仿生微型濕吸機器人驅(qū)動原理及力學(xué)建模研究.pdf

1、自然界中有許多動物靠足上的吸附墊在光滑平面上行走，這種能力來自于粘液、復(fù)雜機械系統(tǒng)以及生物系統(tǒng)之間的相互作用。螞蟻和蒼蠅可以在墻壁上隨處停留，壁虎可以“飛檐走壁”，昆蟲的吸附機構(gòu)顯示了驚人的多樣性和卓越的性能。一些昆蟲在光滑表面能抵抗超過它們自身重量100倍的分離力，并且還能自由行走，這給特種機器人的足掌設(shè)計以及仿生機械應(yīng)用帶來了啟示。借鑒生物體的某些機制，解決某些機械問題的設(shè)計，近年來已成為生物學(xué)和機械工程學(xué)的交叉領(lǐng)域--仿生設(shè)計中關(guān)

2、注的熱點之一。 基于生物學(xué)吸附機制的廣泛應(yīng)用前景，本文展開了對微小動物濕吸吸附機制的研究。相對于干吸，動物的濕吸機制才剛剛被科學(xué)家們重視，其機理還不清楚。因此本文著重針對動物的光滑型足墊，這類足墊底部都有粘性分泌液，屬于濕吸吸附。 本文首先研究了在光滑表面上行走的動物的基本爬行現(xiàn)象，對其吸附機制分類，分析目前研究的主要內(nèi)容，介紹了基于動物吸附機制的國內(nèi)外仿生機械應(yīng)用，指出吸附機制需要解決的問題。針對這些問題，用掃描電子顯

3、微鏡觀察螞蟻足墊及其分泌液的形態(tài)，在此基礎(chǔ)上給出濕吸的力學(xué)模型，通過建模分析，得到吸附應(yīng)力與液體膜厚度、接觸塊半徑及接觸角度的關(guān)系。用有限元方法模擬動物足墊在水平滑動和垂直分離時的速度和動作，計算了分泌液內(nèi)部的壓力和速度分布。表明足墊從靜止到滑動受到一相當(dāng)大的靜摩擦力作用，隨后轉(zhuǎn)為稍微小一點的滑動摩擦力；動物滑動時足墊表面所受的摩擦力在足墊末梢端大，而靠近身體方向的足摯根部的摩擦力小，這樣的摩擦力分布有助于動物保持身體平衡和抵抗外界擾動

4、。 基于離心分離技術(shù)研制了微小力測試平臺，測試螞蟻在各種表面的吸附力，計算粘性力、毛細(xì)作用力和范德華力等在吸附力中的比重。用一些實驗和理論計算指出螞蟻的吸附力在垂直方向主要來源于毛細(xì)作用力，水平方向來源于分泌液在納米級厚度時產(chǎn)生的粘性力。昆蟲的吸附力不僅與分泌液有關(guān)，還與足墊的超微結(jié)構(gòu)、粘彈性及吸附分離的動作密切相關(guān)。指出吸附足墊的三大特性，即超微結(jié)構(gòu)特性、粘彈特性和摩擦特性。了解足墊特性可以為仿生足墊材料的選取提供參考。

5、 結(jié)合上述的研究結(jié)果，選擇硅膠來制作仿生吸盤，用不同粘度的水和蜂蜜水代替螞蟻足底的分泌液，對表面有不同花紋的試樣分別在干、濕和不同速度下測試摩擦力，驗證系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明相同的材料和形狀，不同的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計造成吸附力的大小和來源都不同。根據(jù)實驗結(jié)果及分析，可以根據(jù)需要選用合適的材料來仿生類似的昆蟲吸附足掌，設(shè)計機器人足墊的表面結(jié)構(gòu)形狀及厚度等幾何參數(shù)，以達到更好的吸附效果。仿生足墊要發(fā)揮最佳作用必須有腿上力及動作的配合，因此對蟋