仿蝾螈脚掌微结构弹性体足垫性能的实验研究

摘要

湿滑条件下的仿生粘附技术能够提高爬壁机器人对壁面材料及壁面质量的适应能力，是目前爬壁机器人研究的热点之一。本课题来源于国家自然青年科学基金项目“湿滑条件下仿蝾螈脚掌微结构的弹性体足垫壁面粘附机理研究”，对东方蝾螈脚掌表面微观结构进行研究，仿生制作了类蝾螈脚掌表面结构的弹性足垫，研制了用于测试仿生弹性足垫表面摩擦粘附性能的实验样机，并对仿生试样进行表面摩擦粘附性能测试。主要工作如下:
　　一、调研爬壁机器人的相关资料以及观察东方蝾螈生活习性，在此基础上制作活体东方蝾螈脚掌标本，并运用AFM（原子力显微镜）和SEM（扫描电镜）观察脚掌表面结构，研究表面结构特征，以脚掌表面结构特征为基础设计仿生弹性足垫表面结构，利用光刻复印技术，在PDMS（聚二甲基硅氧烷）表面上加工类似东方蝾螈脚掌表面组合结构的仿生弹性足垫;
　　二、根据对仿生弹性足垫性能测试的要求，研制了用于测试仿生弹性足垫表面摩擦力和粘附力的实验样机，并对实验样机进行调试，符合实验应用要求;
　　三、利用实验样机对制作的仿生弹性足垫进行表面摩擦粘附特性进行测试，测试结果表明仿生弹性足表面摩擦粘附性能与表面结构的面积率、形状、尺寸大小具有密切的关系;
　　四、利用表面接触角测量仪测试仿生弹性足垫表面接触角，总结了仿生弹性足垫表面结构对其润湿性的影响。
　　本课题的研究成果为湿滑条件下爬壁机器人的脚掌设计提供了一种方法，为爬壁机器人脚掌表面结构的设计提供了一定参考，为湿滑条件下爬壁机器人的应用奠定了一定的基础。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 仿生表面结构概述

1．3 课题来源及意义

1．4 研究方法与内容

1．5 本章小结

2 仿生弹性足垫的设计与制作

2．1 仿生弹性足垫的设计

2．1．1 东方蝾螈脚掌生物试样标本的制作

2．1．2 东方蝾螈脚掌生物试样标本的观察

2．1．3 仿生弹性足垫形状结构的设计

2．1．4 仿生弹性足垫尺寸参数的设计计算

2．2 仿生弹性足垫的制作

2．2．1 仿生试样材料的选择

2．2．2 仿生弹性足垫的制备工艺

2．3 本章小结

3 实验样机的设计与制造

3．1 实验样机的设计

3．1．1 实验样机性能要求分析

3．1．2 实验样机的虚拟样机设计

3．2 实验样机的制造

3．2．1 实验样机的加工以及零部件的选择

3．2．2 实验样机的装配与调试

3．3 本章小结

4 摩擦特性实验研究

4．1 测试实验设计

4．1．1 研究目的提出假设

4．1．2 拟定验证假设方法和程序

4．2 摩擦力性能试验测试

4．2．1 仿生弹性足垫形状变量摩擦性能测试

4．2．2 仿生弹性足垫表面结构几何尺寸对摩擦性能测试

4．2．3 仿生弹性足垫表面组合结构与单一表面结构摩擦性能对比

4．3 本章小结

5 粘附特性实验研究

5．1 仿生弹性足垫表面润湿性能测试

5．2 仿生弹性足垫表面粘附性能测试

5．2．1 表面无微结构仿生弹性表面粘附性能测试

5．2．2 表面有微结构仿生弹性表面粘附性能测试

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况