基于仿生微结构的触觉感知方式的研究
发布时间：2021-09-28 15:18
触觉作为人类重要的感觉之一,在我们日常生活中扮演着不可替代的作用。同样,对于机器人来说,触觉具有着视觉、听觉等无法替代重要感知功能。常见的触觉感知方式按照工作原理分类有电阻式、电容式、光电式等等,基于这些感知方式的触觉传感器在不同的场景下具有各自不同的特点与优势。本课题围绕仿生柔性触觉感知这个问题,从自然界的仿生微结构中获得灵感,对基于仿生微结构的柔性触觉感知方式进行了详细的论证、设计、测试及理论研究。本文主要研究内容与成果如下:1、基于仿生表面微结构的触觉感知方式的设计与制作工艺研究。从自然界广泛存在的微结构为出发点,研究生物表面结构色的形成机理;探索在弹性硅胶材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面制作微结构,并且形成可见光结构色的工艺;分别从理论模型与仿真角度对弹性材料表面结构色受到外部接触力的变化进行分析;基于弹性材料表面的结构色变化特点,讨论了其作为触觉感知的信号来源的可行性与稳定性,设计并且制作一款机器人触觉感知模块。2、仿生触觉感知方式的信息采集与处理方法研究。对基于仿生微结构的机器人感知方式的信号特征进行了详细地分析,数据处理主要基于图像处理和深度学习两种方式;基于图像处理的...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１自然界的吸附特性；（Ａ）锁合吸附，自然状态下蟑螂腿ｌＭｌ；?（Ｂ）干性吸附，壁虎刚??毛的微观结构（Ｃ）湿性吸附，树蛙的足底的微观结构１？２５１；?（Ｄ）干性吸附，??ｌ２Ｗ７｜（Ｅ）湿附（Ｆ）压附，章鱼盘Ｉ２９，３（Ｇ）??
１．２．３．仿生浸润结构研究??１．相关定义??提到生物表面的浸润性，则不可避免的要涉及到以下几个概念：??（１）接触角？液滴与固体表面接触时，由于液体表面存在张力，其边??缘与固体表面将呈一定的夹角，如图１．２（ａ），我们称这个夹角为接触角；接触角最??初由Ｔｈｏｍａｓ?Ｙｏｕｎｇ提出，并且建立了理想状态下液滴在固体表面时的张力平衡??方程［４１］。但是实际上，考虑到物体表面的粗糙度和材料组分，理想的Ｙｏｕｎｇ氏方??程并不适用，因此，Ｗｅｎｚｅｌ［４２ｌ和Ｃａｓｓｉｅ［４３］分别对其进行了改进，如图１．２（ｃ），（ｄ）??分别是改进后的Ｗｅｎｚｅｌ和Ｃａｓｓｉｅ状态模型，这两种模型解决了粗糙的固体表面??和疏水特性之间的关系，也为理论研宄提供了参考依据。??（２）滚动角［４４＇４５］：使固体表面的液体由静止转向滚动状态时，固体与水平??面之间的夹角，如图１．２（ｂ），由定义可知，滚动角是一个临界值。??接触角和滚动角两个值，都是用来描述材料对于某种液体的浸润特性。依据??这两个值大小的不同，材料可以分为，超亲液材料（０接近于０）、亲液（０?＜?９０°）、??疏液＞?９０°）、超疏液＞?１５０。且滚动角ａ?＜?１０°）这四种。??
第１章绪?论??构使得水滴在荷叶表面具有大接触角和滚动角。研究人员通过参照荷叶的微观??结构，制作了各种各样的疏水材料［５１］，图１．３０）中第四幅图展示的是利用柔性??碳纳米管的疏水效果［５６］；??另一个我们熟悉的疏水例子就是水黾［５７，５８］，如图１．３（Ｂ），它之所以可以在水??面自如的行走、跳跃，就是得益于其足端规则朝向排列的针刺状微纳米结构（约??２０°），这种结构和水面之间形成一层强有力的气膜，为其跳跃时提供了强有力的??支撑。受水黾的启发，研宄人员制作出了可以在水面跳跃的黾机器人｜５９｜；??除了上述两种常见的例子，自然界中海油很多类似的结构，比如玫瑰花瓣带??有吸附效果的疏水结构＾１，稻叶带有导向性的疏水表面［６｜１，等等。??图１．３自然界中的疏水性例子及其仿生设计；（Ａ）超疏水性的荷叶及仿生材料ｌ５１、５＾５＾；?（Ｂ〉??支撑跳跃的水黾腿及仿生水黾机器人ｌ５７＿Ｓ９ｌ；?（Ｃ）具有吸附效果的玫瑰花瓣Ｍｌ；?（Ｄ）??疏水导向性的稻叶Ｉ６１１。??１．２．４．仿生结构色的研究??１．结构色研究背景??纵观结构色的研宄历史，最早可以追溯到１６６５年，英国著名科学家罗布特？??胡克（Ｒｏｂｅｒｔ?Ｈｏｏｋｅ
【参考文献】：
博士论文
[1]基于飞秒激光微纳米技术的仿生功能结构研究[D]. 李国强.中国科学技术大学 2015
本文编号：3412156
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１自然界的吸附特性；（Ａ）锁合吸附，自然状态下蟑螂腿ｌＭｌ；?（Ｂ）干性吸附，壁虎刚??毛的微观结构（Ｃ）湿性吸附，树蛙的足底的微观结构１？２５１；?（Ｄ）干性吸附，??ｌ２Ｗ７｜（Ｅ）湿附（Ｆ）压附，章鱼盘Ｉ２９，３（Ｇ）??
１．２．３．仿生浸润结构研究??１．相关定义??提到生物表面的浸润性，则不可避免的要涉及到以下几个概念：??（１）接触角？液滴与固体表面接触时，由于液体表面存在张力，其边??缘与固体表面将呈一定的夹角，如图１．２（ａ），我们称这个夹角为接触角；接触角最??初由Ｔｈｏｍａｓ?Ｙｏｕｎｇ提出，并且建立了理想状态下液滴在固体表面时的张力平衡??方程［４１］。但是实际上，考虑到物体表面的粗糙度和材料组分，理想的Ｙｏｕｎｇ氏方??程并不适用，因此，Ｗｅｎｚｅｌ［４２ｌ和Ｃａｓｓｉｅ［４３］分别对其进行了改进，如图１．２（ｃ），（ｄ）??分别是改进后的Ｗｅｎｚｅｌ和Ｃａｓｓｉｅ状态模型，这两种模型解决了粗糙的固体表面??和疏水特性之间的关系，也为理论研宄提供了参考依据。??（２）滚动角［４４＇４５］：使固体表面的液体由静止转向滚动状态时，固体与水平??面之间的夹角，如图１．２（ｂ），由定义可知，滚动角是一个临界值。??接触角和滚动角两个值，都是用来描述材料对于某种液体的浸润特性。依据??这两个值大小的不同，材料可以分为，超亲液材料（０接近于０）、亲液（０?＜?９０°）、??疏液＞?９０°）、超疏液＞?１５０。且滚动角ａ?＜?１０°）这四种。??
第１章绪?论??构使得水滴在荷叶表面具有大接触角和滚动角。研究人员通过参照荷叶的微观??结构，制作了各种各样的疏水材料［５１］，图１．３０）中第四幅图展示的是利用柔性??碳纳米管的疏水效果［５６］；??另一个我们熟悉的疏水例子就是水黾［５７，５８］，如图１．３（Ｂ），它之所以可以在水??面自如的行走、跳跃，就是得益于其足端规则朝向排列的针刺状微纳米结构（约??２０°），这种结构和水面之间形成一层强有力的气膜，为其跳跃时提供了强有力的??支撑。受水黾的启发，研宄人员制作出了可以在水面跳跃的黾机器人｜５９｜；??除了上述两种常见的例子，自然界中海油很多类似的结构，比如玫瑰花瓣带??有吸附效果的疏水结构＾１，稻叶带有导向性的疏水表面［６｜１，等等。??图１．３自然界中的疏水性例子及其仿生设计；（Ａ）超疏水性的荷叶及仿生材料ｌ５１、５＾５＾；?（Ｂ〉??支撑跳跃的水黾腿及仿生水黾机器人ｌ５７＿Ｓ９ｌ；?（Ｃ）具有吸附效果的玫瑰花瓣Ｍｌ；?（Ｄ）??疏水导向性的稻叶Ｉ６１１。??１．２．４．仿生结构色的研究??１．结构色研究背景??纵观结构色的研宄历史，最早可以追溯到１６６５年，英国著名科学家罗布特？??胡克（Ｒｏｂｅｒｔ?Ｈｏｏｋｅ
【参考文献】：
博士论文
[1]基于飞秒激光微纳米技术的仿生功能结构研究[D]. 李国强.中国科学技术大学 2015
本文编号：3412156
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3412156.html
