基于ADAMS的仿壁虎爬壁机器人的运动仿真

为实现在不同环境的壁面上自由爬行,设计了应用仿壁虎微纳米粘附阵列的爬壁机器人,建立了机器人的动力学模型及足部与壁面之间的接触模型,并利用机械系统动力学软件ADAMS的仿真功能,对机器人沿垂直壁面爬行的运动特性进行了仿真.利用ADAMS的后处理模块的分析功能,重点研究了在一个运动周期内,模型整体质心的位移、电机转矩以及足部与壁面之间的接触力随时间的变化情况.仿真结果表明该仿壁虎爬壁机器人能够以约26mm/s的速度沿着垂直的壁面平稳地运动,不存在波动和偏离.这为下一步研制仿壁虎爬壁机器人的物理样机提供了理论指导,也为其他仿生机器人的研究提供了参考.     

基于MATLAB的仿壁虎机器人天花板粘附运动仿真

壁虎脚掌具有"范德华力"的干粘附特性,而实现仿壁虎机器人在负表面(如天花板)运动具有极高的难度,基于MATLAB/SimMechanic建立了仿壁虎机器人动力学模型。采用变弹性阻尼模型构建粘附力模型,模拟脚掌的粘附力各向异性。利用规划的负表面步态进行天花板粘附运动仿真,仿真表明仿壁虎机器人能按照预定的步态实现天花板的粘附运动,而天花板的非稳定性扰动来自脚掌粘附支撑相和脱附摆动相的交替处,为未来仿壁虎机器人天花板爬行实验提供仿真参考数据。     

末端膨大两级结构的制备及粘附性能测试

通过真空模具浇注法制备出硅橡胶基和聚氨酯基微米级粘附阵列一级结构,然后在其末端覆盖一层硅橡胶粘附层,从而形成粘附阵列二级结构.利用微摩擦试验机(UMT)测试了粘附阵列的切向粘附性能,结果表明:末端膨大结构增大了有效接触面积,提高了切向粘附性能;短距离的滑移町适当增加切向力,但随着滑移距离加大,切向力随之下降,最终趋于稳定:在滑移距离为1mm时产生最大的切向粘附力:粘附阵列的粘附力随法向载荷增加而增大,当法向载荷超过一定值后,切向力逐渐减小,加载15 mN的法向预载力产生最大的切向粘附力84.668 mN;正向滑移产生的最大切向粘附强度1.140N/cm2明显大十逆向滑移产生的最大切向粘附强度0.223 N/cm2.     

微加速度计粘附问题的研究及应用

粘附是影响微机电系统(MEMS)可靠性的重要因素之一。针对MEMS的典型产品——微加速度计的粘附问题进行了研究,给出了2种典型的微加速度计的表征粘附特性的剥离数的表达式,并分析了将粘附条件应用于微加速度计的多学科设计优化之中,分析了其对系统结构设计产生的影响。     

微/纳机构抗粘附研究进展

粘附现象是微/纳机构中特有的现象,在构件材料强度满足要求的条件下,微/纳机构中的粘附和摩擦是造成其失效的主要原因.如何防止或减轻粘附已成为微/纳机电系统(MEMS/NEMS)领域的研究热点.介绍了微/纳机构中的粘附问题,分析了粘附机理和各种粘附接触模型,说明了表面能法和微凸体积分法防粘附设计微/纳机构的原理,最后阐述了释放干燥工艺、减少实际接触面积和降低表面能等各种抗粘附措施.     

MEMS微悬臂梁在冲击下的粘附失效预测*

MEMS(Micro-electronics Mechanical System)的可靠性已经成为它能否成功地实现商品化的一个重要问题.多晶硅微悬臂梁是MEMS中的一个基本结构,阐述了多晶硅微悬臂梁的粘附失效机理,并利用宏观机械中的理论和可靠性分析方法对表面微加工的多晶硅微悬臂梁的粘附可靠性进行预测,建立了在外载荷下的粘附可靠度预测模型,并利用该模型具体分析了微梁尺寸及外界湿度对可靠度的影响.     

微纳机电开关研究现状

微纳机电开关是指特征尺寸在微米或纳米量级内的机械开关,是一个新兴的技术领域,具有体积小、速度快、零泄漏等优势,成为近年来的研究热点。首先介绍了微纳机电开关在射频器件和逻辑电路中的应用,并概述了其分类方式及各自特点。同时系统综述了微纳机电开关的研究现状,包括在尺寸、阈值电压、稳定性、材料等方面取得的突破。最后,论述了微纳机电开关的发展趋势,阐述了其面临的问题和发展障碍,如微纳尺寸下的表面粘附效应、现有工艺技术的实现等。     

基于电磁力检测细胞粘附力的方法与检测仪器

开发一套测量细胞间、细胞与基质分子间粘附力的仪器。根据磁场力学的原理,由DA(数模)转换模块控制电磁铁电流的大小从而改变磁场,结合麦克斯韦简化公式,磁场对处理过的膜内含有纳米磁粉的细胞具有吸引力的作用,当细胞的粘附力和磁场的作用力达到平衡的时候,通过测量磁场的吸引力就能间接测出细胞间的粘附力大小。结合电子电路软硬件的设计完成了电磁力吸引测量细胞粘附力仪器的开发,并通过Maxwell软件对仪器核心部件——吸盘式电磁铁进行磁场的仿真分析,得到磁场仿真数据,与仪器测试数据进行对照分析,发现这两组数据在所通电流大小和磁力大小的关系趋势上非常吻合。开发了一种细胞粘附力检测仪器,为测量粘附力提供了一种新的方法,通过改变电流大小从而改变磁场大小,得到相应的细胞粘附力大小,具有无接触式测量、不会对细胞造成损伤等优点,该技术具有一定的实用性。     

范德华力作用下粗糙表面静态粘附的研究

通过在硅微接触表面上涂覆低表面能的憎水性OTS膜以除去接触面间的表面张力,把两表面均接地以除去接触面间的静电力,研究了仅有范德华力作用时硅微结构接触表面的粘附.根据实际粗糙表面凸峰自相似的高度分布,计算了发生粘附后,微观接触表面产生弹性和塑性变形的两种情况下的范德华粘附能,分析了表面形貌对其影响.     

微加速度计的力学分析

结合有关微加速度计的国内、外最新研究成果 ,以及科研中所遇到的实际动态测试问题 ,重点分析了微加速度计以下几方面力学性能 :频率、冲击载荷下的破坏以及由于尺寸效应引起的部件间的粘附现象 ,这直接关系到微加速度计的工作可靠性。最后 ,对这方面的研究提出了一些思路。     

硅基高通量单细胞阵列芯片制备与研究

采用微机电系统(MEMS)技术结合金属辅助化学腐蚀工艺制作出关键结构为纳米氧化硅的阵列芯片,细胞可以定点黏附在纳米氧化硅上.通过实验计算和分析得知,在0.7~23μm内,纳米线长度约为3μm时深宽比适宜,有利于黏附蛋白充分铺展,黏附效率达到最高85%.改变培养时间(5~480 min)和细胞浓度(0.5~4.0),发现培养时间在不低于4 h,细胞浓度在1.5时,由于伪足充分缠绕于纳米线上,阵列饱和度达到最高83%.实验结果表明:制作出的单细胞阵列芯片具有较高的黏附效率和阵列饱和度,达到了高通量的标准.     

用于细胞固定的微纳SiO2基底研究

细胞阵列芯片在细胞生物学研究、药物筛选等生物医疗领域有着广阔的应用前景.针对芯片上细胞固定时需要化学修饰的限制,提出了仅通过表面结构实现细胞固定的方案.基于MEMS技术,采用DRlE在硅片上得到超疏水的微纳结构,通过简单的高温氧化工艺实现超亲水性的SiO2 结构表面;再通过控制BOE腐蚀时间得到不同形貌的基底表面.计算了基底表面上的循环肿瘤细胞的黏附效率,并在SEM下观察了细胞与基底的相互作用行为,探讨了粗糙表面影响细胞黏附的原因.实验结果表明:采用DRlE和高温氧化制备的微纳SiO2 基底表面能极大促进细胞黏附,可应用于细胞阵列芯片设计中.     

仿生湿吸二维微力传感器设计与试验研究

设计了一种L型的二维微力传感器,该二维微力传感器采用悬臂梁式结构。在弹性力学和材料力学基础上,利用Solidworks三维建模软件和ANSYS仿真软件对传感器分别进行模型建立和有限元应变分析。对该二维微力传感器的实体进行标定,得出了力和输出电压之间的关系。然后,在设计与分析二维微力传感器的基础上,研制了二维微力传感器阵列测试系统。最后,在测试系统实施了不同预压力下的湿吸力测试试验,验证了传感器和系统的可靠性。     

Smooth Vertical Surface Climbing With Directional Adhesion

Stickybot is a bioinspired robot that climbs smooth vertical surfaces such as glass, plastic, and ceramic tile at 4 cm/s. The robot employs several design principles adapted from the gecko including a hierarchy of compliant structures, directional adhesion, and control of tangential contact forces to achieve control of adhesion. We describe the design and fabrication methods used to create underactuated, multimaterial structures that conform to surfaces over a range of length scales from centimeters to micrometers. At the finest scale, the undersides of Stickybot's toes are covered with arrays of small, angled polymer stalks. Like the directional adhesive structures used by geckos, they readily adhere when pulled tangentially from the tips of the toes toward the ankles; when pulled in the opposite direction, they release. Working in combination with the compliant structures and directional adhesion is a force control strategy that balances forces among the feet and promotes smooth attachment and detachment of the toes.     

基于结构聚类和笔画分析的粘连手写汉字切分

粘连手写汉字的切分是手写汉字切分中亟待解决的问题之一。因此,针对粘连手写汉字提出一种新的切分算法。该算法首先通过寻找分界线的方法来提取粘连笔段,分界线的位置是通过粘连汉字骨架图像的聚类和笔段端点类属可信度的信息来确定的。然后提取粘连笔段并对其进行分析和类型（直线或曲线）判定,从而确定切分点及切分方向。最后利用背景细化算法找到分割曲线。该算法不仅能够很好地适用于两个粘连汉字宽窄不一、含有多个粘连点等粘连情况,而且具有良好的抗噪声效果。     

仿壁虎机器人足端工作空间分析及其实现协调运动的步态规划

基于对壁虎爬行运动的研究,提出一种四足仿壁虎爬壁机器人.对其机械结构、运动学、足端工作空间和越障能力进行了分析,规划了两种爬行步态,并针对实验中出现的过驱动问题进行了分析,设计了一种多关节协调控制算法.实验结果表明,使用该控制算法的机器人运动是协调稳定的,验证了分析结果的正确性和控制算法的有效性.     

Gait planning based on kinematics for a quadruped gecko model with redundancy

Recent research on mobile robots has focused on locomotion in various environments. In this paper, a gait-generation algorithm for a mobile robot that can travel from the ground to a wall and climb vertical surfaces is proposed. The algorithm was inspired by a gecko lizard. Our gait planning was based on inverse kinematics using the Jacobian of the whole body, where the redundancy was solved by defining an object function for the gecko posture to avoid collisions with the surface. The optimal scalar factor for these two objects was obtained by defining a superior object function to minimize the angular acceleration of joints. The algorithm was verified through simulation of the gecko model travelling on given task paths and avoiding abnormal joint movements and collisions.