爬壁动物机械锁合与粘附接触的协同作用机制及仿生设计

Wall climbing animals can adhere on the wall or the ceiling quickly and steadily when they freely move. These animals rely on mechanical interlocking of the claws and pads adhesion forces to relealize these behavior. The beetles such as Cyrthotrachilus longipes Drury and Allomyrina dichotoma, noctuids Apopestes spectrum and gecko gecko developed claw, claw and smooth pads, claw and hairy pads to climb various aubstrates, respectively. The proposal will develop experiments to record these three kinds of animalsl adhesive behavior and forces on different slopes and different rough surfaces. The results will support to understand the adhesive mechanism of claws and pads respectively on different surfaces, and the mechanism of their synergic action. The optimal design model will be constructed after the claw-pad dynamic adhesion model analyzed. Finally we will design a biomimetic foot based on synergic action of mechanical interlocking and adhesionf forces. It will be installed to climbing robot.

爬壁动物在墙面或天花板自如运动时的快速稳定附着主要依靠足端的爪的机械内锁合和足垫粘附作用在壁面上。选择甲虫（竹象虫或独角仙）、仿爱夜蛾和壁虎这3类分别以爪、爪和光滑足垫以及爪和刚毛足垫为附着器官的爬壁动物为研究对象，开展爬壁动物在不同坡度、不同粗糙度表面上爪与足垫（光滑足垫或刚毛足垫）的动态附着行为与附着力测试，了解爬壁动物爪和足垫分别在不同坡度、不同粗糙度表面的作用机制以及两种附着器官的协同作用机制；通过爪、足垫动态附着模型分析，建立关于爪、足垫（光滑足垫或刚毛足垫）的优化设计模型；开展基于机械锁合和粘附协同作用的仿生脚掌设计，并应用于爬壁机器人。

爬壁动物在墙面或天花板自如运动时的快速稳定附着主要依靠足端的爪的机械内锁合和足垫粘附作用在壁面上。本项目研究了壁虎、蝾螈和树蛙等爬壁动物的运动力学与行为。了解了爬壁动物的钩爪与粘附垫的协同作用机制。研制可在垂直壁面上以任意角度爬行的爬壁机器人。. 将壁虎去除钩爪后，分别放置在从220目到7000目等14种不同目数的竖直砂纸表面以研究其静态附着能力。开展上述去除钩爪后的壁虎在不同粗糙表面上的运动能力研究。利用全空间三维运动反力测试系统测定了蝾螈在0°、30°、60°和75°表面的三维运动反力，同时使用高速摄像机记录蝾螈的运动行为。设计了一种新型测力平台系统——仿圆柱形测力阵列系统可以实现树蛙抱壁攀爬运动反力的测量。运用此系统研究了树蛙在两种不同粗糙度仿圆柱基底表面的运动反力模式。研究结果显示树蛙前肢的三维运动反力比后肢大，前肢起主导作用，后肢起辅助作用。. 为了研究钩爪和黏附垫的协同附着行为，并探讨表面颗粒尺度对附着性能的影响。为此，设计了一种兼具钩爪和黏附垫的仿生附着系统，并挑选了一系列不同尺寸的钢球来模拟不同尺度的基底颗粒。兼具钩爪和黏附垫的结构产生的附着力并非仅仅等同于两者的和，而是比两者单独作用的和要大， 这充分的体现了两种附着装置的协同作用。 . 设计了柔性钩爪脚掌结构，研制了钩爪式四足爬壁机器人，并为其规划了周期性多功能的对角爬行步态和高效的足端轨迹，测试了钩爪式四足爬壁机器人对于粗糙表面的适应范围，以及不同表面的极限爬行速度与极限负载能力。设计了柔性对抓钩爪脚掌应用于对抓钩爪结构，并将对抓钩爪结构作为机器人足端应用于六足钩爪爬壁机器人。. 基于柔性垫的钩爪附着式爬壁机器人在反恐、救援、首脑保卫、特种侦察等公共和国家安全领域，狭小空间检测、城市市容服务等行业具有广泛而迫切的需求，具有重大国防应用价值。