21世纪是海洋的世纪,水下机器人在海底资源勘探、海洋环境监测、水下管道铺设和国防等领域发挥着重要作用,成为人们开发海洋、利用海洋和海洋安全防卫的重要工具。本文以水中生物水母为研究对象,对比几种智能材料的性能特征,研制形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)弹簧驱动的仿生水母机器人,并对仿生水母机器人虚拟样机和各构件进行仿真分析,为模型水下实验和后续优化奠定基础。本文首先总结了智能材料驱动的仿生机器人的国内外研究现状,提出研究思路。对SMA弹簧进行性能测试,得出弹簧丝径和弹簧内径是影响弹簧输出力大小的两个内在因素,驱动电压的大小影响着弹簧形变的响应时间。考虑到SMA材料的单程记忆效应,选取不同规格的弹簧,设计出差动式SMA直线推杆驱动器,可实现往复运动。通过改变驱动电压和外加负载的大小,研究驱动器性能的影响因素。在分析水母形态结构和游动机理的基础上,绘制水母机器人的三维图,使用激光雕刻机进行加工制作。设计曲柄连杆机构,将推杆驱动器的直线运动转化为水母骨架的摆动。对SMA直线推杆驱动器进行改进,采用水进行冷却,提高驱动器的驱动效率。根据设计出的驱动器和水母虚拟样机,使用ADAMS软件分析水母模型各构件的动力学性能,包括速度、加速度等,计算出水母骨架摇杆的摆动角度。在此基础上,分析水母骨架摆角的最大位置和死点位置,使用MATLAB软件的数据优化功能,对曲柄连杆的各构件进行优化分析,使得在给定推杆行程条件下,增大骨架摇杆摆角,增加水母排水量,提高游动效率。其次,运用CFD方法,建立水母机器人的流体仿真模型,分析水母腔体不同张开角度和不同游速下的水动力学性能,求得水母游动阻力,分析水母表面压力、流速不同的原因。最后,使用单片机芯片设计了仿生水母机器人驱动电路,采用PWM控制方式分别控制上下两段SMA弹簧通断电时间,以实现水母机器人的持续游动。综上所述,本文对仿生水母机器入及其关键技术进行了研究,研制出SMA弹簧驱动的仿生水母机器人原型样机,为水母器人的进一步研究提供了有益参考。