遴选电磁通达行为并集合位置和姿态传感器，期骗磁铁的自瞄准智力完结自动通达，还可在水面平台上安装扶持开采协助模块通达。当年，将改良表现模块、开发更多功能模块（如水质料传感和声息麇集等），优化限度计策，使机器东谈主系统在水下环境中弘扬更大作用，完成从环境探索到数据麇集再到狭隘空间恒久监测等一系列任务。
八、一都来作念作念题吧
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. 高相宜性
B. 高本钱
C. 高鲁棒性
D. 可把柄需求改变结构和功能
2、合成射流奉行器中，哪种振动花样能灵验应用于射流出手？
A. 第一和第二花样
B. 第二和第三花样
C. 第一和第四花样
D. 第三和第四花样
3、表现模块中，完结高潮表现的是哪个部件？
A. 单侧侧面射流奉行器
B. 两侧侧面射流奉行器
C. 底部射流奉行器
D. 中间框架
4、多个模块间通达遴选的磁耦合行为具有以下哪种优点？
A. 结构复杂但通达牢固
B. 自瞄准智力强，简化对接历程
C. 无需计划通达可靠性
D. 仅适用于大型模块通达
5、在双表现模块配置中，激励哪个射流奉行器可使组合机器东谈主系统产生顺时针旋转表现？
A. SJA1L或SJA2R
B. SJA1R或SJA2L
C. SJA1L或SJA2L
D. SJA1R或SJA2R
6、在功能模块配置施行中，运输施行遴选了哪种模块配置？
A. 线性配置
B. 对角配置
C. 环形配置
D. 立地配置
参考文件：
Wang D, et al. Miniature Modular Reconfigurable Underwater Robot Based on Synthetic Jet. Adv Sci (Weinh). 2024 Oct;11(39):e2406956.