仿生机器人-壁虎机器人

1、壁虎机器人摘 要: 首先, 详细介绍和分析了国内外仿壁虎机器人的研究现状。然后, 讨论比较了仿生壁虎机器人所涉及的关键技术的优缺点。最后, 在前面分析比较基础上对未来的发展趋势进行了预测。引言：机器人不但可以提高工人的生产效率, 还可以代替人类从事乏味、劳累和危险的工作, 甚至完成人类不能胜任的工作, 因而日益受到人们的重视。随着人类探索太空、建设航天站、开发海洋、军事作战与反恐侦察等任务和需求的增加, 人们对机器人的性能提出了更高的要求。而在35亿年的进化过程中, 生物体发展了灵巧的运动机构和机敏的运动模式, 成为机器人技术创新发展的源泉之一。仿生机器人就是模仿自然界中生物的精巧结构、运动原

2、理和行为方式等的机器人系统。科学家们向生物学习, 创造出了众多高性能的仿生机器人, 如机器鱼、机器蛇、机器蝇, 以及各种仿生材料。壁虎是一种可在地面、陡壁、天花板等不同法向面上自由灵活运动的四足动物。科学家以壁虎的这种运动能力为研究模仿对象, 研制出了各种爬壁机器人。爬壁机器人在民用、军事、航天上具有广泛的用途, 因而越来越受到人们的重视. 在民用领域, 爬壁机器人被用来清洗大厦外壁墙面和玻璃、检测舰船船体、检测核密封罐等；在军事反恐领域, 爬壁机器人可用来进行侦察窃听、研制蛙人等；在航天领域, 爬壁机器人可用来进行舱外维修等。但传统爬壁机器人的吸附原理和移动机理与真实壁虎毫无关系, 其缺点限

3、制了应用环境和工作范围, 而壁虎的吸附原理和移动方式为突破传统爬壁机器人的限制提供了新的思路, 因而成为一个新的研究方向。目前仿壁虎机器人技术的研究主要分为吸附技术的研究与移动技术的研究, 吸附技术研究主要是围绕研制仿壁虎脚掌的吸附材料展开, 移动技术则主要是模仿生物的灵巧移动方式. 目前, 美国、日本等西方发达国家都在开展仿壁虎机器人方面的研究, 美国处在领先的位置, 但仍处于初步阶段我国也已开展这方面的研究, 其中在壁面清洗方面实现了爬壁机器人的应用, 在壁虎脚掌吸附材料研制上也取得一定成果, 但距离国外研究水平仍有一定的差距。壁虎的研究价值：几个世纪以来,人们一直惊讶一些动物如壁虎、蚊子

4、、苍蝇等超强的吸、脱附能力。譬如:壁虎可以在各种基底上自由地爬行,即便是在很光滑的天花板上也可以1mPs 的速度迅速地移动；蚊子可以轻松地粘在人体皮肤上实施叮咬；苍蝇甚至可以粘在玻璃上。这些独特的粘附作用源自于自然界长期的进化,研究它们吸、脱附机理对仿制与之类似的生物材料有巨大的启示作用。古希腊哲学家亚里士多德把这种吸附力归结为一种超自然力。Cartier、Braun等分别在1872年和1878 年开始研究壁虎脚掌不同寻常的微结构,但囿于当时的科研条件,他们只能大致地推测壁虎可能具有很精细的脚掌结构。Schmidt在1904 年用光学显微镜对壁虎脚掌进行观察,Ruibal 和Ernst在196

5、5年利用电子显微镜对壁虎脚掌的微结构进行观察,他们均观察到壁虎脚掌是由刚毛和绒毛组成,每根刚毛又由1001000根绒毛组成,每根绒毛的半径大约在012 014m 之间。对壁虎微结构的观察打开了对壁虎的超强吸、脱附机理研究的大门。Autumn于2000年在Nature 发表的一篇关于壁虎微结构及吸附机理的文章掀起了全世界对壁虎研究的热潮。壁虎的仿生原理：1.壁虎的吸附机制 壁虎的刚毛和绒毛都是由角蛋白(2keratin)组成的,它们的杨氏模量约为1GPa 。其吸附力是由范德瓦尔斯力和毛细力共同产生。Autumn等通过实验证实了范德瓦尔斯力的作用,其大小仅仅和绒毛的大小和形状有关而与其表面的化学性

6、质无关。范德瓦尔斯力是永远存在于分子间的吸引力,其作用比化学键能(1 5eV) 小12个数量级。理论上,一根尖端半径为R 的绒毛与平整表面接触(设间隙为D) 时的范德瓦尔斯力为F = HRP6D2 ,若R = 1m ,D013nm ,令Hamaker 常数H10 - 19J ,计算出单根绒毛产生的吸引力约为200nN。一根刚毛由100 1 000 根绒毛组成, 则它产生的吸附力为20 200N。实际测得单根刚毛的最大吸附力为(194 ±25)N ,与理论较为符合,因此有力地证明了范德瓦尔斯力对吸附力的作用。Huber等通过实验证实了毛细力的作用。他们发现即便是单层的水分子膜都会对结果

7、产生很大的影响,而这层水分子膜极易由刚毛吸引空气中的水分子得到。实验表明吸附力随着空气湿度的增加而增大,当空气湿度由0 增加到70%,单根绒毛产生的吸附力增加了近一倍。绒毛与不同亲水性的基底接触时,吸附力有较大的改变。绒毛与亲水性基底(接触角为1018) 接触产生的吸附力比与疏水性基底(接触角为107112) 产生的吸附力大一倍,进一步证明了毛细力的作用。壁虎和基底的接触过程本质上是壁虎脚底的绒毛和基底接触面积不断增大的过程。Gravish等模仿了这个过程,指出壁虎的这种分级结构(即壁虎脚掌由刚毛组成,刚毛又由绒毛组成) 很容易实现绒毛和基底的大面积接触，Varenberg等发现,决定作用力的

8、是各接触区域周长的总和。壁虎之所以能够产生如此大的吸附力是因为它脚掌的绒毛多,与基底的接触面积总周长很大。Huber等认为表面的粗糙度对作用力也有较大影响:当表面粗糙度很小或粗糙度较大时吸引力均较大,当表面粗糙度在100nm 左右时达到最小,此时的粗糙度尺度和壁虎绒毛尺度相当。观察发现壁虎总是保持着清洁的脚掌,这为它们长时间保持优异的吸附能力提供了条件。首先,壁虎的脚掌具有超疏水性(接触角为16019°),接触脚掌的液体会因表面张力的作用形成液滴,只要脚掌稍微倾斜,液滴就会滚落。滚动的液滴会把一些污染物颗粒一起带走,达到自我洁净的效果,此过程被称为“莲花效应”。其次,壁虎脚底不具有腺

9、体,不分泌黏液,它们利用脚掌与基底的摩擦使大部分污染物脱落。实验数据表明,经过几步的摩擦,壁虎能去掉大约一半的污染物。Lee 等运用此原理制造出仿壁虎微结构的纳米刷,用它们清洗不易达到的细缝(如光纤连接器) 中的污垢,并取得了很好的效果。最后,壁虎保持自清洁的另一个原因是污染物与基底的作用力比绒毛与基底的作用力大,实际上,考虑到绒毛的半径和污染物的体积,要满足绒毛牢固地吸附污染物几乎不可能,故壁虎脚掌能长时间保持清洁状态。2壁虎的脱附机制 壁虎与基底分离的全过程只需15ms ,而且几乎测量不到它脱附时需要的拉力。通过实验得出结论:当壁虎绒毛与基底的夹角大于30°时即可发生脱附现象。这

10、个结论由高华健运用有限元模型(FEM)所证实.他们同时还指出,当夹角从30°增加到90°,分离所需要的力越来越小。以壁虎绒毛与基底接触点为支点,绒毛另一端与基底的距离为力臂,吸附和脱附时拖拽力均平行于基底,但方向相反。脱附时的力臂远远大于吸附过程中的力臂,由杠杆原理知,壁虎仅需用很小的力即可让绒毛与基底分离。另外一种解释是在脱附时,刚毛因压缩而变形,弹性能储存于绒毛中,当能量释放时,绒毛如橡皮筋一样地弹出去,从而不需要任何拉力便可脱离基底。这种现象和Russell 观察的一致。几种关键技术：1.二维力传感器的研制：在用于仿生粘性材料力学性能测试的综合实验台中，测力部分是关键

11、的环节。研制了一种二维小量程力传感器，利用应力集中原则对二维力传感器弹性体局部削弱，结合材料力学理论和有限元软件ANSYS对弹性体进行优化仿真设计，确定弹性体结构各参数值；利用ANSYS后处理器中提供的路径映射技术，在传感器弹性体应变最大的区域，确定弹性体应变片的最佳贴片位置；对传感器进行静态标定，得出其静态性能指标。2.二维小量程力传感器的设计：由实验台所完成的实验可知，在进行壁虎、蜜蜂脚掌的仿生粘性材料（如聚氨酯等）的研究过程中，我们需要对材料进行三种功能的测试：单垂直方向的粘着力测试、单水平方向的摩擦力测试和二维运动中的粘着力和摩擦力的测试。这样就需要研制一种能同时测量水平方向和垂直方向

12、力的专用二维力传感器。根据实验要求，设计了一种平行梁结构的二维小量程力传感器，它垂直方向的最大量程是3N，水平方向的最大量程是3.5N。3.聚氨酯/硅橡胶合成试样力学性能研究：我们已经看到，壁虎等具有全空间无障碍运动能力的动物与物体表面的接触为刚毛接触方式，而刚毛末端的尺寸已达到微米级以下，在这样的尺度范围下传统宏观接触理论已经不再适用，我们首先讨论微尺度弹性粘着力的分析方法，为仿生材料粘着力的分析以及仿壁虎刚毛阵列的设计打下一定的理论基础；壁虎在垂直壁面和天花板爬行过程中主要依赖于其脚掌与接触面间的粘着力和摩擦力，对不同配比的聚氨酯/硅橡胶合成试样进行了弹性模量、法向力和粘着力之间的关系、粘

13、着力与摩擦力之间的关系的实验，并对实验结果进行分析，为仿生材料的选择提供了实验依据。根据文献报道，有可能成为制造仿生壁虎脚的材料有：硅橡胶、聚氨酯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯等。聚氨酯橡胶在大分子结构中含有较多的氨基甲酸酯（NHCOO）特性基团，使得聚氨酯与其它聚合物相比具有高的表面能、良好的耐磨性和一定的耐酸碱性，并且硬度和模量具有很宽的调节范围，所以选用其为目标材料。原料：异氰酸酯：MDI、HDI、TDI聚四氢呋喃（分子量2000）1,4-丁二醇甘油基本化学反应如下：2n OCN-R1-NCOn HO-R2-On HO-R3-OH-CONH-R1-NHCOO-R2-OCONH-R1-NHC

14、OO-R3-O-n-反应原理：含羟基化合物在有或无催化剂存在下，可以从室温到较高温度范围内与异氰酸酯进行反应，生成氨基甲酸酯链节，同时伴随着热量的释放。在反应中，氢原子首先进攻异氰酸酯分子中的氮原子，而和活泼氢相连接的其他原子则加成于异氰酸酯基团中羰基的碳原子上，促成碳氮双键的加成反应。羟基与异氰酸酯化合物间的反应属于二级反应。随着反应混合物中羟基化合物含量的增加，该二级反应速率常数也变大。在高分子领域属于逐步加成聚合。以前配方系列如下：A系列PTMEG：MDI：甘油（摩尔比）A-1 1.5：2.0：0.333南京航空航天大学硕士论文25A-2 1.5：2.0：0.333（重复A-1）A-3

15、1.75：2.0：0.1667A-4 1.85：2.0：0.100A-5 1.95：2.0：0.0333H系列PTMEG：HDI：甘油（摩尔比）H-1 1.5：2.0：0.333H-2 1.0：2.0：0.667H-4 0.8：2.0：0.800H-5 0.9：2.0：1.000PTMEG：BDO：HDI：甘油（摩尔比）H-3 0.8：0.2：2.0：0.667T系列PTMEG：TDI：甘油（质量比）T3 75：7.46：0.3289在A系列中异氰酸酯用MDI，主链含有芳环，其分子极性较大，理论上所合成材料硬度较高，耐温性较好。在H系列中异氰酸酯用HDI，主链为脂肪族碳链，其分子链柔性较好，理

16、论上所合成材料硬度较小，耐低温性较好。在T系列中异氰酸酯用TDI，主链含有芳环，但芳环少于MDI。另外，在室温时TDI为液体，操作过程优于MDI。甘油在A，H，T系列中的作用为强制交联，形成部分三维结构，在不影响材料溶解性的前提下，降低材料的粘性。聚四氢呋喃PTMEG是端基为伯羟基的线性特种聚醚多元醇。由于它高性能的链段结构能赋予聚氨酯材料优异的低温柔韧性、耐磨性、且耐水解，耐霉菌，机械强度高，回弹性优异，所以主要用来制备高性能的聚氨酯。以上材料制备方法：A，H采用两步法，T采用一步法。以上反应材料A系列沿15粘性增大。H系列15粘性减小。T系列材料粘性介于A，H之间。注：两步法：也称预聚体法

17、，通过首先使用过量的异氰酸酯和端羟基聚醚进行反应，生成带有端NCO基团、分子量不大的齐聚物中间体，然后再与低分子量壁虎机器人脚掌仿生材料的设计和制备研究26胺类、醇类扩链剂混合反应，并在液态下浇注至模具，再经加热熟化制成产品。一步法：将异氰酸酯、端羟基聚醚和胺类或醇类扩链剂一起混合反应，并在液态下浇注至模具，再经加热熟化制成产品。3.1硅橡胶材料的合成思路:针对聚氨酯材料因表表面能较高，在微模塑和纳模塑成型时难于脱模和有个别配方在存放和使用过程中会变硬的弊端，选用硅橡胶材料来替代（因为硅橡胶具有很好的脱模性）。选用双组分加成型硅橡胶，采用室温硫化浇注成型方法。具体配方：A:B 1（1:1）3（

18、1:2）5（1:3）综合性能3（1:2）最好。但其性能低于聚氨酯性能。3.2聚氨酯/硅橡胶材料的合成思路:针对硅橡胶材料的综合性能低于聚氨酯的情况，采用聚氨酯改性硅橡胶来提高两类材料的综合性能，目的是制备强度较好并有粘性的材料。聚氨酯/硅橡胶合成试样由实验室与中科院兰州物理化学研究所合作浇注。具体配方：以T3聚氨酯和3硅橡胶为基础，进行配比（T3无甘油）。国内外仿壁虎机器人研究现状：1.美国图a所示是美国斯坦福大学的一个研究小组在2006年开发出的一种仿壁虎机器人, 称为Sticky2bot。Stickybot具有4只粘性脚足, 每个脚足有4个脚趾, 趾底长着数百万个极其微小的用于粘附的人造毛

19、发(由人造橡胶制成). 每个脚趾都有脚筋, 脚筋可以实现脚趾的外翻与展平, 如图b所示. 每个脚足上的4 个脚筋可以联动, 从而轻松实现脚足与附着面的最大接触以及脚足粘附材料与附着面的吸附与脱附。从图上分析, 壁虎的腿是个四杆机构, 依靠一个电机实现腿的前后移动, 并借助另外一个电机实现四杆机构平面的转动从而实现抬腿动作。 此外,应该另有一个马达实现壁虎脚趾的驱动。Stickybot从吸附原理、运动形式、机器人外形上都比较接近真实的壁虎。 a b2 日本：为了实现各种法向面的灵活过渡, 东京工艺研究院和Isikawajima2H arima重工业有限公司联合设计开发了忍者0机器人,其外形和运动

20、形式如图c所示。忍者0机器人的吸附方式采用的是一种被称作VM(汽门复合管理)的高功效真空吸盘, 褶皱或是粗糙的墙壁都可以吸附。它有4条腿, 每条腿上装有一个真空吸盘的足, 每条腿都有3个自由度, 可以往3个方向挪动。 该机器人可以很方便地实现前进后退, 也可以横向移动, 也很容易实现墙面过渡, 如图c所示。 它的移动方式是与移动方向同侧的两条腿吸附在墙上, 另外两条腿移动, 然后交换, 如此交替实现移动。忍者03自由度的平行机构使得它能承受高负荷, 但它的吸附装置和移动机构也使得机器人的自身重量很大, 四条腿的控制也很复杂。日本三菱重工业公司正在销售的一种磁性爬壁喷涂机器人, 可以吸附在20

21、mm以上厚度的建筑物上, 磁力可达2000 kgf左右, 并能沿各种磁性结构运动, 如钢筋墙壁、天花板, 甚至在潮湿的壁面运动,速度可达10m /min。日本应用技术研究所研制出一种车轮式磁吸附爬壁机器人。它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面, 代替人进行检查或修理等作业。这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力, 其主要特征是: 行走稳定, 速度快, 适用于各种形状的壁面, 且不损坏壁面的油漆。1989年, 日本东京工业大学的宏油茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人, 吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度, 这样吸盘对壁面的吸力仍然很大, 每个吸盘分别由一个电动机来驱动,

22、 与壁面线接触的吸盘旋转,爬壁机器人就随着向前移动, 这种吸附机构的吸附力可以达到很大。C3.国内壁虎机器人研究现状:国内对仿壁虎机器人技术的研究主要是针对爬壁机器人展开的, 这方面影响比较大的主要有哈尔滨工业大学与北京航空航天大学, 中国科学院沈阳自动化所机器人开放实验室与上海大学也有这方面的研究. 他们的研究主要都是基于负压吸附原理。 最近,北京航空航天大学与南京航空航天大学合作展开了基于壁虎吸附原理与运动的仿壁虎机器人研究。哈尔滨工业大学是我国较早开展爬壁机器人研究的单位之一。他们开发的CLR22型壁面清洗爬壁机器人2000年在北京国贸大厦正式投入使用。CLR22采用圆形的吸盘进行吸附。最近哈尔滨工业大学李满天等人开始了微小型爬壁机器人技术的研究, 研制出双足尺蠖爬壁机器人。该爬壁机器人采用负压吸附方式, 由微型泵抽出吸盘中的空气, 可在砖墙面上实现吸附。尺蠖机器人可以实现不同法向平面的过渡。上海大学谈士力等人设计开发了面向球形存储罐检修的球面移动爬壁机器人, 它采用真空吸附方式和腿足式移动机构, 可以适应不同曲率半径的曲面, 并可跨越300mm高的障碍。北京航空航天大学机器人研究所也是国内