[发明专利]基于壁虎仿生腿的材料粘/脱附性能测试系统及自调控法

说明书

  

技术领域

本发明属于仿生材料粘附性能测试领域，具体涉及一种基于壁虎仿生腿的材料粘/脱附性能测试系统及自调控法，主要应用于壁虎仿生脚掌材料的粘/脱附性能测试，以便应用于仿壁虎机器人。 

背景技术

壁虎在不同材质的、不同角度的倾斜表面对粘着和摩擦都具有异常出色的控制能力。研究壁虎粘/脱附机理从而设计具有各向异性的仿生材料，并针对不同的材料找到相应期望的粘/脱附轨迹，使仿壁虎机器人拥有较大的粘附力和较小的脱附力，对相关特殊功能表面的设计研发和未来应用于爬壁机器人具有重要理论指导意义和使用价值。 

现有的相关粘附材料的测试设备有：清华大学精仪系摩擦学国家重点实验室自行研制了一种微摩擦粘附工作台，通过两个步进电机控制仿生材料的法向加载和切向拖动，属于二维开环测试装置(万进, 田煜, 周铭, 等. 载荷对壁虎刚毛束的摩擦各向异性特性影响的实验研究[J]. 物理学报, 2012, 61(1): 16202-016202)。南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所研制了一种材料粘附与摩擦性能自动测试系统（专利号：CN03112623.5），使用两个步进电机测试材料粘附与摩擦性能的二维参数，属于二维闭环测试装置。 

现有的粘附测试系统并不多见，大多是二维测试装置，并且体积庞大，笨重，性价比较低，最重要的是现有设备没将壁虎仿生粘附脚掌的粘/脱附轨迹规划、粘/脱附性能测试与仿壁虎机器人直接应用相紧密结合。针对目前现有的资料来看，尚未有公开出版或者报道测试基于壁虎仿生腿的材料粘/脱附性能测试系统及自调控法。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于壁虎仿生腿的材料粘/脱附性能测试系统及自调控法。该系统既可以测试材料的粘/脱附性能，又可以模拟壁虎单腿的三维无障碍运动行为，从而有助于实现仿生壁虎机器人在不同表面（水平面，墙面，天花板）的三维无障碍运动。 

一种基于壁虎仿生腿的材料粘/脱附性能测试系统，其特征在于：包括支撑固定框架、壁虎仿生腿、力传感系统、数据采集和运动控制系统；所述的支撑固定框架包括第一竖直板、第二竖直板和水平板，还包括固定在第一竖直板上的运动系统支架；所述的壁虎仿生腿安装于运动系统支架上；所述的力传感系统，包括力感应板、三维毫牛级力传感器、传感器第一垫片和传感器第二垫片；其中力感应板通过传感器第一垫片安装三维毫牛级力传感器第一端的上表面，三维毫牛级力传感器另第二端的下表面通过第二垫片安装于水平板上。 

所述基于壁虎仿生腿的材料粘/脱附性能测试系统的自调控法，其特征在于包括以下过程：步骤1、建立壁虎仿生腿运动模型，分析其运动特点并设定它的步态参数，通过设定不同参数规划壁虎仿生腿的各种步态，从而设计仿生材料不同的三维仿真粘/脱附轨迹；步骤2、利用计算机仿真获得壁虎仿生腿三个舵机的角度变量，把壁虎仿生腿三个舵机的角度变量数据发送给仿真模型，通过软件编程，由LPC2103控制器实现三个舵机运动控制，从而获得期望的仿生材料三维粘/脱附轨迹；步骤3、三维力传感器和数据采集卡获取粘/脱附力值，采用力柔顺反馈控制，将采集的三维力与预期的粘/脱附力比较，调节壁虎仿生腿末端仿生材料的粘/脱附轨迹，从而获得期望的粘/脱附轨迹，满足相应粘/脱附力值的控制要求。 

所述的该系统结构精巧、体积小、重量轻、系统集成度高。属于三维闭环力自测试系统，可以直接用于测试材料的粘/脱附性能。壁虎仿生腿可以通过规划步态模拟壁虎脚掌在空间的三维运动，采用力柔顺反馈控制可以自动调节获得壁虎仿生腿末端粘附材料的预期的粘/脱附轨迹，满足相应粘/脱附力值的控制要求，便于将仿生粘附材料直接应用于仿壁虎机器人，实现仿壁虎机器人的三维无障碍运动。 

所述的基于壁虎仿生腿的材料粘/脱附性能测试系统，其特征在于：所述壁虎仿生腿由第一舵机、第二舵机框架、第二舵机、大腿支架、第三舵机、小腿支架、踝部连接板、足端组成；其中第一舵机的输出轴线与X轴平行，第二舵机的输出轴线与第一舵机的输出轴线垂直，第三舵机的输出轴线与第二舵机的输出轴线平行；第一舵机固定于运动系统支架上，第二舵机框架第一端安装于第一舵机的输出轴上，第二舵机安装于第二舵机框架内，大腿支架第一端安装于第二舵机的输出轴上，第三舵机安装于大腿支架的第二端，小腿支架第一端安装于第三舵机的输出轴上，踝部连接板安装于小腿支架的第二端。所述的基于壁虎仿生腿的材料粘/脱附性能测试系统，具有结构轻巧，模拟壁虎仿生腿结构，相关的运动控制方法和数据可与仿壁虎机器人控制无缝衔接。