生物干性粘附爬行机理与仿生爬壁机器人研究

发布时间：2017-10-15 10:12

  本文关键词：生物干性粘附爬行机理与仿生爬壁机器人研究

  更多相关文章： 壁虎 干性粘附 仿生爬壁机器人 方向性粘附 欠驱动

【摘要】：随着现代社会工业化、城市化进展加快,陡峭壁面作业在民用工程领域需求日益增多。同时,在局部冲突频发、反恐形势严峻的国际大背景下,在城市壁面环境,尤其是街道、楼宇、室内壁面环境下执行军事任务,战术、战略意义日益增强。发展具有三维空间表面无障碍运动能力(three-dimensional-obstacle-free, TDOF)的爬壁机器人,对降低壁面作业风险,提高作业效率,执行多种特殊任务有重要意义。传统爬壁机器人为了实现TDOF,采用机械手抓附、电磁吸附、真空吸附、静电吸附等手段克服重力,广泛用于救援、建筑工业、市政工程、石化、造船、航空、核电等领域,代替人类在危险场所或特殊地形进行相关活动,技术较为成熟。但这些机器人普遍存在技术缺陷,例如壁面适应性差、能耗高、体积大、噪音强,等等,难以做到小型化、轻量化,应用范围窄。为了解决这一问题,人们将目光投向了生物界。飞檐走壁是许多动物与生俱来的能力,壁虎是爬壁能力最为突出的动物之一,其脚趾表面精妙的粘附结构为人类研制仿生干性粘附阵列材料,研发新型爬壁机器人提供了启发。本文主要介绍了围绕壁虎干性粘附和仿生爬壁机器人所开展的一系列研究工作。首先根据大壁虎(Gekko gecko)脚趾结构数据,建立了刚毛系统多级分叉模型。利用该模型,进行了单根刚毛在方向性粘附背景下,基于均布力假设的粘附力学研究。随后,基于单根刚毛模型,建立了大壁虎脚趾皱褶结构方向性粘附模型。利用皱褶结构模型分析了大壁虎脚趾内收、外翻动作的生物力学意义。接着,利用经典粘附力学模型,预测了聚氨酯基仿生干性粘附材料力学性能。通过实验,获得了干性粘附材料等效粘着能、粘附强度等力学参数。最后,模仿大壁虎脚趾结构与动作,设计了基于履带模块的欠驱动爬壁机器人,制作了可以在天花板上爬行,并具有一定越障能力的爬壁机器人样机。本文主要研究成果和创新点如下：1.提出了基于均布力假设的单根刚毛方向性粘附模型该模型考虑了刚毛多层分叉结构间的跨尺度耦合效应,以及与粘附表面间的接触侧向接触,能较为完整、准确地再现大壁虎脚趾刚毛方向性粘附性质,并能够预测、解释大壁虎脚趾刚毛在粘附、脱附过程中的力学行为。该模型为后续进行非均布力假设下刚毛、皱褶乃至壁虎脚趾力学模型建立提供了研究工具；2.提出了基于均布力假设的皱褶结构方向性粘附模型基于单根刚毛模型,建立了基于均布力假设的单个大壁虎脚趾皱褶模型,并通过该模型在大壁虎脚趾内收、外翻过程中的形变,解释了大壁虎脚趾行为的力学意义,从跨尺度耦合角度出发,直接诠释了大壁虎脚趾固有运动模式。3.预测、测试了纳米尺度粘附阵列材料性能预测了基于表面具有微纳米尺度半球形凸起阵列的粘附材料力学性能,包括表观粘附强度和等效粘着能,并通过实验测试了动态和静态下相关力学参数。利用此种材料设计、制备了仿生爬壁机器人粘附履带,将其用于爬壁机器人设计、制作。该材料较表面无形貌材料,以及微米级粘附阵列材料,拥有更好的等效粘着能、粘附强度等力学性能。4.仿生爬壁机器人设计、制作与实验通过模仿大壁虎脚趾结构与动作,将欠驱动柔性关节用于履带模块式欠驱动仿生爬壁机器人。通过优化样机结构,实现了机器人与壁面间的稳定粘附,以及在不同角度壁面上对粘附力的调控。利用三维打印技术加工出机器人样机,并通过实验验证了爬壁能力。
【关键词】：壁虎 干性粘附 仿生爬壁机器人 方向性粘附 欠驱动
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第1章 绪论16-42
• 1.1 仿生学及其在机器人领域的应用16-18
• 1.2 爬壁机器人发展概况与生物爬壁原理18-26
• 1.2.1 传统爬壁机器人发展18-19
• 1.2.2 生物爬壁结构及机理19-23
• 1.2.3 仿生干性粘附材料23-26
• 1.3 干性粘附的来源与数学模型26-30
• 1.3.1 干性粘附的来源——范德华力26-28
• 1.3.2 基于表面粘着功的粘弹性体粘附力学模型28-30
• 1.4 仿生干性粘附爬壁机器人现状30-38
• 1.4.1 国外仿生干性粘附爬壁机器人现状30-37
• 1.4.2 国内仿生干性粘附爬壁机器人现状37-38
• 1.5 目前仿生干性粘附爬壁机器人研究领域不足38-39
• 1.6 论文主要研究内容与组织结构39-42
• 第2章 大壁虎脚趾刚毛系统建模与力学分析42-66
• 2.1 研究背景42-46
• 2.1.1 大壁虎粘附系统及粘附行为实验观察进展42-43
• 2.1.2 大壁虎粘附系统建模研究进展43-46
• 2.2 刚毛系统方向性粘附模型46-54
• 2.2.1 刚毛系统几何建模46-48
• 2.2.2 刚毛系统的力学模型48-54
• 2.3 刚毛系统粘附力学行为分析54-63
• 2.3.1 刚毛系统的方向性粘附行为特性54-59
• 2.3.2 刚毛能量分析59-61
• 2.3.3 刚毛在不同粘附状态下的角度变化61-63
• 2.4 本章小结63-66
• 第3章 大壁虎脚趾行为的生物力学分析66-80
• 3.1 大壁虎脚趾皱褶几何与力学建模66-69
• 3.2 大壁虎脚趾运动分析69-74
• 3.2.1 大壁虎脚趾主动外翻与内收的生物力学意义69-73
• 3.2.2 主动脚趾外翻与被动脚趾外翻73-74
• 3.3 皱褶结构粘附部分均布力假设对计算结果的影响74-78
• 3.3.1 皱褶弯曲形变造成的误差75-77
• 3.3.2 皱褶旋转带来的误差77-78
• 3.4 本章小结78-80
• 第4章 仿生干性粘附阵列材料性能分析与测试80-96
• 4.1 粘附阵列材料性能分析80-83
• 4.2 粘附材料制备83-86
• 4.3 粘附材料测试86-94
• 4.3.1 粘附材料测试方法概述86-87
• 4.3.2 粘附材料静态测试87-88
• 4.3.3 粘附材料动态测试88-94
• 4.4 测试实验结论94-95
• 4.5 本章小结95-96
• 第5章 基于履带模块的欠驱动爬壁机器人设计、制作与试验96-114
• 5.1 机器人设计96-107
• 5.1.1 履带模块设计96-100
• 5.1.2 基于履带模块的欠驱动爬壁机器人设计100-107
• 5.2 机器人制作与试验107-112
• 5.2.1 粘附履带的制作107-109
• 5.2.2 爬壁机器人机体制作109-110
• 5.2.3 爬壁机器人试验110-112
• 5.3 本章小结112-114
• 第6章 总结与展望114-116
• 6.1 主要研究成果与创新点114-115
• 6.2 研究展望115-116
• 参考文献116-126
• 致谢126-128
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果128-129

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本文编号：1036529