（检测技术与自动化装置专业论文）仿壁虎爬壁机器人的研制.pdf

摘要 传统爬壁机器人在吸附结构、移动功能及驱动方式等方面存在着诸多不足 之处，如对壁面的材料和形状适应性不强，越障能力弱，体积大，质量重等， 使其无法真正地代替人类实现极限场合的作业。壁虎是自然界中具有高效率攀 爬能力的动物，它能够在树干、墙壁、天花板纹丝不动地停留或轻松行走。开 发类似壁虎运动机构的爬壁机器人较传统爬壁机器人，具有更高的实用价值。 本研究是国家自然科学基金项目“仿生微纳米粘附阵列的s o c 控制机理与集成 方法”下开展的子课题，目的是开发一种能像壁虎一样可以适应多种材质和形 状的表面的爬壁机器人。 本文首先简要介绍了本实验室对粘附阵列的研究情况，并针对粗糙度较大 情况采用粘弹性理论对粘附阵列的粘附特性进行了分析，得到了与实验较为吻 合的结果。在此基础上进行了机器人结构的设计及步态规划，并利用动力学仿 真软件a d a m s 建立了机器人的虚拟样机，豺其爬壁行为进行了动力学仿真， 为物理样机的研制提供了依据。接着针对传动驱动装置难于适用于小型的爬壁 机器人的问题，设计了基于形状记忆合金驱动器的本体结构，并对各关节处的 s i i a 驱动器进行了设计，最后完成了物理样机不同步态的测试，并针对测试中机 器人的运动速度较低，越障能力较弱的问题，提出了解决途径。最终研制出的 仿壁虎爬壁机器人具有结构轻巧、低压驱动、灵活性好，功能可靠等优点。本 文的研究工作为具有广泛适应性的仿壁虎爬壁机器人的实用化奠定了基础。 工作中的创新点主要体现在：在机器人机构设计方面：本文提出了用四 根连杆铰接，具有三个自由度的对称的躯干结构形式，它具有结构轻巧、灵活 性好，功能可靠等优点，克服了卡酎基梅隆大学研制的仿壁虎爬壁机器人机构 中存在的不稳定性问题。在仿壁虎粘附阵列粘附特性的分析方面：针对以往 在粗糙度较大情况下采用弹性建模带来的理论分析结果与实验不一致的情况， 本文运用了粘弹性材料的三参量固体模型对系统进行了建模和分析，并把计算 结果与实验结果进行了比较，与实验结果吻合得较好，表明粘弹性特性在粘附 阵列的粘附脱离过程中占有重要的地位。 关键词：爬壁机器入；仿壁虎；粘附阵列；仿真；s m a 驱动器 a b s l 限 ( t a b s t r a c t t r a d i t i o n a lw a l l - c l i m b i n gr o b o th a sm a n yd e f e c t si nt h ea s p e c t so fa d h e s i o n d e v i c e 。m o v ef u n c t i o na n dd r i v ee q u i p m e n t , s u c ha sw e a k e ra d a p t a b i l i t yt oa n y s u r f a c er o u g h n e s sa n dm a c r i a l w e a k e ro b s t a c l ea v o i d a n c e ，b i gp h y s i c a lv o l u m ea n d h i g hw e i g h t w h i c hm a k e si t c a n tp e r f o r mm a n yt a s k si n a c c e s s i b l e1 0h u m a n s g e c k oi sah i g h l ys k i l l e dn _ a t u m lc l i m b e r i tc a na d h e r ef i r m l yt ot r e et r u n k 、w a l l 、 c e i l i n ga n dw a l kf i e e l yo nt h e n lc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lw a l l - c l i m b i n gr o b o t s ， d e v e l o p m e n to fg e c k oi n s p i r e dc l i m b i n gr o b o ti sm o r eu s e f u l 。t h ep r o j e c tw e f o u n d e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n af o rt h ep r o j e c to f “c o n t r o lm e c h a n i s ma n di n t e g r a t i o nm e t h o do fab i o m i m e t i ca d h e s i o na r r a yb a s e d 0 1 1 s o c t e c h n o l o g y ”ta i n 血g a t p r o 、d d i n g a g e c k o i n s p i r e d w a l l - c l i m b i n g r o b o t t h a t c a n a d a p tt ov a r i o u sm a t e r i a l sa n dr a n d o ms h a p es u r f a c e s 。 a tf i r s t ，t h et h e s i si n 舡o d u c e do u rl a b o r a t o r y sr e s e a r c ho na d h e s i v ea r r a y s ，a n d a n a l y z e dt h ec h a r a c t e ro ft h ea d h e s i v ea r r a y sw i t hv i s c o e l a s t i ct h e o r ya i m i n ga tt h e b i g g e rr o u g h n e s so fc o n t a c ts u r f a c e w eg o tt h er e s u l tt h a tm a t c h e dw i t ht h e e x p e r i m e n t b a s e do nt h i sw ea c c o m p l i s h e dt h em e c h a n i s md e s i g no ft h er o b o ta n d g a i tp l a n n i n g ，b t f i l tt h ev i r t u a lp r o t o t y p i n go ft h er o b o tw i t ha d a m sa n dc a r r i e d t h r o u g hd y n a m i c ss i m u l a t i o no ft h er o b o t sl o c o m o t i o no i lv e r t i c a lw a l li no r d e rt o p r o v i d er e f e r e n c ef o rp h y s i c a lp r o t o t y p i n g n e x tw ec o m p l e t e dt h em e c h a n i s m d e s i g no ft h ep h y s i c a lp r o t o t y p i n gb a s e do ns h a p em e m o r ya l l o ya n dd e s i g n e dt h e $ m aa c t u a t o ro fe a c hj o i n t ,b e c a u s et r a d i t i o n a la c t u a t i n gw a yh a r d l ya d a p t e dt o m i c r ow a l l - c l i m b i n gr o b o t t h e nw et e s t e dt h el o c o m o t i o no fr o b o t a tl a s tw e p r o p o s e dt h es o l u t i o nt h a tc o u l di m p r o v et h el o w c rs p e e da n dw e a k e ro b s t a c l e a v o i d a n c e t h ed e s i g n e dg e c k oi n s p i r e dw a l l - c l i m b i n gr o b o th a sb e n e f i t so fa g i l e f i g u r e 、l o wv o l t a g ea c t u a t o r 、g o o dm a n e u v e r a b i l i t ya n ds t a h i l i t y 。o u rr e s e a r c hl a y s af o u n d a t i o nf o r t h e a p p l i c a t i o n so fg e c k oi n s p i r e dw a l l - c l i m b i n gr o b o tw i t h e x t e n s i v ea d a p t a b i l i t y t h ek e yo r i 西n a lc o n t r i b u t i o n si nt h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e 蛆a sf o l l o w s ：a t 溉w e p r o p o s e dad e s i g nw h i c hr o b o t sb a c ki sc o m p o s e do ff o u rc o n n e c t i n gr o d s c o n n e c t e db yh i n g e ni ss y m m e t r ya n dh a st h r e e 自d o m ，w h i c hh a sb e n e f i t so f n a g i l ef i g u r e 、g o o dm a n e u v e r a b i l i t ya n ds t a b i l i t y i tc o n q u e r e dt h ei n s t a b i l i t i e so f t h e g e c k oi n s p i r e dw a l l - c l i m b i n gr o b o td e s i g n e db yc a r n e g i em e l l o nu n i v e r s i t y t h e s e c o n d , i nt h es i t u a t i o no f b i gr o u g h n e s so f c o n t a c ts l l r f a c e ，t h ev a r i a n c eb e t w nt h e t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lv a l u e si sb r o u g h tb yf l e x i b i l i t ym o d e l i n g t h i sp a p e r c a r r i e dt l m u g ht h em o d e l i n ga n da n a l y z eo ft h es y s t e mw i t ht h r e ep a r a m e t e 穗s o l i d m a u i xo fv i s c o e l a s t i cm a t e r i a l ，a n dc o m p a r e dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l tw i t ht h e e x p e r i m e n tr e s u l t t h e y m a t c h e d v e r y w e l l i ts h o w st h a t v i s c o e l a s t i c i t y c h a r a c t e r i s t i cp l a y sf i l li m p o r t a n tp a r ti nt h ep r o c e s so f a t t a c h m e n ta n dd e t a c h m e n to f t h ea d h e s i v ea r r a y s k e y w o r d s ：w a l l - c l i m b i n gr o b o t ；g e c k oi n s p i r e d ；a d h e s i v ea r r a y s ；s i m u l a t i o n ； s m aa c h l a l o r m 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 【作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版。允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： ：虹纽f 三 年占月1 日 第一章绪论 第一章绪论 随着科技的发展，机器人在各个领域中得到了广泛的应用，以机器人代替人 类从事各种危险、繁重、重复、单调及有毒害的工作已经成为社会发展的一种 趋势。爬壁机器人是指能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限 作业的一种自动机械装置，在故障检测、抢险救灾、高楼清洗、空间安全等方 面都具有良好的应用前景“1 。目前，国内外对爬壁机器人的研究已取得丰硕成果， 甚至许多已经进入了实用化阶段。 1 1 传统爬壁机器人的结构特性以及存在的问题 爬壁机器人必须具有两个基本功能：在壁面上的吸附功能和移动功能。 传统爬壁机器人的吸附结构主要采用磁力吸附、真空吸附、静电吸附和化 学粘附四种方式“1 ”。大多数爬壁机器人的足部都是通过使用吸盘、磁体或者粘 性物质设计而成的。这四种方式都存在各自的缺陷：磁力吸附要求壁面必须是 导磁材料；真空吸附在壁面凹凸不平和多孔状况下吸附能力下降很快而且不能 应用于真空环境；静电吸附要求被接触表面具有导电特性，由于静电力十分微 小，往往不能提供足够的粘附力；化学粘附时粘胶容易挥发、固化，使得粘胶 迅速被消耗而影响粘附。所有这些粘附方式都无法适用于布满灰尘且崎岖不平 的表面。 传统爬壁机器人按移动功能分主要是吸盘式、车轮式和履带式【“。吸盘式能 跨越很小的障碍，但移动速度慢；车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定 的吸附力较困难；履带式对壁面适应性强，着地面积大，但不易转弯。而这三 种移动方式的跨越障碍能力都很弱。 传统爬壁机器人的驱动方式主要有气缸驱动和电动机驱动两种方式“1 气缸 和电机不仅质量大，增加机器人本体的重量，而且效率很低，能耗非常大。 由于传统爬壁机器人在运动稳定性、灵活性、可靠性、简约的控制系统等 方面还存在着难于在短期内突破的技术瓶颈，因此对生物运动规律和生物机器 人的研究近年来受到更多的重视。 1 2 仿生学及仿生机器人介绍 仿壁虎爬壁机器人的研制 2 0 世纪6 0 年代初诞生的仿生学( b i o n i c s ) ，是生物科学和工程技术相结合 的一门边缘学科，通过学习、模仿、复制和再造生物系统的机构、功能、工作 原理及控制机制，来改进现有的或创造新的机械、仪器、建筑和工艺过程嘲。现 代仿生学已经延伸到很多领域，机器人学是其主要的结合和应用领域之一，这 方面的研究引起研究人员和专家的极大兴趣和关注，已取得了众多成果。 仿生学的研究范围主要包括“”；结构仿生( b i o n i cs m l c m r e ) ：通过研究生 物肌体的构造，建造类似生物体或其中一部分的机械装置，通过结构相似实现 功能相近；材科仿生( b i o m a t e r i a l s ) ：从生物功能的角度来考虑材料的设计和 制作，通过对生物体材料构造与形成过程的研究及仿生，使材料具有特殊的强 度、韧性以及一些类似生物特性；功能仿生( f u n c t i o n a lb i o n i c s ) ；目的是使人 造的机械具有或能够部分地实现高级动物丰富的功能，如思维、感知、运动、 操作等，功能仿生主要包括大脑功能仿生、感知仿生、运动仿生三个方面： 控制仿生( b i o n i cc o n t r o la l g o f i t h m ) ：研究与模拟感觉器宫、神经元与神经网络、 以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。比如利用遗传算法， 人工神经网络等，目的是使人造的机械能够部分实现高级动物丰富的功能，如 思维、感知、运动、操作等。群体仿生( s o c i a lb i o n i c s ) ：群体仿生的目的在于： 通过群体行为增强个体智能，提高系统整体工作效率，减少局部故障对整体的 影响。 自然界中生物体的精巧结构、运动原理和行为方式等，已经成了机器人学 有意模仿的对象科学家们向生物学习，创造出了众多高性能的仿生机器人仿 生机器入就是模仿自然界中生物的精巧结构、运动原理和行为方式等的机器人 系统。仿生机器人类型很多，见图卜i ，其中，仿人手臂型主要研究7 自由度和 多自由度的关节型机器入操作手臂、多指灵巧手及手臂和灵巧手的组合；仿人 双足型主要是研究双足步行机器人机构；宏型仿非人生物机器人主要是研究多 足步行机器人( 四足、六足、八足) ，蛇形机器入，水下鱼形机器人等，其体积 结构较大；微型仿非人生物机器人主要是研究各类昆虫型机器人，如微型机器 狗、蟑螂微型机器人，蝗虫微型机器人等。仿生机器人的主要特点：一是多为 冗余自由度或超冗余自由度的机器人，机构复杂；二是其驱动方式有些不同于 常规的关节型机器人，采用绳索或人造肌肉驱动。仿生学在机器人科学中的应 用，推动了机器人的适应能力向非结构化、未知的环境方向发展“”。 2 第一章绪论 图1 - 1 仿生机器人类型n 2 】 仿生机器人研究的发展方向： ( 1 ) 特种仿生机器人；自然界中各种生物千姿百态，根据各种生物各自的特 点，研制出更多种类的能适应特定自然环境的特种仿生机器人，是未来仿生机 器入进一步的发展方向。 ( 2 ) 仿生机器人的微型化：仿生机器人的微型化的关键是实现机电系统的微 型化，将驱动器、传动装置、传感器、控制器、电源等集成到一块硅片上，构 成微机电系统。 ( 3 ) 仿生机器人的仿形：仿生机器人的外形与所模仿的生物的相似性也是仿 生机器人研究的热点之一。在军事侦察和间谍任务中，应用与生物外形完全一 致的机器人，将能更隐蔽地、更安全地完成任务。 ( 4 ) 生物机器人：即活体生物的人工控制，是生物学、信息学、测控技术、 微机电系统技术高度发展并且相互结合的产物。 1 3 仿壁虎爬壁机器人的研究现状 壁虎能够在墙壁、天花板等任何表面做无障碍运动，成为研究爬墙机器人的 理想模型“。2 0 0 0 年美国科学家k e l l a r a u t t m m 等经过对壁虎脚掌的研究，认为 壁虎能在光滑墙壁上自如行走，是因为壁虎脚底大量的细毛与物体表面分子之 间产生的范德瓦尔斯力( v a nd e r w a a l sf o r c e s ) 累积作用“蛔。 美国加州大学伯克利分校和i r o b o t 公司等都在进行仿壁虎机器人的研 究其中加州大学伯克利分校r o b e r tf u l l 等人研制出的能在干燥环境下实现壁 面爬行的仿壁虎机器人的样机。 仿壁虎爬壁机器人的研制 2 0 0 6 年美国斯坦福大学教授马克库特科斯基的研究小组开发出被称为 “粘虫”( s t i c k y b o o 的“壁虎机器人”，见图1 - 2 ，足底长着人造毛( 由人造橡 胶制成) 。这些微小的聚合体毛垫能确保足底和墙壁接触面积大，进而使范德瓦 尔斯粘性达到最大化。“粘虫”式机器人可作为行星探测器或救援装置使用”】。 图卜2 美国斯坦福大学开发的壁虎机器人“” 美国卡耐基梅隆大学在仿壁虎爬壁机器人方面也做了大量研究，先后开发 出以下几种形式的试验样机： ( 1 ) 车轮式仿壁虎爬壁机器人( 见图1 - 3 ) 性能参数：驱动电压2 6 v ；重量l o o gs 长度1 0 0 m ，宽度7 0 m m ，高 度5 0 m ，尾长9 0 m 。 第一章绪论 图1 - 3 车轮式仿壁虎爬壁机器人棚 ( 左侧为c a d 绘制的三维模型，右侧为物理样机) ( 2 ) 履带式仿壁虎爬壁机器人( 见图1 - 4 ) 性能参数：驱动电压：2 6 v ；重量9 0 9 ；长度6 0 哪，宽度8 0 姗，高度 6 0 m ，尾长9 0 z m 。 图1 - 4 履带式仿壁虎爬壁机器人n 町 ( 3 ) 刚性仿壁虎爬壁机器人( 见图i - 5 ) 性能参数：重量8 0 9 ) 长度l o o m ，宽度1 0 0 妯) 速度2 0 衄s , 驱动功 率3 6 0 m w ：爬行坡度6 5 。 图卜5 刚性仿壁虎爬壁机器人“ 需要指出的是这种刚性结构为机器人的运动带来了许多问题，图i - 6 是机 5 仿壁虎爬壁机器人的研制 器人的虚拟模型和仿真数据，从右侧图中可以看出在0 2 2 s 和0 2 5 s 之间数据 呈现出不稳定。主要原因是躯干的后半部采用刚性连接，缺少一个相对转动的 自由度，当躯干中央的旋转副由电机转矩控制时，其他的三个被动旋转副就会 受到动态负载的影响，从而使机构的运动出现不稳定。他们通过对该机器人机 构运动学分析后，认为这种不稳定性结构可以用以下方式解决： 增加前腿的长度； 减少后腿的长度； 改变电机的位置； 减少躯干中央转动关节的转角范围。 由于机器人的对称结构是设计者的首选，他们选择了第四个解决方案，但 是限制躯干中央关节的转动角度，无疑会影响机体运动的灵活性和机动性，从 而降低机器人的爬壁性能。 图l 咱左侧为刚性仿壁虎机器人模型，右侧为足部受力情况的仿真数据“” ( 4 ) 适应性仿壁虎爬壁机器人( 见图i - 7 ) 性能参数：重量1 0 9 ；长度i o o m ，宽度1 0 0 珊, 爬行坡度6 5 。 6 第一章绪论 图i - 7 适应性仿壁虎爬壁机器人 国内的南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所也在进行与仿壁虎机 器人相关的研究，他们研究了壁虎脚掌的结构、材料以及运动行为，已经取得 了一些进展。 目前世界上关于仿壁虎爬壁机器人的研制还处在初步阶段，真正实现类似 壁虎的全空间无障碍运动的机器人还需要时间。 1 4 仿壁虎爬壁机器人研究的主要问题”： ( 1 ) 吸附机构问题：在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用机理的基础 上，运用类比、模拟和模型方法，通过高分子材料化学、工程材料科学、力学 和机械学的交叉研究，寻找出一种与壁虎脚趾表面结构相似的、经物理改性的 极性高分子材料( 人造仿生壁虎脚干性粘合剂) ，并应用精密微机械加工的手段， 设计并制作出模拟壁虎脚趾的吸附装置。 ( 2 ) 机构设计问题：合理的机构设计是仿壁虎爬壁机器人实现的基础。壁虎 机器人要适应各种不同的环境，需要其具有高度的机动性和灵活性，因此，需 要充分研究壁虎生物肌体结构和运动特性，提取其精髓并加以简化，以开发出 全方位关节机构和简单关节组成高灵活性的机器人机构。 ( 3 ) 驱动问题：传统的驱动装置质量较大，且效率较低，无法适用于形体娇 小的仿壁虎爬壁机器人。因此需要探索新型的驱动装置，如压电陶瓷( p z t ) 、 超声电机、形状记忆合金( s h a p e m e m o r y a l l o y ，s m a ) 等。 7 仿壁虎爬壁机器人的研制 1 5 仿壁虎爬壁机器人的发展方向乜t ，： ( 1 ) 机器人机构设计应使机器人充分利用摩擦力的效应，达到提高稳定粘 附、高机动性和高可靠性的目的，与该功能相适应。要求机器人的控制和感受 具有对冗余内聚力的处理能力 ( 2 ) 智能驱动材料的研制，特别是i p m c ( i o n - e x c h 雒g ep o l y m e rm e t a l c o m p o s i t e ) 材料的发明，为仿生机器人新型驱动方式和机构的创新提供了可能。 ( 3 ) 壁虎脚掌粘附机制的确认将为仿生壁虎机器人脚掌的研究提供新的原 始创新的契机。 “) 仿生壁虎刚毛群的研制在具有工业化的制各技术和工艺研究方面还没 有实质性的突破，这一领域的研究具有广阔的应用空间和发展前景。 ( 5 ) 生物信息学是当今生物技术和信息科学交叉领域的研究热点，但目前 对遗传信息的研究关注较多，而对神经信息的研究相对较少，近年来国外在该 领域开展了一些卓有成效的研究为壁虎的生物运动干预提供了很好的借鉴。 1 6 本文研究内容 本文是在国家自然科学基金重点项目“仿生微纳米粘附阵列的s o c 控制机 理与集成方法”下开展的子课题，目的是从创造性、新颖性、实用性的角度出 发，开发一种能像壁虎一样适应于不同材质和任意形状的表面，具有较高的移 动能力和机动性的爬壁机器人。其中，仿壁虎爬壁机器人物理样机的主要性能 指标如下： ( 1 ) 具备适应多种材质和各种形状壁面的移动性能； ( 2 ) 驱动形式：形状记忆合金丝作为驱动器； ( 3 ) 外形尺寸：长度1 0 5 衄，宽度1 0 7 m m ，高度3 0 m ； ( 4 ) 自重；1 5 0 9 ； 移动速度：卜3 哪s ； 本文的创新点主要有两个；在机器人机构设计方面：本文提出了用四根 连杆铰接，具有三个自由度的对称的躯干结构形式，它具有结构轻巧、灵活性 好，功能可靠等优点，克服了卡耐基梅隆大学研制的仿壁虎爬壁机器人机构中 存在的不稳定性问题。在仿壁虎粘附阵列粘附特性的分析方面：针对以往在 粗糙度较大情况下采用弹性建模带来的理论分析结果与实验不一致的问题，本 文运用了粘弹性材料的三参量固体模型对系统进行了建模和分析，并把计算结 8 第一章绪论 果与实验结果进行了比较，与实验结果吻合得较好。这表明：高分子材料制备 的粘附阵列中，粘弹性特性在粘附脱离过程中不可忽略；粘弹性材料制备的粘 附阵列的粘附力对相应的弹性材料要大；最大粘附力会随着脱离速度的增大而 减小，随着粘性系数的增大而减小。 9 仿壁虎爬壁机器人的研制 本文主要内容包括： 第一章绪论。介绍了传统爬壁机器人的结构特点及存在的问题，仿生学及 仿生机器人的概念，以及仿壁虎爬壁机器人的研究现状、研究的主要问题和发 展方向，提出了本文的研究目标。 第二章仿壁虎粘附阵列粘附特性。简单介绍了粘附阵列的制备与测试、分 析，针对以前在粗糙度较大情况下采用弹性建模带来的理论分析结果与实验不 一致的情况，本章运用了粘弹性材料的麦克斯韦模型对系统进行了建模和分析， 并把计算结果与实验结果进行了比较，与实验结果吻合得较好 第三章基于虚拟样机技术的仿壁虎爬壁机器入的设计及仿真。简单介绍了 虚拟样机技术及a d a 惦；提出了用四根连杆铰接，具有三个自由度的对称的躯干 结构形式，它具有结构轻巧、灵活性好，功能可靠等优点，克服了卡耐萋梅隆 大学研制的仿壁虎爬壁机器人机构中存在的不稳定性问题。并依据生物壁虎的 爬行步态，对机器人的步态做了规趔；接着在动力学仿真软件a d a m s 的基础上， 建立了机器人的虚拟样机，对其垂直爬壁行为进行了仿真，并分析了仿真数据， 结果表明：该机器人模型是科学的、合理的，这为物理样机的研制提供了参考 依据。 第四章基于形状记忆合金的仿壁虎爬壁机器人物理样机的设计。简单介绍 了形状记忆合金及s m a 驱动器；针对传动驱动装置存在的功重比低，传动机构 复杂，难于适用于小型的爬壁机器人等问题，提出了基于s m a 驱动器的本体结 构形式，并对各关节处的s m a 驱动器进行了设计，建立其力学模型，推导出各 关节臂的结构尺寸与输出特性之间的关系，对各个s m a 驱动器的控制进行了阐 述；完成了物理样机的躯干移动、抬足和落足的测试，并将测试结果与理论结 果进行了分析比较，最后针对测试中机器人的运动速度较低，越障能力较弱等 问题，进行了初步探讨。 第五章总结和展望。总结全文，提出了本研究中存在的问题、本文的创新 点以及今后工作蠹q 方向。 第二章仿壁虎粘附阵列桔附特性 第二章仿壁虎粘附阵列粘附特性 本实验室在近年对壁虎进行了大量的研究制作，制备了不同的粘附阵列， 并对其进行了理论分析和试验测试。为仿壁虎机器人的移动机构的研制奠定了 基础，本章将简要介绍本实验室对粘附阵列的研究情况，并针对以往理论分析 中的某些不足进行改进。在以往的分析中，粘附阵列采用了弹性假设，使粘附 力随被粘附表面粗糙度的增大而急剧减小，与实验情况明显不符。本章将利用 粘弹性理论对粘附阵列的粘附特性进行了分析，得到了与实验较为吻合的结果， 表明粘弹性特性在粘附阵列的粘附脱离过程中占有重要的地位 2 1 粘附阵列的制备与测试、分析简介 采用模版法制备阵列时选用美国d o wc o m i n g 公司的s y l g a r d1 8 4 有机硅 胶。这种硅胶具有高黏度、高弹性、易浇注、易剥离，渗漏性能良好，且在真 空固化时没有开裂等特点，并具有优异的机械、化学和电学性能，弹性模量约 为2 5 3 m p a 。加工得到图2 l 和2 - 2 所示的两种不同参数的纤毛阵列，使用美国 f e i 公司的s i r i o n 2 0 0 场发射扫描电子显微镜s e m 来观察纤毛阵列的表面形貌。 图2 - 1 直径2 t i m 间距6 9 m 长5 p m 的纤毛阵列 仿壁虎爬璧机器人的研稠 图2 - 2 直径5 p m 阗距2 0 p m 长1 5 p m 的纤毛阵列 通过图2 - 3 所示的实验装置，测量不同参数的纤毛阵列与不同壁面间的粘 附效果，作为与分析结果对比的依据。将图2 1 和2 - 2 所示的纤毛阵列切割成不 同面积的小阵列，作为测试样本a 和b ：利用粘结剂把测试样本无纤毛结构的 一面粘贴在支撑台上，对支撑台施加预压力使样本有纤毛结构的一面粘附于载 玻片上。在支撑台下逐渐增大负载砝码直至样本阵列与载玻片脱离，最大负载 值就认为是阵列与壁面间的粘附力。测试l c m 2 1 e 方形样本阵列与不同表面间的 粘附效果，实验结异哪事 图2 - 3 测量阵列粘附力的实验装置 第二章仿壁虎粘附阵列牯附特性 表2 - 1 样本与不同表面的粘附效果 硅片玻璃木质 铝 油漆墙面 a ( 曲 2 2 01 8 02 05 08 0 b 国 2 2 0 51 56 09 0 粗糙度( i l i n )2 1 0l o o3 0 2 0 纸潮湿表面纸皮大理石 陶瓷 a ( 力 6 01 5 6 0 4 06 0 b ( 曲 8 05 4 0 3 05 5 粗糙度( 脚 5 02 03 0 2 5 当采用弹性理论分析时，对硅片：样本a 理论分析的粘附力约为o 0 5 n ，实 验测试结果为2 2 n t 样本b 理论分析的粘附力约为0 2 n ，实验测试结果为2 n ； 对玻璃：样本a 理论分析的粘附力约为0 0 2 n ，实验测试结果为1 8 n ；样本b 理论分析的粘附力小于0 0 i n ，实验测试结果为2 0 5 n 。均有极大的误差。 2 。2 基于粘弹性模型的粘附分析 实验中用于制各阵列的s y l g a r d1 8 4 有机硅胶是一种高分子材料，具有较强 的粘弹性特性，若采用弹性理论进行建模会带来较大的误差，需要采用粘弹性 理论进行建模。 2 2 1 粘弹性对j k r 模型阴影啊 在以往的研究中，绒毛末端与被粘附表面采用的是j k r 模型，然而j k r 模 型是建立在线弹性基础上的。对粘弹性材料的粘附特性，gh a i a t 等人进行了研 究阎，得到了粘附力的无量纲方程： p = 三 f d 形。一f ) 善( 地的) - 争 + 詈a 了蚕i i i ；三i 雨一号c 3 ( f ) 一j 1 彳3 0 ) + 彳( ，) c 2 ( f ) + t 争，鲁昙 仿壁虎爬壁机器人的研制 x 霄箕堡安 丝些丛堕型丛一c ： 】) ( 2 。1 ) c 2 ( f ) 一一2 ( f ，) 3 方程中各变量的物理意义请参见文献【2 2 】。 当粘附接触表面很小，而且应力松弛的速度很快时，粘附力可以近似表示成 ，m 矿( 棚) 4 ( f ) 3 一垢a c t ) 3 ”( 2 - 2 ) 式中，a 是无量纲化接触半径，痧是无量纲化松弛函数。从上式中，可以求出 最大粘附力为 p i e = 丽1i 3 = 丽i ( 2 3 ) 矿( + ) b o 5 为准动步行；卢s 0 5 为动步行步态。机 器人步态的设计应能保持机器人的平衡与稳定，减少占空时间可以增加机器人 的稳定性，但也会使运动速度明显降低。 本设计中的爬壁机器人模拟壁虎的爬行步态( 图3 - 4 ) ，采用如图3 5 所 示对称的动步行( = 0 5 ) 步态，该步态是一对对角足为支撑足，另一对对角 足为非支撑足，并且支撑足与非支撑足是在半周期进行交换的动步行。腿的运 动可分为两个过程： 支撑腿在支撑过程中，机体向前移动，足部相对机体向后移动。 在提腿过程中，足部的运动是随机体的向前运动和足部相对机体向上提 腿运动的合成。 机器人开始运动时，左侧后腿和右侧前腿准备抬起向前运动，另外两条腿 处于支撑状态，在驱动机构和传动元件的作用下使机器入本体向前移动了半个 步长s 。在机器人机体移动到位时，左侧后腿和右侧前腿放下呈支撑状态，左 侧前腿和右侧后腿准备抬起向前移动，同样在支撑腿的作用下使机器人本体移 动了半个步长s 。不断重复上述过程，周而复始的使机器人不断向前移动。机 器人的足部必须具有提腿、摆腿、着地等动作，且提腿的力能够克服粘附阵列 粘附力的作用。机器人的移动过程可以简单概括为“腿提起腿摆动脚落下” 的运动序列。 第三章基于虚拟样机技术的仿壁虎爬壁机器人的设计及仿真 图3 _ 4 壁虎的爬行步态 础巧唾 玛 蝣鼢 支撑腿o 摆动腿s ：半步长 图3 - 5 仿壁虎爬壁机器人的步态示意图嗍 这种步态规划使机器人的重心在整个移动过程中都处于由各足组成的支撑 平面的中心位置，从而确保了运动的平衡和稳定性。 3 4 仿壁虎爬壁机器人机械系统仿真”1 机械系统仿真是指利用仿真软件建立机械系统的计算机模型并对其进行仿 真分析，然后通过图形和表格等方式显示该系统在各种条件下的运动特性，从 而修改并优化原始设计方案。 一般机械系统的仿真步骤为： a 、运动分析：对机构进行必要的运动分析，大致了解其运动规律； b 、环境设置：设置仿真环境并定义各部件的材料性能等参数： c 、约束定义：施加约束，并定义各约束的属性： d 、定义激励：建立驱动及力，即计算系统在给定位置上对给定激励的各种响应 包括位移、角位移、速度和加速度响应等，并计算有激励产生的约束力： 仿壁虎爬壁机器人的研制 e 、结果处理：显示、处理并输出仿真结果。 3 4 1 仿真模型的建立 利用a d a m s v i e w 的建模功能直接进行交互式图形建模，这种方法建立 的模型虽然无法追求每个物体的真实外形，但是它们的特征点、质心位置、转 动惯量等要素均可以在模型上体现出来，不影响运动学和动力学分析的准确性 另外，由于a d a m s 软件强大的参数化系统建模功能，便于优化设计。由于机 器人在运动时，各部件的惯性质量负载对机器人整体运动参数影响比较大，因 此应用a d a m s 软件仿真机器人在整个工作空间内作连续运动的动力学分析， 用来修正和优化设计参数，以便重构模拟样机模型。 本文根据仿壁虎爬壁机器人的主要性能参数( 长1 0 0 r a m ，宽1 0 0 r a m ) 、物 理特性以及约束条件，设计出机器人的三维“虚拟样机”，如图3 - 6 所示。 图3 6 在朋) a m s ，v i e w 下建立的仿壁虎爬壁机器人模型( 材质选择铝合金) 模型的属性列表如下： 质量m ( 没有加电机) 1 8 5 4 9 重心位置l( 0 m m ，5 0 m m ，1 9 m m ) d ( 惯性矩)1 0 3 1k g - m m 2 i y y ( 惯性矩)4 5 7k g - m m 2 i z z ( 惯性矩)1 2 9 1k g m i d + + 2 第三章基于虚拟样机技术的仿壁虎爬壁机嚣人的设计及仿真 3 4 2 对各部件施加约束 利用建好的虚拟样机模型，定义各构件之间的约束关系。根据模型的实际 运动情况，在刚体之间创建约束副，保证有相对运动的刚体按照要求的轨迹进 行运动。机器人的足部与大地( g r o u n d ) 之间用接触力属性( c o n t a c t ) 定义，四 条腿与躯干之间用圆柱副( c y l i n d r i c a lj o i n t ) 连接，而躯干由四条连杆通过两个 转动副( r c v o l u t ej o i n t ) 和一个移动副( t r a n s l a t i o n a lj o i n t ) 连接而成，移动副 用于协调机器人机构的运动。 模型的动力学属性列表如下： 表3 - 2 模型自由度、添加副 模型各个关节的动力学信息 自由度( 位置)添加副( 类型)添加力( 类型) m o t i o n _ i j o d r rl c y l i n d r i c a lj o i n t ( t r a n s l a t i o n a lm o t i o n ) m o t i o n _ 4 j o d 盯2 c y l i n d r i c a li o i n t ( t r a n s l a t i o n a lm o t i o n ) m o t i o n3 7 0 d r r3 c y l i n d r i c a lj o i n t ( t r a n s l a t i o n a lm o t i o n ) m o t i o n _ 2 j o i n t4 c y l i n d r i c a lj o i n t ( t r a n s l a t i o n a lm o t i o n ) m o t i o n _ 6 j o i n t5 r c v o l u t ej o i n t ( r o t a t i o n a lm o t i o n ) m o t i o n _ 5 j o i n t6r c v o l u t ej o i n t ( r o t a t i o n a lm o t i o n ) j ( ) i t7t r a n s l a t i o n a lj o i n t 接触力设置的相关属性如下表： 仿壁虎爬壁机器人的研制 表3 1 3 足部接触力属性设置表 c o n t a c tp a r a m e t e r s i m p a c tf o r c ep a r a m e t e r s s t i f f n e s s1 0 e + 0 0 5 n m m d a m p i n g 1 0 0 n - s m m e x p o n e n t2 2 d m a x0 1 m m c o u l o m bf r i c t i o n m us t a t i co 1 5 m u p m 嘲i c 。0 1 s t i c f i o n t r a n s i t o n v e l o c i t y 0 1 m m s e c f r i c t i o nt r a n s i t o nv e l o c i t y1 0 0 m m $ c c 3 4 3 运动仿真 根据各个关节问运动副情况，给各个关节运动副施加相关的运动约束，实 现机器入的运动仿真。如图3 _ 7 和图3 - 8 所示，给j o i n t l j o i n t 4 施加的运动约束 ( m o t i o n ) 都是简单的线性函数，实现机器人足的匀速提起和落下，可以看出 在0 - 0 a s 间，左前足和右后足以7 5 m m s 的速度匀速向上提起，至距离地面3 m m 位置，保持4 s 不动，继而再以相同的速度匀速落下，1 2 s 时接触地面，完成落地 动作。在0 - - 1 2 s 闻，右前足和左后足作为支撑足，保持不动，1 2 p 1 6 s 问，左前足 和右后足作为支撑足，右前足和左后足以7 5 m m s 的速度匀速向上提起，至距离 地面3 m m 位置，保持4 s 不动，继而再以相同的速度匀速落下，直至接触地面，如 此周而复始，协调完成各足的提腿和着地动作。 m o t i o nl 和m 0 1 1 0 n2 的函数相同( 如图3 7 )： 第三章基于虚拟样机技术的仿壁虎爬壁机器人的设计及仿真 j m l l a h j 和- 州。脚邮一 、， 、1 ， 、5 j 划i 艇 忡u 咖 图3 7m o t i o n _ i 和m o t i o n _ 2 的函数曲线 f t m e t i o n ： l p ( f