生物干性粘附爬行機(jī)理與仿生爬壁機(jī)器人研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)化、城市化進(jìn)展加快，陡峭壁面作業(yè)在民用工程領(lǐng)域需求日益增多。同時(shí)，在局部沖突頻發(fā)、反恐形勢(shì)嚴(yán)峻的國(guó)際大背景下，在城市壁面環(huán)境，尤其是街道、樓宇、室內(nèi)壁面環(huán)境下執(zhí)行軍事任務(wù)，戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略意義日益增強(qiáng)。發(fā)展具有三維空間表面無(wú)障礙運(yùn)動(dòng)能力(three-dimensional-obstacle-free，TDOF)的爬壁機(jī)器人，對(duì)降低壁面作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)效率，執(zhí)行多種特殊任務(wù)有重要意義。傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人為了實(shí)現(xiàn)TDOF，采用機(jī)械手

2、抓附、電磁吸附、真空吸附、靜電吸附等手段克服重力，廣泛用于救援、建筑工業(yè)、市政工程、石化、造船、航空、核電等領(lǐng)域，代替人類在危險(xiǎn)場(chǎng)所或特殊地形進(jìn)行相關(guān)活動(dòng)，技術(shù)較為成熟。但這些機(jī)器人普遍存在技術(shù)缺陷，例如壁面適應(yīng)性差、能耗高、體積大、噪音強(qiáng)，等等，難以做到小型化、輕量化，應(yīng)用范圍窄。為了解決這一問(wèn)題，人們將目光投向了生物界。飛檐走壁是許多動(dòng)物與生俱來(lái)的能力，壁虎是爬壁能力最為突出的動(dòng)物之一，其腳趾表面精妙的粘附結(jié)構(gòu)為人類研制仿生干性粘附

3、陣列材料，研發(fā)新型爬壁機(jī)器人提供了啟發(fā)。
　　本文主要介紹了圍繞壁虎干性粘附和仿生爬壁機(jī)器人所開(kāi)展的一系列研究工作。首先根據(jù)大壁虎（Gekko gecko）腳趾結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，建立了剛毛系統(tǒng)多級(jí)分叉模型。利用該模型，進(jìn)行了單根剛毛在方向性粘附背景下，基于均布力假設(shè)的粘附力學(xué)研究。隨后，基于單根剛毛模型，建立了大壁虎腳趾皺褶結(jié)構(gòu)方向性粘附模型。利用皺褶結(jié)構(gòu)模型分析了大壁虎腳趾內(nèi)收、外翻動(dòng)作的生物力學(xué)意義。接著，利用經(jīng)典粘附力學(xué)模型，預(yù)測(cè)了

4、聚氨酯基仿生干性粘附材料力學(xué)性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，獲得了干性粘附材料等效粘著能、粘附強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)。最后，模仿大壁虎腳趾結(jié)構(gòu)與動(dòng)作，設(shè)計(jì)了基于履帶模塊的欠驅(qū)動(dòng)爬壁機(jī)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機(jī)器人樣機(jī)。
　　本文主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.提出了基于均布力假設(shè)的單根剛毛方向性粘附模型
　　該模型考慮了剛毛多層分叉結(jié)構(gòu)間的跨尺度耦合效應(yīng)，以及與粘附表面間的接觸側(cè)向接觸，能較為完整、準(zhǔn)確地再

5、現(xiàn)大壁虎腳趾剛毛方向性粘附性質(zhì)，并能夠預(yù)測(cè)、解釋大壁虎腳趾剛毛在粘附、脫附過(guò)程中的力學(xué)行為。該模型為后續(xù)進(jìn)行非均布力假設(shè)下剛毛、皺褶乃至壁虎腳趾力學(xué)模型建立提供了研究工具;
　　2.提出了基于均布力假設(shè)的皺褶結(jié)構(gòu)方向性粘附模型
　　基于單根剛毛模型，建立了基于均布力假設(shè)的單個(gè)大壁虎腳趾皺褶模型，并通過(guò)該模型在大壁虎腳趾內(nèi)收、外翻過(guò)程中的形變，解釋了大壁虎腳趾行為的力學(xué)意義，從跨尺度耦合角度出發(fā)，直接詮釋了大壁虎腳趾固有運(yùn)動(dòng)模

6、式。
　　3.預(yù)測(cè)、測(cè)試了納米尺度粘附陣列材料性能
　　預(yù)測(cè)了基于表面具有微納米尺度半球形凸起陣列的粘附材料力學(xué)性能，包括表觀粘附強(qiáng)度和等效粘著能，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)下相關(guān)力學(xué)參數(shù)。利用此種材料設(shè)計(jì)、制備了仿生爬壁機(jī)器人粘附履帶，將其用于爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)、制作。該材料較表面無(wú)形貌材料，以及微米級(jí)粘附陣列材料，擁有更好的等效粘著能、粘附強(qiáng)度等力學(xué)性能。
　　4.仿生爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)、制作與實(shí)驗(yàn)
　　通過(guò)模仿大壁