摘要：爬壁机器人是移动机器人的重要分支,能代替人工在高危、狭小、恶劣等环境工作.研制仿生爬壁机器人从筛选具有优异攀爬能力的动物,研究其运动行为、机体结构、附着能力、感知控制的规律入手,凝练爬壁机器人设计准则,发展灵活、轻质、微型、适应性广的移动机器人,为航空、航天、救援等提供必要的装备.这类研究受到基础科学、工程技术和产业应用等领域专家的广泛关注.本文梳理仿生爬壁机器人研究的现状,总结典型攀爬动物的运动行为、附着机制,归纳爬壁机器人的附着方式、移动机构和运动控制等方面的关键技术,分析仿生爬壁机器人附着和移动方式的特点,给出已有爬壁机器人的仿生度,并展望仿生爬壁机器人的核心问题和发展趋势,为未来仿生爬壁机器人的发展提供参考意见.

摘要：复合材料轻质夹芯结构因其优异的力学性能被广泛应用于航空航天领域。本文在对白星花金龟鞘翅断面形貌观测的基础上,根据鞘翅表皮层中纤维铺排方式以及微观结构特征设计了仿鞘翅轻质高韧夹芯结构。并利用有限元法对复合材料双螺旋铺层面板以及仿生鞘翅夹芯结构进行三点弯曲力学性能分析,对结构韧性进行分析和评价;进一步对夹芯结构进行承压性能分析。结果表明与传统蜂窝夹芯结构相比,所设计的仿鞘翅复合材料夹芯结构具有更优异的韧性,且与蜂窝夹芯结构承压能力相当。该研究对新型轻质高强高韧复合材料结构设计具有一定的参考和指导意义。

摘要：壁虎的脚掌上具有脚爪和刚毛两种附着器官,两种器官具有不同的附着机制,二者协同作用使壁虎具有在任意粗糙度的竖直墙面和天花板上自如运动与附着的能力.将壁虎脚掌上的脚爪去除后,放置在14种不同粗糙度的竖直的砂纸表面,以研究壁虎仅依靠刚毛时的附着能力.研究结果表明,仅仅依靠刚毛附着时,壁虎在各类砂纸表面的滑移速度、内收速度等存在差异性.滑移速度随着砂纸表面上颗粒直径与间距比值增大而减小,表面粗糙度并不是影响黏附性能的直接原因,其黏附性能由刚毛尖端末梢与砂纸表面的接触面积决定.研究壁虎脚掌刚毛在不同粗糙度的竖直表面的黏附性能,可以为设计基于仿壁虎刚毛黏附的爬壁机器人提供参考.

摘要：失重环境下固体间的稳定接触是空间站舱内外航天员作业、在轨维修、空间碎片捕获等任务面临的共性问题,基于范德华力机制的刚毛黏附材料为解决上述问题提供了可能.本文介绍使用仿生高分子黏附结构研制仿壁虎机器人脚掌所面临的问题.用仿壁虎腿机构构成的黏附性能试验台,研究了黏附脚掌的刚度、尺寸和黏附轨迹与黏附力、实际接触面积间的关系,确定了脚掌黏附过程的稳定边界.用重力补偿法模拟整体失重环境,设计了脚掌黏脱附轨迹并实现了仿壁虎机器人在整体失重情况下的稳定黏附运动,为在轨微重力环境下仿壁虎机器人的黏附运动提供了基础数据.

摘要：在深入观察分析壁虎爬行步态的基础上，针对其非连续约束变结构运动特点，进行了新型仿壁虎机器人的运动学分析，设计了一种前脚掌姿态和落点位置参数可调的仿生多步态规划方法，以弥补现有的步态规划方法中存在的运动协调性差、适用面窄等不足。基于Matlab软件平台开发了仿生步态规划程序，分析比较了仿壁虎机器人在对角和三角步态下的仿真实验结果，结果表明，仿壁虎机器人运动协调稳定，能够实现不同环境下的步态要求，验证了仿生步态规划方法的正确性和可行性，为基于不同环境下多步态数据生成奠定了基础。

摘要：分析了仿壁虎机器人机构,建立机器人单腿的运动学模型,并通过代数法求逆解。静态标定三维力传感器并计算分析了传感器解耦矩阵,设计了力信号放大和滤波电路。建立足端黏附材料的弹簧模型,采用增量式关节运动方式,设计了足端三维力反馈控制算法。在Quanser的半实物仿真平台上验证了三维力反馈控制算法。实验表明仿壁虎机器人对足端三维力控制性能良好,三维力反馈控制算法可行,为具有力感知的仿壁虎机器人实现爬壁运动奠定了实验基础。

摘要：分析了一种仿壁虎机器人的机械结构及其运动学原理,通过对壁虎运动行为的研究,规划了一种仿壁虎的墙面爬行对角步态.利用ADAMS对机器人沿垂直壁面爬行的运动进行了仿真,分析了模型质心位移、关节转矩以及足部与壁面之间的接触力等参数.最后通过实验分析,验证了结构设计、步态规划的合理性,所选择的电机符合设计要求.

摘要：依据JKR理论,从几何仿生角度出发设计并制备了2种具有斜截面的倾斜人工刚毛.理论计算表明:刚毛支杆倾斜20°,斜截面为45°时,刚毛具有较为理想的黏附性能,且具有这种结构的刚毛可便利地调控吸附和脱附.利用微摩擦试验机测试了人工刚毛表面的黏附性能,结果表明:在无滑移的平面接触下,刚毛阵列的黏附力随法向载荷增加而增大,当法向载荷超过一定值后,黏附力增加缓慢并趋于饱和;法向载荷为30mN时,刚毛无滑移卸载所产生黏附强度约为2.4kPa,略高于逆向滑移后卸载所产生的黏附强度2.2kPa,而正向滑移后卸载所产生的最大黏附强度较逆向滑移后卸载有明显增加,达3.1kPa,增加了近41%;短距离的滑移可增加黏附力,但随着滑移距离加大,黏附力随之下降.

摘要：离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer Metal Composite,IPMC)是由聚合物基底膜和金属电极复合而成的一种新型的离子型电致动材料.对基底膜进行表面粗化处理,改善聚合物基底和金属电极间交界面构筑方式是提高材料性能的重要方法.本文针对IPMC人工肌肉的制备提出了一种可控的基底膜定向表面粗化方法,基于UMT-2摩擦磨损试验机的线性往复运动设计了一套IPMC基底膜表面粗化装置.对比手工粗化,采用3种载荷对Nafion商业膜表面进行了机械粗化处理.对不同粗化条件获得的基底膜以相同的工艺制备IPMC,研究了不同粗化方法和条件对IPMC人工肌肉力和位移输出性能的影响.结果表明,机械粗化能够排除手工粗化过程中人为因素的影响,做到粗化加载的力度及方向性可控,使磨痕深浅均匀方向一致.相比手工粗化,通过机械粗化可以改善基底膜与电极层之间的构筑紧密程度,增加铂颗粒的吸附能力和沉积厚度,获得更为平整致密、裂隙均匀有序的表面电极,从而降低IPMC表面电阻,提升力和位移输出能力.致密且较厚的电极层同时可以阻挡一部分水分的泄露,延长IPMC有效工作的时间.该研究能够提升IPMC制备工艺的稳定性,为IPMC制备的标准化奠定基础,同时提高IPMC人工肌肉的驱动性能,对IPMC人工肌肉的进一步开发应用提供保障.

摘要：针对从零到大刚度变化需要,设计一种基于仿生黏附的变刚度机构,它具有刚度变化范围大,响应迅速,体积小等优点。变刚度机构性能测试结果表明,变刚度机构可在约0.5s内完成非工作状态和工作状态之间的转换,在工作状态下可承担至少约90N的冲击载荷,且在工作200次后性能基本不变。变刚度机构可应用于在高冲击载荷下对人体头颈部的防护。