仿壁虎機(jī)器人研究綜述

1、文章編號(hào):100220446(20070320290208仿壁虎機(jī)器人研究綜述*王田苗1,孟偲2,裴葆青3,戴振東4(1.北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所,北京100083; 2.北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院,北京100083;3.北京航空航天大學(xué)生物工程系,北京100083;4.南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所,江蘇南京210016摘要:首先,詳細(xì)介紹和分析了國(guó)內(nèi)外仿壁虎機(jī)器人的研究現(xiàn)狀.然后,討論比較了仿生壁虎機(jī)器人所涉及的關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn).最后,在前面分析比較基礎(chǔ)上對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè).關(guān)鍵詞:仿生機(jī)器人;壁虎;爬壁中圖分類(lèi)號(hào):TP24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ASumm a ry on G e

2、cko R obot R esea rchWANG T ian2m iao1,ME NG Cai2,PE I Bao2q i n g3,D A I Zhen2dong4(1.Robotics Instit u te,Beihang Un iversit y,Beiji ng100083,Ch i na;2.School o f Astronau tics,Bei hang Univers it y,Bei jing100083,Ch i na;3.Bioeng ineeri ng De part men t,Beihang Un i versit y,Beiji ng100083,Ch i n

3、a;4.In s tit u t e of Bio2i n s p i re d Structure and Surface Engineeri ng,Nanjing Un i ve rsit y of Ae ronau ti cs and As tronau tics,N anji ng210016,Ch inaAbstr ac t:F irstly,both the fore i gn and do m esti c status of research on gecko robot is introduced and ana l yzed in de tai.l Then the key

4、 technol ogies i nvolved are d i scussed and co m pa red.F ina ll y,t he future deve l op m en t trends are f orecasted based on t he previ ous analysis.K eyword s:b i oro botics;gecko;wall cli m b i ng1引言(Introduction機(jī)器人不但可以提高工人的生產(chǎn)效率,還可以代替人類(lèi)從事乏味、勞累和危險(xiǎn)的工作,甚至完成人類(lèi)不能勝任的工作,因而日益受到人們的重視.隨著人類(lèi)探索太空、建設(shè)航天站、開(kāi)發(fā)海

5、洋、軍事作戰(zhàn)與反恐偵察等任務(wù)和需求的增加,人們對(duì)機(jī)器人的性能提出了更高的要求.而在35億年的進(jìn)化過(guò)程中,生物體發(fā)展了靈巧的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)敏的運(yùn)動(dòng)模式,成為機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的源泉之一.仿生機(jī)器人就是模仿自然界中生物的精巧結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)原理和行為方式等的機(jī)器人系統(tǒng).科學(xué)家們向生物學(xué)習(xí),創(chuàng)造出了眾多高性能的仿生機(jī)器人,如機(jī)器魚(yú)、機(jī)器蛇、機(jī)器蠅,以及各種仿生材料13.壁虎是一種可在地面、陡壁、天花板等不同法向面上自由靈活運(yùn)動(dòng)的四足動(dòng)物.科學(xué)家以壁虎的這種運(yùn)動(dòng)能力為研究模仿對(duì)象,研制出了各種爬壁機(jī)器人.爬壁機(jī)器人在民用、軍事、航天上具有廣泛的用途,因而越來(lái)越受到人們的重視.在民用領(lǐng)域,爬壁機(jī)器人被用來(lái)清洗大

6、廈外壁墻面和玻璃、檢測(cè)艦船船體、檢測(cè)核密封罐等;在軍事反恐領(lǐng)域,爬壁機(jī)器人可用來(lái)進(jìn)行偵察竊聽(tīng)、研制蛙人等;在航天領(lǐng)域,爬壁機(jī)器人可用來(lái)進(jìn)行艙外維修等4.但傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人的吸附原理和移動(dòng)機(jī)理與真實(shí)壁虎毫無(wú)關(guān)系,其缺點(diǎn)限制了應(yīng)用環(huán)境和工作范圍,而壁虎的吸附原理和移動(dòng)方式為突破傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人的限制提供了新的思路,因而成為一個(gè)新的研究方向.目前仿壁虎機(jī)器人技術(shù)的研究主要分為吸附技術(shù)的研究與移動(dòng)技術(shù)的研究,吸附技術(shù)研究主要是圍繞研制仿壁虎腳掌的吸附材料展開(kāi),移動(dòng)技術(shù)則主要是模仿生物的靈巧移動(dòng)方式.目前,美國(guó)、日本等西方發(fā)達(dá)國(guó)家都在開(kāi)展仿壁虎機(jī)器人方面的研究,美國(guó)處在領(lǐng)先的位置,但仍處于初步階段2.我國(guó)也

7、已開(kāi)展這方面的研究,其中在壁面清洗方面實(shí)第29卷第3期2007年5月機(jī)器人ROBOT Vo.l29,No.3M ay,2007*基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(60535020;國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60525314.收稿日期:2006-05-30現(xiàn)了爬壁機(jī)器人的應(yīng)用,在壁虎腳掌吸附材料研制上也取得一定成果,但距離國(guó)外研究水平仍有一定的差距.本文首先介紹國(guó)內(nèi)外仿壁虎機(jī)器人的研究現(xiàn)狀,然后總結(jié)仿壁虎機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)并進(jìn)行對(duì)比評(píng)述分析,最后對(duì)仿壁虎機(jī)器人的研究發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)展望.2 國(guó)內(nèi)外仿壁虎機(jī)器人研究現(xiàn)狀(Sta tusquo of gecko robot resea rch

8、 2.1 國(guó)外仿壁虎機(jī)器人2.1.1 美國(guó)圖1(a所示是美國(guó)斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究小組在2006年開(kāi)發(fā)出的一種仿壁虎機(jī)器人,稱(chēng)為Sticky 2bot 5.Stickybot 具有4只粘性腳足,每個(gè)腳足有4個(gè)腳趾,趾底長(zhǎng)著數(shù)百萬(wàn)個(gè)極其微小的用于粘附的人造毛發(fā)(由人造橡膠制成.每個(gè)腳趾都有腳筋,腳筋可以實(shí)現(xiàn)腳趾的外翻與展平,如圖1(b所示.每個(gè)腳足上的4個(gè)腳筋可以聯(lián)動(dòng),從而輕松實(shí)現(xiàn)腳足與附著面的最大接觸以及腳足粘附材料與附著面的吸附與脫附.從圖上分析,壁虎的腿是個(gè)四桿機(jī)構(gòu),依靠一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)腿的前后移動(dòng),并借助另外一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)四桿機(jī)構(gòu)平面的轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)抬腿動(dòng)作.此外,應(yīng)該另有一個(gè)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)壁虎腳趾的驅(qū)

9、動(dòng).Stickybot 從吸附原理、運(yùn)動(dòng)形式、機(jī)器人外形上都比較接近真實(shí)的壁虎 .(aStickybot (bStickybot 的腳足圖1 斯坦福大學(xué)的Sticky bot F i g .1 Stickybot fro m Stand f ord Un i ve rsity斯坦福大學(xué)的另一個(gè)研究小組曾開(kāi)發(fā)出模擬蟑螂的爬壁機(jī)器人Sp i n yBot 6,如圖2所示.Sp i n yBot的腳上長(zhǎng)有極細(xì)小的倒鉤刺,通過(guò)在粗糙壁面上/扣0住凸緣實(shí)現(xiàn)爬壁,適合在水泥壁面、磚墻面上作業(yè) .圖2 斯坦福大學(xué)Sp i ny BotF ig .2 Sp i nyBot fro m S tanford Un

10、 i versityC MU (Carnegie Me ll o n University微小型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制了兩種結(jié)構(gòu)形式的爬壁機(jī)器人,分別如圖3和圖4所示7.圖3所示W(wǎng) aa l b ot 是具有兩個(gè)行走輪、每個(gè)行走輪上具有3個(gè)吸附足的爬壁機(jī)器人,吸附足采用特殊的粘性材料粘附在墻面上.W aa l b ot 移動(dòng)方式本質(zhì)上是輪式移動(dòng),前進(jìn)和倒退通過(guò)改變兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向即可實(shí)現(xiàn).支撐足與輪轂是球銷(xiāo)副連接,既可以在行進(jìn)時(shí)圍繞足踝軸轉(zhuǎn)動(dòng),也可在轉(zhuǎn)彎時(shí)圍繞足中心軸旋轉(zhuǎn).轉(zhuǎn)彎的時(shí)候一邊的輪子不轉(zhuǎn),通過(guò)另一邊的輪子轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎.由于采用滾動(dòng)方式,因而可以實(shí)現(xiàn)不同法向面的過(guò)渡,即從地面可自

11、主爬到豎直面上.W aa l b ot 機(jī)構(gòu)比較巧妙,用兩個(gè)足式輪子實(shí)現(xiàn)了爬行、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng),還可以實(shí)現(xiàn)墻面過(guò)渡.缺點(diǎn)是采用的粘性材料對(duì)壁面的要求較高,穩(wěn)定性不是很好,吸附面積有限,載重能力不強(qiáng) .圖3 C MU 的三足W aa l bot F i g .3 Tr i 2footW aa l bot fro m C MU291第29卷第3期 王田苗等: 仿壁虎機(jī)器人研究綜述 圖4 C MU 履帶式爬壁機(jī)器人F i g .4 T racked cli m b i ng ro bot fro m C MU圖4所示是C M U 開(kāi)發(fā)的履帶式壁虎機(jī)器人,其履帶是由特殊的粘性材料制作的,可以粘在墻面上,使

12、得機(jī)器人在墻面上的行走有如履帶機(jī)器人在地面上的行走.其移動(dòng)就是履帶傳動(dòng),通過(guò)兩頭動(dòng)力輪的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)履帶在墻面上的移動(dòng),在前端的履帶被壓在墻面上實(shí)現(xiàn)粘附的同時(shí)后面的履帶被拉起.履帶式爬壁機(jī)器人粘附面積較大,可以承受較大的負(fù)載,也可從地面過(guò)渡到豎直墻面上.但由于履帶機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)存在滑動(dòng)摩擦,會(huì)破壞吸附,因而不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎.加州大學(xué)伯克利分校與i R obot 合作開(kāi)發(fā)了M echo 2Gecko 壁虎機(jī)器人8,如圖5所示.Mecho 2Gecko 是兩輪驅(qū)動(dòng)的四輪式機(jī)器人,驅(qū)動(dòng)輪上長(zhǎng)有三足,通過(guò)在足上預(yù)裝粘合劑和剝離粘合劑來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壁面的吸附.其結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜.他們后面又設(shè)計(jì)了6腿的壁虎機(jī)器人H ex

13、a 2Gecko 9 .圖5 加州大學(xué)伯克利分校的M echo 2GeckoF i g .5 M echo 2Gecko fro m B erkeley圖6 M i n i 2Whegs F ig .6 M i ni 2Whegs美國(guó)克利夫蘭Case W estern Reser ve Un i v ersity 設(shè)計(jì)了一種輪腿式爬壁機(jī)器人M i n i 2Whegs ,如圖6所示10.M ini 2W hegs 的機(jī)構(gòu)就像一輛汽車(chē)有4個(gè)車(chē)輪,每個(gè)車(chē)輪上面裝有由具有粘性的聚合物材料制成的葉片.同一條軸上的兩個(gè)輪子的步調(diào)是錯(cuò)開(kāi)的,以保證在行動(dòng)的時(shí)候有一邊的輪子能夠粘在墻面上.M ini 2W h

14、egs 只能向前爬行,不能實(shí)現(xiàn)后退、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作,所以它只是作為一種爬行材料的驗(yàn)證型機(jī)器人,要實(shí)現(xiàn)實(shí)際的用途還有待改進(jìn).2.1.2 日本為了實(shí)現(xiàn)各種法向面的靈活過(guò)渡,東京工藝研究院和Isi k a waji m a 2H ari m a 重工業(yè)有限公司聯(lián)合設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了/忍者0機(jī)器人11,其外形和運(yùn)動(dòng)形式如圖7所示./忍者0機(jī)器人的吸附方式采用的是一種被稱(chēng)作V M (汽門(mén)復(fù)合管理的高功效真空吸盤(pán),褶皺或是粗糙的墻壁都可以吸附.它有4條腿,每條腿上裝有一個(gè)真空吸盤(pán)的足,每條腿都有3個(gè)自由度,可以往3個(gè)方向挪動(dòng).該機(jī)器人可以很方便地實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退,也可以橫向移動(dòng),也很容易實(shí)現(xiàn)墻面過(guò)渡,如圖7所示.它的移動(dòng)

15、方式是與移動(dòng)方向同側(cè)的兩條腿吸附在墻上,另外兩條腿移動(dòng),然后交換,如此交替實(shí)現(xiàn)移動(dòng)./忍者03自由度的平行機(jī)構(gòu)使得它能承受高負(fù)荷,但它的吸附裝置和移動(dòng)機(jī)構(gòu)也使得機(jī)器人的自身重量很大,四條腿的控制也很復(fù)雜.日本三菱重工業(yè)公司正在銷(xiāo)售的一種磁性爬壁噴涂機(jī)器人12,可以吸附在20mm 以上厚度的建筑物上,磁力可達(dá)2000kgf 左右,并能沿各種磁性結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng),如鋼筋墻壁、天花板,甚至在潮濕的壁面運(yùn)動(dòng),速度可達(dá)10m /m i n .292機(jī) 器 人2007年5月 圖7 /忍者0爬壁機(jī)器人F ig .7 C li m b i ng robot N I NJ A日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出一種車(chē)輪式磁吸附爬壁

16、機(jī)器人13.它可以吸附在各種大型構(gòu)造物如油罐、球形煤氣罐、船舶等的壁面,代替人進(jìn)行檢查或修理等作業(yè).這種爬壁機(jī)器人靠磁性車(chē)輪對(duì)壁面產(chǎn)生吸附力,其主要特征是:行走穩(wěn)定,速度快,適用于各種形狀的壁面,且不損壞壁面的油漆.1989年,日本東京工業(yè)大學(xué)的宏油茂男研究開(kāi)發(fā)了吸盤(pán)式磁吸附爬壁機(jī)器人,吸盤(pán)與壁面之間有一個(gè)很小的傾斜角度,這樣吸盤(pán)對(duì)壁面的吸力仍然很大,每個(gè)吸盤(pán)分別由一個(gè)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng),與壁面線接觸的吸盤(pán)旋轉(zhuǎn),爬壁機(jī)器人就隨著向前移動(dòng),這種吸附機(jī)構(gòu)的吸附力可以達(dá)到很大14.2.2 國(guó)內(nèi)壁虎機(jī)器人研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)仿壁虎機(jī)器人技術(shù)的研究主要是針對(duì)爬壁機(jī)器人展開(kāi)的,這方面影響比較大的主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)與

17、北京航空航天大學(xué),中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所機(jī)器人開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室15與上海大學(xué)也有這方面的研究.他們的研究主要都是基于負(fù)壓吸附原理.最近,北京航空航天大學(xué)與南京航空航天大學(xué)合作展開(kāi)了基于壁虎吸附原理與運(yùn)動(dòng)的仿壁虎機(jī)器人研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)是我國(guó)較早開(kāi)展爬壁機(jī)器人研究的單位之一.他們開(kāi)發(fā)的CLR 22型壁面清洗爬壁機(jī)器人2000年在北京國(guó)貿(mào)大廈正式投入使用.CL R 22采用圓形的吸盤(pán)進(jìn)行吸附.最近哈爾濱工業(yè)大學(xué)李滿天等人開(kāi)始了微小型爬壁機(jī)器人技術(shù)的研究,研制出雙足尺蠖爬壁機(jī)器人.該爬壁機(jī)器人采用負(fù)壓吸附方式,由微型泵抽出吸盤(pán)中的空氣,可在磚墻面上實(shí)現(xiàn)吸附.尺蠖機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)不同法向平面的過(guò)渡.上海大學(xué)

18、談士力等人設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了面向球形存儲(chǔ)罐檢修的球面移動(dòng)爬壁機(jī)器人16,它采用真空吸附方式和腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu),可以適應(yīng)不同曲率半徑的曲面,并可跨越300mm 高的障礙.北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所也是國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展爬壁機(jī)器人技術(shù)研究的單位之一,其研制開(kāi)發(fā)的/藍(lán)天潔士0系列爬壁清洗機(jī)器人(如圖8(a所示已向上海大學(xué)圖書(shū)館、國(guó)家大劇院、北京西站等單位銷(xiāo)售多臺(tái)./藍(lán)天潔士0以2個(gè)緊密相連的、成十字交叉狀的無(wú)桿氣缸構(gòu)成其主體.機(jī)器人可以在X 、Y 兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng).在X 和Y 氣缸的頂端有4個(gè)Z 向氣缸用以支持和升降機(jī)器人的主體.各個(gè)Z 向氣缸下端分別固連有2個(gè)真空吸盤(pán),使得機(jī)器人能夠吸附于附著面17.該機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)

19、單,可自主運(yùn)動(dòng),但缺點(diǎn)是氣缸位置的精確定位比較困難.圖8(b 所示是北京航空航天大學(xué)機(jī)器人所2005年研制的微小型爬壁機(jī)器人,大小只有270mm 270mm,自重312kg ,吸附力可達(dá)15kg.f 該機(jī)器人采用負(fù)壓吸附方式,由中央高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)將內(nèi)腔抽成真空,用彈性橡膠作裙邊密封,可以適應(yīng)具有不超過(guò)2c m 寬淺溝的粗糙壁面.采用輪式移動(dòng),通過(guò)調(diào)節(jié)兩側(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎.圖8(c所示是北京航空航天大學(xué)機(jī)器人所2006年研制的正壓貼附爬壁機(jī)器人,它基于直升機(jī)原理,將螺旋槳總距設(shè)成負(fù)值從而產(chǎn)生壓力,將機(jī)器人壓附在墻面上.這種正壓機(jī)器人由于采用空氣壓力貼附在壁面上,所以對(duì)壁面粗糙

20、度和材料均無(wú)要求 .(a藍(lán)天潔士 (b小型爬壁機(jī)器人 (c正壓貼附機(jī)器人 (d Geckobot 虛擬樣機(jī)圖8 北京航空航天大學(xué)的爬壁機(jī)器人F i g .8 C li m b i ng ro bots fro m Be i hangUn i vers it y293第29卷第3期 王田苗等: 仿壁虎機(jī)器人研究綜述圖8(d所示是在國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目支持下北京航空航天大學(xué)與南京航空航天大學(xué)合作設(shè)計(jì)的仿壁虎機(jī)器人虛擬樣機(jī),目前正在加工過(guò)程中.該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是仿生物壁虎設(shè)計(jì),腳掌將采用南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所研制的仿壁虎腳掌粘性材料.國(guó)內(nèi)其它一些研究機(jī)構(gòu)還研究了輪腿輪換式負(fù)壓爬

21、壁機(jī)器人18、磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人19、被動(dòng)負(fù)壓履帶式爬壁機(jī)器人等.3 壁虎機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)(K ey technologies ofgecko robot目前,仿生機(jī)器人研究的兩個(gè)主要方向是運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究和行為方式的研究20.壁虎機(jī)器人應(yīng)該是能在各種壁面與天花板上靈活運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人,它主要模仿的是壁虎的吸附能力和運(yùn)動(dòng)能力.3.1 吸附技術(shù)傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人有真空吸附和磁吸附兩種吸附形式,真空吸附方式具有不受壁面材料限制的優(yōu)點(diǎn),但當(dāng)壁面凸凹不平時(shí),容易使吸盤(pán)漏氣,從而使吸附力和承載能力明顯下降.磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種,電磁體式維持吸附力需要電力,但控制較方便.永磁體式不受斷電的影響,使用中

22、安全可靠,但控制較為麻煩.磁吸附方式對(duì)壁面的凸凹適應(yīng)性強(qiáng),且吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附方式,不存在真空漏氣的問(wèn)題,但要求壁面必須是導(dǎo)磁材料,因此嚴(yán)重地限制了爬壁機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境.近年來(lái),科學(xué)家研究較多的是一種叫作干性粘合劑(dry adhesive的吸附技術(shù)并已獲得較大進(jìn)展.干性粘合劑實(shí)際是一種人造仿生壁虎腳.生物科學(xué)家發(fā)現(xiàn),壁虎每個(gè)腳趾上有許許多多褶襞,每個(gè)褶襞上密布著無(wú)數(shù)根剛毛,而每一根剛毛的尖端又都分布著數(shù)千個(gè)更加微小的襯墊,這種襯墊在壁虎的每一個(gè)腳趾上達(dá)數(shù)十億個(gè)之多,如圖9所示.如此精巧的襯墊,使壁虎腳掌和物體間的接觸幾乎接近分子水平,于是兩種不同分子之間的吸引力被壁虎巧妙充分地利用,這種特

23、殊的黏著力是由壁虎腳底大量的剛毛與物體表面分子之間產(chǎn)生的/范德瓦爾斯力0累積而成的.根據(jù)計(jì)算,一只大壁虎的4只腳產(chǎn)生的總作用力壓強(qiáng)相當(dāng)于10個(gè)大氣壓.壁虎就是通過(guò)/范德瓦爾斯力0牢牢地吸附在墻面上.科學(xué)家在生物壁虎原型吸附的功能原理和作用機(jī)理的基礎(chǔ)上,探索出一種與壁虎腳趾表面結(jié)構(gòu)相近的、經(jīng)物理改性的極性高分子材料(人造仿生壁虎腳干性粘合劑,并應(yīng)用ME MS 加工技術(shù),設(shè)計(jì)制作出模擬壁虎腳趾的吸附裝置,該吸附裝置能適應(yīng)各種材質(zhì)(如玻璃、粉墻和金屬等和任意形狀的表面(如平面、柱面、弧面和拐角等.但目前干性粘合劑的附著能力比起真實(shí)壁虎還是相差很多,加工不易但易損耗.此外還有正壓吸附方式,它能適應(yīng)各種

24、表面,但還有待于進(jìn)一步深入研究.各種吸附方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1 .圖9 壁虎腳掌及剛毛F i g .9 F oot and seta of gecko 表1 吸附方式優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab le 1 C o m pa r ison of d iffer ent ab s orp tion m ethod s吸附方式優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)負(fù)壓吸附對(duì)壁面材料無(wú)要求,負(fù)載能力較強(qiáng),技術(shù)相對(duì)成熟壁面粗糙度要求高,需要真空泵,有噪音,太空中不適用正壓貼附適應(yīng)各種壁面技術(shù)尚不成熟,有噪音,太空中不適用電磁吸附控制方便,負(fù)載能力強(qiáng),無(wú)噪音壁面需導(dǎo)磁,耗電永磁吸附不耗電,負(fù)載能力強(qiáng),無(wú)噪音壁面需導(dǎo)磁,控制較繁瑣干性粘劑適應(yīng)各

25、種壁面,無(wú)噪音加工較難,易損耗,技術(shù)尚不成熟294機(jī) 器 人2007年5月第 29卷第 3期 王田苗等: 仿壁虎機(jī)器人研究綜述 295 3 2 移動(dòng)技術(shù) . 目前, 壁虎機(jī)器人的移動(dòng)方式主要是車(chē)輪式、 履 帶式、 導(dǎo)軌式、 腿足式和混合式. 車(chē)輪式移動(dòng)速度快、 控制靈活, 但維持一定的吸 附力較困難, 越障能力差; 履帶式對(duì)壁 面適應(yīng)性強(qiáng), 著地面積大, 但不易轉(zhuǎn)彎, 越障能力差. 導(dǎo)軌式移動(dòng) 也較快, 具有一定的越障能力, 但不能轉(zhuǎn)向. 腿足式 移動(dòng)靈活, 地形適應(yīng)能力強(qiáng), 具有較高的越障能力和 不同平面 之間的過(guò)渡能 力, 但移動(dòng) 速度慢、 制復(fù) 控 雜. 混合式一般采用輪足混合, 兼具車(chē)

26、輪式移動(dòng)和腿 足式移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn), 但控制和結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜. 目前, 常見(jiàn)的腿足式機(jī)器人以?xún)勺闶健?四足式、 六足式應(yīng)用較多. 結(jié)構(gòu)主要為縮放型機(jī)構(gòu)、 四連桿機(jī) 構(gòu)、 多關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)構(gòu)、 平行桿機(jī)構(gòu)、 并聯(lián)機(jī)構(gòu)和擺動(dòng) 縮放機(jī)構(gòu). 在微型爬壁機(jī)器人中以四連桿機(jī)構(gòu)和并 聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用較多. 華中科技大學(xué)設(shè)計(jì)出一種含有彈性元件的緩沖 型腿機(jī)構(gòu) (如圖 10( a所示 , 以解決機(jī)器人在動(dòng)態(tài) 行走時(shí)的沖擊以及由此產(chǎn)生的振動(dòng) 21 . 圖 10( b所示并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一種并行三連桿腿機(jī) 構(gòu), 它由 3個(gè)驅(qū)動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人腿的 3個(gè)自由 度, 大腿、 小腿的抬放和側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng). 并聯(lián)機(jī)構(gòu)負(fù)載能 力強(qiáng), 可以實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人

27、的全方位運(yùn)動(dòng), 所以具有 較好的應(yīng)用前景, 但控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜. ( a 緩沖腿機(jī)構(gòu)模型 ( b 并聯(lián)機(jī)構(gòu)腿模型 圖 10 兩 種腿機(jī)構(gòu)模型 F ig 10 Two m ode ls of leg m echanism . 3 3 能源供給 . 常規(guī)機(jī)器人能源供給一般采用有纜方式或者采 用電池供電. 有纜方式的優(yōu)點(diǎn)是電力供應(yīng)充足, 缺點(diǎn)是電纜 會(huì)對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)范圍形成約束, 并且電纜重力會(huì) 對(duì)機(jī)器人形成一定影響. 電池供電可以省去電纜, 但其能量有限, 而且電 池隨著體積的縮小供電性能急劇下降, 能量密度有 待進(jìn)一步提高. 此外, 新的能源供給方式也在積極探索之中. 比 如, 通過(guò)微波對(duì)

28、微機(jī)器人提供能量和控制信號(hào)就是 一種較為理想的方法, 日本 DENSO 公司已經(jīng)較為成 功地將微波技術(shù)應(yīng)用到了一臺(tái)由 8層 PZT驅(qū)動(dòng)的無(wú) 線微型腿足式管內(nèi)機(jī)器人上 22 和電機(jī). 對(duì)于微小型壁虎機(jī)器人, 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式其性能 隨體積減小而迅速降低, 且導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜化, 引 起結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 傳動(dòng)誤差增加、 摩擦增大、 重量加大等 一系列問(wèn)題, 因而難以適用. 針對(duì)微小型機(jī)器人, 要 采用新材料、 新工藝開(kāi)發(fā)出新型的微驅(qū)動(dòng)器, 如目前 已有直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)、 壓電陶瓷 ( PZT 、 聲電機(jī)、 超 形 狀記憶合金 ( Shape Memory A lloy S 等新型驅(qū)動(dòng) , MA 器出現(xiàn), 其中以

29、形狀記憶合金、 超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)器最引 人注目. ( 1 SMA 驅(qū)動(dòng)器 S MA的主要特征是具有形狀記憶效應(yīng), 即某些 被變形的金屬具有受熱后恢復(fù)其原來(lái)形狀的能力. S MA驅(qū)動(dòng)器具有以下優(yōu)點(diǎn): ¹功率 /質(zhì) 量比大; º結(jié) 構(gòu)緊湊、 輕巧, 可直接輸出直線運(yùn)動(dòng); »動(dòng)作柔順、 適 應(yīng)性強(qiáng), 可感知溫度和位移的變化; ¼無(wú)噪音、 無(wú)污 . 3 4 驅(qū)動(dòng)方式 . 目前, 常規(guī)的壁虎機(jī)器人 驅(qū)動(dòng)裝置主要是氣泵 296 機(jī) 器 人 2007年 5月 染; ½易于控制, 可通過(guò)控制電壓或通電時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn) 加熱控制. S MA的缺點(diǎn)是響應(yīng)慢、 位移小、 壽命

30、短、 退 化和費(fèi)電. 但目前這些不足已基本上得到了很好的 解決. 如美國(guó) N ano Muscle 公司開(kāi)發(fā)的 S 驅(qū)動(dòng)器, MA 每秒鐘可以往復(fù)運(yùn)動(dòng)數(shù)次, 最大行程可達(dá)到自身長(zhǎng) 度的 13 , 可連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)數(shù)百萬(wàn)個(gè)周期, 僅僅需要 % 幾百毫安的供電. 所以 S 驅(qū)動(dòng)器在微型爬壁機(jī)器 MA 人上將具有較好的應(yīng)用前景. ( 2超聲電機(jī) 超聲電機(jī)又稱(chēng)壓電馬達(dá), 是采用壓電材料驅(qū)動(dòng) 的一種新型微持電機(jī), 它利用逆壓電效應(yīng)使定子機(jī) 體產(chǎn)生柔性波動(dòng), 進(jìn)而在定子表面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)摩擦 作用下將振動(dòng)能耦合成轉(zhuǎn)子的力矩輸出. 超聲電機(jī) 具有體積小、 質(zhì)量輕、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、 定位精度高 (可 達(dá) n 量級(jí)

31、、 m 響應(yīng)速度快 (可達(dá) ms量級(jí) 、 低轉(zhuǎn)速、 大力矩輸出等特點(diǎn). 由于超聲電機(jī)具有眾多的優(yōu)點(diǎn), 使得它將在微型機(jī)器人上具有很好的應(yīng)用前景. 但 由于超聲電機(jī)對(duì)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)有著較高的要求, 所以 控制相對(duì)復(fù)雜. 得廣泛的應(yīng)用, 但是腿足式移動(dòng)方式具有輪式和履 帶式所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn). 腿足式移動(dòng)方式的機(jī)器人可以 相對(duì)較容易地跨過(guò)比較大的障礙 (如溝、 坎等 , 并且 機(jī)器人的足所具有的大量的自由度可以使機(jī)器人的 運(yùn)動(dòng)更加靈活, 對(duì)凸凹不平的地形適應(yīng)能力更強(qiáng). 正 是由于腿足式移動(dòng)結(jié)構(gòu)多樣、 運(yùn)動(dòng)靈活, 適應(yīng)于各種 形狀的壁面, 而且能夠跨越障礙物, 因此足式結(jié)構(gòu)將 在爬壁機(jī)器人上, 尤其是在微小型

32、爬壁機(jī)器人上, 有 著較好的應(yīng)用前景. # 生物壁虎機(jī)器人 生物機(jī)器人是借助于電子信息技術(shù)刺激來(lái)控制 動(dòng)物神經(jīng)信號(hào), 從而達(dá)到對(duì)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)或某些行為 的人為控制目的的技術(shù). 日本和美國(guó) DARPA 都已設(shè) 立了生物機(jī)器人研究計(jì)劃 23, 24 , 而我國(guó)南京航空航 天大學(xué)也已經(jīng)展開(kāi)了生物壁虎機(jī)器人技術(shù)研究并已 25 取得初步的成果 . 通過(guò)在壁虎上安裝載荷并控制 壁虎 來(lái)完成任務(wù)將 在能源供給、 運(yùn)動(dòng)靈活性、 隱蔽 性、 機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性方面較仿生壁虎機(jī)器人具有更 明顯的優(yōu)勢(shì). 4 壁虎 機(jī)器人發(fā)展 趨勢(shì) ( T r ends of gecko robot 經(jīng)過(guò)對(duì)壁虎機(jī)器人國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的分析和壁虎

33、機(jī) 器人各類(lèi)關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的比較, 結(jié)合機(jī)器人技術(shù) 發(fā)展的總體趨勢(shì), 我們認(rèn)為壁虎機(jī)器人的發(fā)展有如 下趨勢(shì): # 吸附方式將越來(lái)越多地采用干性粘合劑 負(fù)壓吸附方式和磁吸附方式技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對(duì) 成熟, 并已有商用化產(chǎn)品出現(xiàn). 但它們的缺點(diǎn)也是顯 而易見(jiàn)的. 干性粘合劑作為一種仿生智能材料, 能夠 適應(yīng)各種材質(zhì)壁面, 并且沒(méi)有噪音. 雖然目前其吸附 能力還比較差, 但相信隨著 MEMS加工技術(shù)和新材 料的發(fā)展, 人造壁虎腳掌的性能將會(huì)有明顯提升. 目 前, 西方發(fā)達(dá)國(guó)家都很重視對(duì)壁虎腳掌仿生材料的 研究, 我國(guó)南京航空航天大學(xué)也已經(jīng)開(kāi)展相關(guān)方面 的研究. # 向微小型化發(fā)展 科學(xué)家預(yù)言, 21世紀(jì)

34、的尖端技術(shù)之一是微型機(jī) 器人. 仿生微型機(jī)器人可用于小型管道檢測(cè)作業(yè), 可 進(jìn)入人體腸道進(jìn)行檢查和實(shí)施治療而不傷害人體, 也可以進(jìn)入狹小的復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行各種作業(yè). 因此, 壁 虎機(jī)器人的小型化和微型化是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì). # 移動(dòng)方式用腿足式 在移動(dòng)機(jī)器人中, 輪式和 履帶式移動(dòng)方式已獲 5 結(jié)論 ( Conclusion 本文首先重點(diǎn)介紹了美 國(guó)、 日本和國(guó)內(nèi)仿壁虎 機(jī)器人的研究現(xiàn)狀, 然后討論比較了仿生壁虎機(jī)器 人所涉及的關(guān)鍵技術(shù)尤其是吸附技術(shù)和移動(dòng)技術(shù)的 優(yōu)缺點(diǎn), 最后在上述分析比較基礎(chǔ)上對(duì)未來(lái)的發(fā)展 趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)展望. 總體上來(lái)說(shuō)仿壁虎機(jī)器 人朝著微小型化、 腿足 式移動(dòng)化和利用仿生材料粘

35、合劑進(jìn)行吸附的方向上 發(fā)展, 其中美國(guó)在這方面的研究處于領(lǐng)先位置. 在仿生壁虎機(jī)器人發(fā)展 的同時(shí), 生物壁虎機(jī)器 人也將成為另外一個(gè)新的研究發(fā)展方向. 參考文獻(xiàn) 1 2 3 4 ( R efer ences 張秀麗, 鄭浩 峻, 陳懇, 等. 機(jī)器 人仿 生學(xué) 研究 綜述 J. 機(jī) 器 人, 2002, 24( 2 : 188 - 192 . 吉愛(ài)紅, 戴振東, 周來(lái)水. 仿生機(jī)器人的研究進(jìn)展 J. 機(jī)器人, 2005 27( 3: 284- 288. , 許宏巖, 付宜利, 王樹(shù)國(guó), 等. 仿生機(jī)器 人的研究 J . 機(jī)器人, 2004 26( 3: 283- 288. , V ieArti

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