论文摘要
科学研究已经证明:壁虎的悬梁挂壁源于其脚底刚毛与接触面之间的“范德华力”。仿壁虎人工脚掌粘性材料的研制对仿生机器人的三维无障碍运动具有十分重要的意义。课题组深入研究了“大壁虎”(中国广西)脚掌的精细结构及其运动力学,借鉴了国内外同行专家的研究成果,制定了仿壁虎机器人脚掌仿生粘性材料的研制工作。论文以仿生粘性材料的研制及应用为目标,主要进行了以下4个方面的工作:壁虎刚毛阵列的力学分析、人造刚毛阵列的设计及制备、聚氨酯/硅橡胶共聚体粘性材料的研究以及人工脚掌的仿生设计。具体内容如下:(1)基于JKR理论,理论分析了壁虎刚毛阵列与粗糙面脱附过程中的力学特性和刚毛倾斜角对刚毛阵列拉开力的影响。以MATLAB为工具,进行数值仿真计算,得出了刚毛阵列脱附过程中的脱附力、粘附力等的变化及刚毛倾斜角对刚毛阵列拉开力的影响。(2)以JKR理论为基础,分析得出了人造刚毛阵列克服缠结现象需满足的几何条件(长径比、刚毛间距)。设计了四种尺寸的微米级刚毛阵列,并利用等离子深硅刻蚀工艺制作了刚毛阵列的硅片孔阵列模具。采用真空浇铸法进行了微米级硅橡胶刚毛阵列的浇铸实验,并利用化学腐蚀法实现刚毛阵列的脱模。(3)实验优化了以聚四氢呋喃(分子量3000)为主原料的聚氨酯预聚体的合成配方,并制作了一系列聚氨酯/硅橡胶共聚体粘性材料试样。对聚氨酯/硅橡胶共聚体粘性材料试样进行了弹性模量和粘着力的测试,测试结果表明聚氨酯含量在30%左右时材料具有最大的粘着力,并对该试样进行了粘附状态下切向力的测试。(4)分析壁虎脚趾的内部结构及驱动机理,进行结构的简化,初步设计了能够实现类似壁虎脚掌外翻动作的仿壁虎机器人脚掌。利用三维工程软件UG完成了脚掌弹性体及其注塑模具的设计。
论文目录
摘要Abstract第一章 绪论1.1 仿生学1.1.1 仿生学的历史及研究内容1.1.2 仿生学的研究方法1.1.3 仿生学的研究意义1.2 本文的研究背景1.2.1 全空间无障碍运动的动物足掌结构1.2.2 壁虎脚掌的微观结构及吸附机理1.3 仿壁虎刚毛阵列的制造技术及国内外研究进展1.3.1 几种可能用来制造仿壁虎刚毛阵列的微纳米制造技术1.3.2 国内外的研究进展1.4 本文的主要研究工作第二章 壁虎刚毛阵列拉开力的数值模拟2.1 JKR 理论简介2.1.1 JKR 理论的前身Hertz 接触理论2.1.2 DMT 理论2.1.3 JKR 理论2.1.4 DMT 和JKR 理论的统一2.2 单根刚毛的力学分析2.2.1 刚毛倾斜角对刚毛阵列适应性的影响2.2.2 单根刚毛的力特性2.3 斜角度壁虎刚毛阵列的力学分析2.3.1 斜角度壁虎刚毛阵列沿z 向脱附过程的分析2.3.2 刚毛倾斜角对刚毛阵列沿刚毛轴向脱附过程拉开力的影响2.4 数值模拟结果及讨论2.4.1 壁虎刚毛阵列脱附过程中力的数值模拟及讨论2.4.2 刚毛倾斜角度对沿刚毛轴向脱附过程拉开力影响的数值模拟及讨论2.5 本章小结第三章 仿壁虎刚毛阵列的设计及制备3.1 仿壁虎刚毛阵列结构设计的理论分析3.1.1 刚毛长度和半径关系的分析3.1.2 刚毛间距的分析3.2 仿壁虎刚毛阵列及硅片模具的尺寸选取3.2.1 仿壁虎刚毛阵列尺寸和硅片微孔阵列尺寸的选取3.2.2 硅片微孔阵列的制作3.3 仿壁虎刚毛阵列的制造3.3.1 实验材料及仪器3.3.2 真空浇铸法浇铸仿壁虎刚毛阵列3.3.3 化学腐蚀法脱模刚毛阵列3.3.4 制造仿壁虎刚毛阵列的工艺过程3.3.5 结果与分析3.3.6 实验与理论的对照3.3.7 实验中存在的问题3.4 本章小节第四章 聚氨酯/硅橡胶共聚体材料的制备及力学性能测试4.1 聚氨酯/硅橡胶共聚体材料的合成4.1.1 聚氨酯材料的合成法简介4.1.2 聚氨酯/硅橡胶共聚体材料的合成4.1.3 聚氨酯/硅橡胶共聚体材料的合成工艺4.1.4 聚氨酯预聚体中自由异氰酸根离子含量的滴定实验简介4.2 聚氨酯/硅橡胶共聚体材料弹性模量的测试4.2.1 实验装置4.2.2 测量误差的控制4.2.3 测试结果与分析4.3 聚氨酯/硅橡胶共聚体材料粘着力的测试4.3.1 传感器的标定4.3.2 粘着力测试实验装置4.3.3 粘着力测试实验4.3.4 结果与讨论4.4 C试样粘附状态下切向力的测试4.5 本章小结第五章 仿壁虎机器人脚掌的设计5.1 仿生学基础5.2 仿壁虎机器人脚掌的结构设计5.3 脚掌的模具设计5.4 本章小结第六章 总结和展望6.1 本文的主要工作和结论6.2 今后的工作展望参考文献致谢在学期间的研究成果
相关论文文献
标签：仿生学论文; 刚毛阵列论文; 数值模拟论文; 微制造论文; 聚氨酯论文; 仿生设计论文;
