摘要：提高测力传感器的固有频率能有效增强被测力数据的可靠性。介绍了一种悬臂梁测力传感器提高固有频率的设计方案,以及用高温火焰烧断承载线产生阶跃激励以测试实体传感器固有频率的新方法。该方案使用有限元软件ANSYS对传感器进行模态分析和结构静力分析,结合仿真结果和悬臂梁固有频率公式修改模型,使测力传感器固有频率提高了60%以上,达到了360 Hz。实际测试结果与有限元仿真结果十分接近,充分证明了改进方案的有效性。

摘要：利用SEM对独角仙鞘翅的微结构进行了观测,并借助纳米压痕仪测试分析了鞘翅的纳米力学性能。SEM试验表明独角仙鞘翅是一种具有拱形空腔的中空轻质生物复合材料,其断面占空比为26.36%。鞘翅由外表皮和内表皮构成,而内表皮又通过11～12层纤维层采用45°角正交叠加铺设,层间辅以许多微纤维丝交叉连接方式编织在一起,形成层合板结构。试验测得鞘翅外表皮纳米力学性能分别为:硬度(0.28±0.13)GPa,弹性模量(5.62±1.21)GPa,接触刚度(1.67±0.14)×104 N/m。其纳米力学性能呈现拓扑分布规律,由头部至尾部区域有增大趋势。试验测试结果为后续研究中设计一种基于独角仙鞘翅的新型轻质仿生结构提供了仿生学模型和理论参考。

摘要：基于蝗虫脚掌有利于稳定附着的主要几何形态和材料特性,设计了一种新型具花瓣型结构的机器人仿生脚掌结构,并利用非线性有限元方法对其进行了接触力学和抓地性能分析.同时,利用快速成型法制备了机器人仿生脚掌试样,对其进行摩擦性能实验,以验证有限元分析结果的可靠性,并在此基础上进一步对脚掌结构进行优化设计.研究结果表明,仿蝗虫脚的机器人脚掌结构具有优良的地面抓附能力.在保证机器人脚一定承载能力的条件下,花瓣数目越少,机器人脚掌的抓地性能越好.

摘要：离子聚合物金属复合材料(ionic polymer metal composite)作为新型驱动材料在微小系统驱动等方面有着明确的应用前景,输出力较低和对水环境的依赖限制了该材料进一步的应用.本文采用正交实验设计法,针对IPMC制备过程中的3个主要参数,选用L16(45)正交表,以输出力为指标开展制备工艺的优化.结果表明主镀过程铂氨复合物的浓度对IPMC输出力的影响最大,Nafion膜中四乙氧基硅(TEOS)含量对输出力的影响次之,还原剂浓度对输出力没有显著影响.在实验确定的最优条件下,IPMC的最大输出力达到50mN,相应的最大位移为14mm.在最大输出位移性能相当的情况下,较常规条件最大力输出提高了2.4倍,有效工作寿命大幅提高,有效力输出延长了5.8倍,有效位移输出性能延长了5倍.该研究为IPMC进一步的应用奠定了坚实的基础.

摘要：壁虎天花板表面运动作用力的测定对揭示壁虎运动的力学规律、获得仿生机器人控制设计的灵感均具有重要意义.用三维力传感器阵列测定大壁虎天花板表面运动的三维作用力,结合高速摄像讨论壁虎在天花板表面运动中壁虎脚掌的作用力和预压力,并比较分析了前后腿的作用.结果表明壁虎在天花板表面运动的速度为0.17～0.48m/s,前后腿向身体中线方向收拢.脚掌在与天花板表面初始接触时间内产生冗余的预压力,以确保运动的安全,前腿的法向预压力大于后腿.前后腿的侧向作用力大小相当.前腿运动方向的作用力始终和运动方向相同,起主要推动作用;后腿运动方向的作用力始终和运动方向相反.前后腿的法向作用力分别占体重的73.4%和60.6%.运动中,运动方向的作用力明显大于侧向和法向的作用力,前腿主要起到推动作用,后腿则主要起稳定作用.上述结果表明壁虎在天花板表面运动中腿功能的变化,使得壁虎能够在极端条件下自由运动,并启发机器人结构设计、步态规划和控制规律的选择.

摘要：动物运动行为的研究对运动学的分析以及仿生机器人的研制有着重要意义.运用动物运动行为观测系统获取了虎纹捕鸟蛛(Ornithoctonus huwena)水平面直线运动的运动学信息,如步足的运动状态、质心的运动和步足各关节转动角度的变化等信息.结果表明:虎纹捕鸟蛛以一侧的步足1和3与对侧的步足2和4为一组运动相,两组运动相在运动中相互交替运动相位.运动速度的提高主要依靠于步频的提高来实现,并且运动稳定性优于昆虫.质心的速度和高度周期波动,步足相位交替时质心的高度和速度均较高,稳定运动状态下质心的高度和速度均较低.步足4偏向角的变化最小,有利于对身体的驱动;由于步足1的探寻功能使得运动中其各关节转动角度的变化不定.上述结果对仿生机器人的设计和步态规划有所启示.

摘要：用3维运动作用力测试系统测量大壁虎在墙面和天花板上稳定运动时的脚趾作用力,分析了脚趾力的变化与壁虎运动的关系;用高速摄像跟踪观察壁虎在稳定运动时脚趾行为,获得壁虎在墙面、天花板上运动时脚掌形态特征;揭示大壁虎在墙面及天花板上稳定粘附的形态学和接触力学规律.结果表明:在墙面和天花板接触表面内脚趾的面力与脚趾的夹角分别为12.6°和3.1°,垂直于接触表面的粘附力足以平衡重力引起的翻转矩或重力;壁虎第1和第5脚趾产生方向相反的力,在接触面内形成冗余结构,提高接触的可靠性和稳定性;墙面与天花板表面运动中脚趾作用力与运动表面的夹角近似相等(约20°);壁虎在天花板运动时,脚趾作用力明显大于在墙面运动时的脚趾作用力;上述结果可以启发仿壁虎机器人脚掌的控制与设计。

摘要：在外界的干扰下,动物可以实时地调整运动模式,来平衡外界的扰动以保持运动的平稳性.本文以短腿直立动物大鼠(Rattus norregicus)为研究对象,用单摆分别冲击大鼠的胸外侧和腹外侧,由高速摄像机和三维运动反力测试系统同步记录大鼠受到冲击时的运动行为和受到的地面反力.研究大鼠受到侧向冲击的平衡调节策略.大鼠抗冲击的平衡调节策略与身体受冲击的部位有显著相关性.胸外侧受到冲击时,大鼠主要依靠类弹簧的身体迅速弯曲吸收能量.腹外侧受到冲击时,大鼠通过身体的侧摆和腿的外支撑,刚性地平衡侧向冲击力和力矩.通过身体的侧摆实现应急缓冲比身体弯曲的应急缓冲时间短,但是调整恢复到正常运动状态需要更多时间.研究动物在外界干扰下的身体平衡调节策略,可以为仿生机器人的鲁棒性设计提供参考.

摘要：通过分析四足机器人运动协调的实现方式,利用RBF网络和Q学习算法设计了一种足端跟踪理想轨迹的运动协调方法。其仿真结果表明,该方法可以控制四足机器人足端对给定位移和速度轨迹的精确跟踪,实现四足机器人的运动协调。

摘要：生物材料优化的几何拓扑和轻质高强的特点对航空航天结构和材料设计具有重要启示．用扫描电子显微镜、原子力显微镜和粗糙度仪观测东方龙虱鞘翅的表面形貌和截面微结构,结果表明其表面非常光滑,Ra0．725 μm,与磨削加工表面相当;鞘翅上有规律的分布着微米级的凹陷; 横截面可见交错的空腔和孔道结构,材料绕空腔或孔道成层状分布．用纳米压痕仪测试东方龙虱鞘翅的硬度和弹性模量分别为0．473 GPa和8．16 GPa,显著高于花金龟、巨锯秋甲、双叉犀金龟的值;鞘翅的机械性能有明显的分布特征,该结果为开展轻质结构的拓扑优化和复合材料设计提供了很好的启示．