生物水黾是一种常见的水生昆虫,能够在水面飞快的滑行与跳跃。其非凡的水面环境运动能力,成为学者们研究水面运动机器人争相模仿的对象。仿水黾水面运动机器人可用于导航通讯中继节点、执行水质监测、水面侦查等任务,在军用、民用领域均具有广阔的应用前景。仿水黾机器人的研究不仅需要探究生物水黾水面运动机理,同时涉及到机器人水-空气界面运动与水相互作用,由于水的流动性与易扰动性,导致其在运动过程中与水相互作用力变化复杂,现有的机器人多偏向于对生物水黾滑行、跳跃运动形式的模仿,性能仍有待提高,距离实用化应用仍有较大差距。本文围绕表面张力主导的仿水黾滑行运动及水压力主导的水面跳跃运动,以提高机器人运动性能为目标,开展表面张力主导的滑行机器人与水-空气界面相互作用分析以及柔性腿驱动机理研究;开展水压力主导的跳跃机器人与水-空气界面相互作用分析,在此基础上研制一款新型水面跳跃机器人。首先,基于液滴冲击超疏水性表面的微观仿真方法,分析表面张力滑行机器人运动过程中疏水性腿部与水面之间微观作用机理,获取冲击速度、表面微观结构对于疏水性的影响规律;基于Young-Laplace方程,建立支撑腿漂浮、与水面分离相互作用模型,分析腿部结构、尺寸对支撑力与拖拽力的影响规律,为仿水黾机器人支撑腿设计奠定基础。生物研究表明,水黾腿部结构所具有的柔顺性使其在划水时能够顺应水面产生变形。受此启发,基于欧拉-伯努利梁方法建立柔性驱动腿水面划水力学模型,分析驱动腿变形对于其极限划水频率与受力的影响;在此基础上,开展机器人水面滑行过程动力学仿真以及水面滑行实验;研究结果表明,相比于刚性驱动腿,柔性腿能够有效提高其刺破水面前的极限划水频率,从而提高机器人的滑行性能。针对水压力主导的水面跳跃机器人与水相互作用分析模型过于简化,影响机器人运动性能提升的问题,建立考虑液面变形以及附加质量的驱动腿水面划水受力模型;采用计算流体力学仿真方法研究驱动腿不同划水速度、角度对驱动力的影响,并对所建立模型进行修正。开展驱动腿水面划水流体力学实验,验证驱动腿受力模型的准确性,为仿水黾水面跳跃机器人的研制与性能优化提供依据。在此基础上,开展水压力主导的水面跳跃机器人研制;设计机器人整体结构,基于建立的机器人与水相互作用力学模型,开展了机器人水面跳跃动力学研究,采用ADAMS对机器人支撑系统、驱动腿摆动范围等参数进行优化;加工并组装机器人实验样机,开展机器人水面跳跃实验,通过与其他水压力驱动的水面跳跃机器人进行对比,对机器人运动性能进行分析与评价。