大壁虎运动步态与体态特征研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文飞机，模仿人与动物发展机器人；模仿海豚发明潜艇等等。信息时代，模仿人的运算发明计算机，模仿生物的信息传感等等。在当今的知识时代，人们开始模仿生命的微观结构与功能、遗传与发展；模仿人脑的认知；模仿生命的协同进化等等。知识时代仿生学的方向主要包括：随着分子生物学和系统生物学的进展，以及纳米技术和MEMS技术发展的推动，仿生学向微纳结构和微纳系统仿生学方向发展；随着信息技术向网格和智能化方向发展以及神经发育生物学的进展向智能与认知仿生学以及可持续经济仿生学、管理仿生学等方向发展；随着对基因组

2、，蛋白质结构，脑与神经结构与功能的认知，可能会推动以解读生命信息为目的的计算仿生学的发展；随着人们对生态环境关心的日益迫切，将引发过程仿生学、能源仿生学等发展。1.2本文的研究背景和国内外发展状况仿生学借了解生物的结构和功能原理，来研制新的机械和新技术，或解决机械技术的难题。也就是说，仿生学的前提条件是研究和了解生物结构和功能原理。随着机器人技术的发展，仿生机器人的研究越来越受到研究者的重视。仿生机器人是仿生学的各种先进技术与机器人领域的各种应用目的的最佳结合，因此研制仿生机器人首先要了解被模仿生物的一系列特性，

3、简单地说，仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人系统[3][4]。仿生机器人模仿的对象不同，仿生机器人的种类和功能也就各不相同，如为使机器人的移动更具有灵活性，适应不同的地面情况，仿人仿生物的足式机器人得到了飞快的发展；为实现各种复杂地带上的运动（爬行，行走，跳跃）以实现各种检测，勘探和侦察等任务为目标的具有高度柔性和灵活性的各类仿生物机器人正在不断的进化[3]。近年来，爬壁机器人作为高空极限作业的一种自动机械装置，越来越受到人们的重视[5]。爬壁机器人是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它主

4、要用于：1、核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等；2、石化企业：对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐等；3、建筑行业：喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面清洗、擦玻璃等； 4、消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作； 5、造船业：用于喷涂船体的内外壁等[6]。传统爬壁机器人按吸附功能可分为真空吸附和磁吸附两种形式。真空吸附法具3大壁虎运动步态与体态特征研究有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凸凹不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低；磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，磁

5、吸附方式对壁面的凸凹适应性强，且吸附力远大于真空吸附方式，但要求壁面必须是导磁材料，因此严重地限制了爬壁机器人的应用环境。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[7]。最近几年各国的研究小组真正发现了壁虎在墙上爬行的秘密：分子间的作用力，范德华力。范德华力是中性分子彼此距离非常近时产生的一种微弱电磁引力。科学家在显微镜下发现，壁

6、虎脚趾上约有650万根次纳米级的细毛[8]，每根细毛直径约 为200至500纳米，毛发前端有100～1000个类似树状的微细分枝，这种精细结构使得细毛与物体表面分子间的距离非常近，从而产生分子引力。虽然每根细毛产生的力量微不足道，但累积起来就很可观。如果壁虎脚上650万根细毛全部附着在物 体表面上时，可吸附质量为130千克的物体。壁虎实际上只使用一个脚，就能够支持整个身体。足式移动机器人具有轮式和履带式机器人所没有的优点，可以相对较容易地跨过比较大的障碍（如沟、坎等），并且机器人的足所具有的大量的自由度可以使机器

7、人的运动更加灵活，对凸凹不平的地形适应能力更强。足式机器人的立足点是离散的，与壁面接触面积小，可以在可达到的范围内选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，也能够行走自如[9]。因此其运动较为灵活，适应于各种形状的壁面。基于足式机器人无障碍式运动的巨大优势和壁虎脚的附着力得到的巨大启示，研究者们积极投入到于仿生壁虎机器人的研究中。2006年3月，斯坦福大学的RISE工程在MarkCutkosky和他的工作组共同研制出了一种仿壁虎爬墙机器人。其单腿为两自由度（抬起和移动，总共八个自由度），腿部结构为平行四边形结

8、构；脚掌材料为人造橡胶合成的微细刚毛，由这些微细人造刚毛制成的脚掌能够保证脚掌与墙面接触面比较大，以提高脚掌的粘着性能；其身体部分设置有一个柔性单元，能够实现小幅度运动，已实现了在玻璃墙面的垂直向上爬行。如图1.1所示，仿壁虎机器人正于垂直的玻璃墙面向上爬行。卡内基大学的研究人员CarloMenon等也研制出了十自由度，爬65度斜坡的仿壁虎机器人，其中四个自由度为四电机驱