液压四足机器人新型腿结构设计与性能分析

为实现机器人的高负载、不平地面的高适应性运动要求,设计了一种新型的液压四足机器人腿结构。提出了腿模块机构,是带有平行四边形结构的四连杆腿模块机构,与传统的曲柄滑块四连杆机构进行了运动分析比较。基于MATLAB的SimMechanics软件模块,进行了仿真分析。结果表明带有平行四边形结构的四连杆腿模块机构具有较好的传动性能,该种腿结构的液压缸运动更为平稳,可确保机器人整体性能的优越性,为液压驱动的足式机器人腿结构设计提供新的设计途径。     

电刺激大壁虎(Gekko gecko)中脑诱导转向运动的研究

为探索大壁虎运动行为脑功能基础和人工诱导的可能性,用不锈钢微电极对头部固定状态下浅麻醉的大壁虎(Gekko gecko,n=20)中脑脑区施以生理范围内的电刺激.发现中脑被盖区域在电刺激下可诱导出大壁虎脊柱侧弯和四肢动(外伸、内收、抬腿迈步等动作)等一系列多肌群参与的复杂运动行为;根据急性实验结果,通过在中脑被盖特定脑区植入金属微电极对术后恢复一周的清醒状态下的大壁虎(n=20)脑区施加电刺激信号,可成功地诱导出左、右转向的运动行为.该结果发现大壁虎中脑与运动行为密切相关,而且通过刺激脑内相关的核团可能实现对大壁虎部分运动行为的人工诱导.这为大壁虎运动的人工制导提供了有益的信息.     

仿生摩擦学研究及发展

在进化和生存竞争中, 生物形成了具有优异摩擦学性能的优化的结构设计、精巧的材料拓扑和多功能表面织构, 成为仿生摩擦学的楷模. 本文提出仿生摩擦学的定义和学科基础, 从流固界面的黏附与自清洁、生物脚掌与固体表面的黏附、生物表面磨损特性及仿生耐磨设计、流固界面的黏附及仿生等方面回顾了仿生摩擦学的研究和进展, 讨论了仿生摩擦学进一步发展存在的问题.     

干黏附碳纳米管垂直阵列的转移及其黏附性能评价

碳纳米管垂直阵列(VACNTs)具有高长径比、优异的力学性能,在仿壁虎干黏附材料领域具有广阔的应用前景.但适合其生长的硅基底本身硬脆以及阵列与生长基底结合力较弱是制约VACNTs在干黏附材料中应用发展的主要问题.本文提出一种简单高效的转移方法,将VACNTs转移至柔韧的聚碳酸酯(PC)基底,再进行切向黏附性能测试,并从顶部形貌结构与石墨化程度两方面分析切向黏附强度测试结果.对转移工艺进行优化以后,VACNTs与PC之间形成较强结合力,底端转移和顶端转移后获得2种不同的顶部结构.黏附性能测试结果表明,VACNTs切向黏附强度均随法向预载荷增加而增大,当施加16N/cm2的预载荷时,底端转移VACNTs的切向黏附强度约5 N/cm2,顶端转移VACNTs的切向黏附强度约2.8 N/cm2.该转移方法具有普遍适用性,不受转移阵列面积的限制,转移后的黏附材料整体柔韧性提高,为VACNTs作为仿壁虎干黏附材料的应用创造了有利条件.     

东方龙虱鞘翅: 形态学及力学性能研究

研究了东方龙虱鞘翅的拓扑结构及其鞘翅生物材料的力学性能. SEM观测表明鞘翅横向截面和纵向截面结构相同, 是一种具 “桥墩” 状连接的空腔轻质结构, 由致密的黑色外表皮层和其下数十层几丁质纤维层平行、螺旋交织构成的内表皮层组成; 纳米压痕仪测得新鲜鞘翅外侧区域的硬度和弹性模量分别为0.31和6.13 GPa; 拉伸实验得到新鲜鞘翅横向和纵向的强度极限分别为169.2和194.5 MPa; 干燥鞘翅对应的强度极限为85.38和90.91 MPa, 新鲜鞘翅的强度是干燥鞘翅值的2倍; 结果表明甲虫鞘翅是一种力学性能呈现拓扑分布规律的轻质生物复合材料, 该研究为航空航天材料的轻质结构的设计提供了生物学的参考.     

壁虎的运动行为与动力学研究: 竖直面内运动方向的影响

壁虎在竖直面内不同方向运动时运动行为的观察和运动作用力的测定不仅能揭示出壁虎运动的力学规律, 也可以进一步获得仿生机器人控制设计的灵感. 用三维力传感器阵列测定大壁虎在竖直面内运动的三维作用力, 并结合高速摄像讨论在自下向上, 自上向下和自右向左3 个不同方向运动时大壁虎的运动行为及其脚掌的功能. 结果表明大壁虎的运动速度随步频的提高而增加, 但与脚掌的黏附时间与脱附时间无明显相关性. 大壁虎各脚掌产生相应的作用力以平衡重力和翻转矩, 并为运动提供必要的推力; 位于身体质心上方的脚掌在支撑身体、运动驱动、运动平稳等方面都起到关键作用; 竖直面内大壁虎在不同方向运动时运动行为和脚掌功能所发生的相应改变, 使得大壁虎能够在竖直面上安全高效的自由运动. 这一研究对仿壁虎机器人的结构设计、步态规划和控制的选择有所启发和帮助.     

黑色鳃金龟鞘翅微结构及其纳米力学性能

利用扫描电镜观测了黑色鳃金龟鞘翅的微结构,借助纳米压痕仪测试并分析了鞘翅材料的纳米力学性能.SEM表明:黑色鳃金龟鞘翅采用了由背壁层、中空芯层和腹壁层构成的中空夹芯层复合结构,在满足鞘翅强度的同时保证了鞘翅对轻质的要求;微观尺度下鞘翅表面呈现非光滑表面织构.纳米压痕试验测得鞘翅外表皮的硬度为0.48 GPa,弹性模量为8.81 GPa,鞘翅的比刚度和比模量分别为600 MPa.(g.cm-3)-1和1.1×104MPa.(g.cm-3)-1.鞘翅接触刚度为(2.28±0.16)×104N.m-1,表明鞘翅有很好的抵抗变形的能力.鞘翅纳米力学性能呈现各向异性,靠近鞘翅对接缝处最大,鞘翅外边缘区域最小,且由鞘翅头部至鞘翅尾部区域有逐渐减小的趋势.     

极压抗磨剂对不同航空油的适应性

直升机减速器润滑系统出现故障,齿轮轴承将处于无润滑油工作状态,使减速器在短时间内破坏,造成灾难性的后果。将2%的T307、T321、T202、T391添加剂分别加入到926和DOD-L-85734航空油中做12Cr2Ni4A钢摩擦副45 min油雾润滑试验。结果表明:抗磨效果最好的是2%T202加入到926航空油和2%T391加入到DOD-L-85734航空油,2%T391加入DOD-L-85734油雾润滑45 min的磨损体积仅是干摩擦43 s磨损体积的1/24。     

层级仿生微阵列的制备及黏附性能

采用电火花穿孔技术,制备了直径0.5mm、倾斜度为75°的大孔铜基阴型模板,利用氢硅烷型硅橡胶浇注该模板,得到大直径倾斜阵列,作为一级结构刚毛阵列.接着,采用等离子刻蚀技术制备了3种不同结构(Φ=15,10,5μm)的单晶硅基阴型模板,真空下氢硅烷型硅橡胶浇注,得到3种精细微阵列,作为二级结构刚毛阵列.最后,利用烯硅烷型硅橡胶进行硅氢化反应将二级微阵列键合在一级阵列的支杆末端,得到3种层级刚毛阵列.利用高灵敏力传感器测试了3种层级刚毛阵列的法向、切向黏附性能.结果表明:3种层级刚毛阵列的切向滑动黏附力均随滑移距离先增后减,呈现了各向异性的黏附特性;不同二级结构刚毛阵列的切向、法向黏附强度与其二级阵列的直径、密度密切相关.     

非光滑表面仿生学(Ⅰ)

介绍了生活在不同环境的动物,如鲨鱼、沙鱼、蜥蜴、甲虫和蜣螂体表的非光滑性.这些动物体表的沟槽型(肋条样)、鳞片型、凸包型和凹坑型形态和结构与其生活习性相适应.它们特异的微结构使非光滑表面具有优异的减阻、减摩、抗粘附和抗磨损的特性,因此成为仿生学研究和应用的一个新领域.