仿生微型濕吸機(jī)器人驅(qū)動(dòng)原理及力學(xué)建模研究.pdf

1、自然界中有許多動(dòng)物靠足上的吸附墊在光滑平面上行走，這種能力來(lái)自于粘液、復(fù)雜機(jī)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(jī)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(guò)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(jī)器人的足掌設(shè)計(jì)以及仿生機(jī)械應(yīng)用帶來(lái)了啟示。借鑒生物體的某些機(jī)制，解決某些機(jī)械問(wèn)題的設(shè)計(jì)，近年來(lái)已成為生物學(xué)和機(jī)械工程學(xué)的交叉領(lǐng)域--仿生設(shè)計(jì)中關(guān)

2、注的熱點(diǎn)之一。 基于生物學(xué)吸附機(jī)制的廣泛應(yīng)用前景，本文展開了對(duì)微小動(dòng)物濕吸吸附機(jī)制的研究。相對(duì)于干吸，動(dòng)物的濕吸機(jī)制才剛剛被科學(xué)家們重視，其機(jī)理還不清楚。因此本文著重針對(duì)動(dòng)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(dòng)物的基本爬行現(xiàn)象，對(duì)其吸附機(jī)制分類，分析目前研究的主要內(nèi)容，介紹了基于動(dòng)物吸附機(jī)制的國(guó)內(nèi)外仿生機(jī)械應(yīng)用，指出吸附機(jī)制需要解決的問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，用掃描電子顯

3、微鏡觀察螞蟻?zhàn)銐|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(guò)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(dòng)物足墊在水平滑動(dòng)和垂直分離時(shí)的速度和動(dòng)作，計(jì)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(dòng)受到一相當(dāng)大的靜摩擦力作用，隨后轉(zhuǎn)為稍微小一點(diǎn)的滑動(dòng)摩擦力；動(dòng)物滑動(dòng)時(shí)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(dòng)物保持身體平衡和抵抗外界擾動(dòng)

4、。 基于離心分離技術(shù)研制了微小力測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試螞蟻在各種表面的吸附力，計(jì)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(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算指出螞蟻的吸附力在垂直方向主要來(lái)源于毛細(xì)作用力，水平方向來(lái)源于分泌液在納米級(jí)厚度時(shí)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(dòng)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(lái)制作仿生吸盤，用不同粘度的水和蜂蜜水代替螞蟻?zhàn)愕椎姆置谝海瑢?duì)表面有不同花紋的試樣分別在干、濕和不同速度下測(cè)試摩擦力，驗(yàn)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(jì)造成吸附力的大小和來(lái)源都不同。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，可以根據(jù)需要選用合適的材料來(lái)仿生類似的昆蟲吸附足掌，設(shè)計(jì)機(jī)器人足墊的表面結(jié)構(gòu)形狀及厚度等幾何參數(shù)，以達(dá)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(dòng)作的配合，因此對(duì)蟋