仿生壁虎爬墙机器人

《仿生壁虎爬墙机器人》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、仿生壁虎爬墙机器人1208104摘要：本文将从壁虎爬墙原理入手，介绍仿生壁虎爬墙机器人的运动原理和系统构成，并着重介绍爬墙机器人实现爬墙功能的关键技术，同时针对目前爬墙机器人存在的问题介绍爬墙机器人未来发展的方向。关键词：壁虎；爬墙机器人；原理一、综述机器人是一门高度交叉的综合性学科，涉及到机械学、生物学、控制论与控制工程学、计算机科学与工程、信息科学、光学、电子工程学、传感技术、人工智能、人类学、社会学等诸多学科。自从1959年美国制造世界上第一台工业机器人起，机器人的发展经历了示教(工业)机器人、感知(遥控)机器人、智能机器人三

2、个阶段，仿生机器人也可以作为其中较为独特的一支。仿生机器人以仿生学为核心的相关学科进行研究，运动仿生、感知仿生、控制仿生、能量仿生、材料仿生等诸多基础仿生技术的深入研究为仿生机器人的发展提供了一定的理论基础和技术支持。根据仿生机器人的运动方式可以将机器人分为爬行机器人、飞行机器人、跳跃机器人以及水下机器人等，这些机器人在人类的生活、生产和军事中发挥了许多独特的作用。因爬行机器人多在陆地上运动，方便控制，所以爬行机器人的研究最为广泛。仿生爬行机器人根据仿生类型的不同，又可以具体分为爬壁机器人、仿蛇机器人、仿蜘蛛机器人、仿蚯蚓机器人、仿

3、昆虫机器人等，本文介绍的仿壁虎爬行机器人即属于爬壁机器人的一种。爬壁机器人的诞生是科学研究与实际生产的双重需要。就科学研究而言，对爬壁机器人的研究可以有力的促进仿生机械学的发展。对动物来说，运动是其捕食、逃逸、生殖、繁衍等行为的基础。而对机器人来说，运动也是现代机器人实现各种功能的基础。其中能够在光滑或粗糙的各种表面上自如运动的可控移动系统，即三维空间无障碍机器人(简称3DoF-3dimensional-terrainobstaclefree机器人即我们称作的爬壁机器人)是这类机器人的重要分支，其研究和研制水平已成为衡量一个国家科技

4、水平的重要标志之一。就实际生产生活而言，人们也迫切要求爬壁机器人的出现。我们在实际生产过程中经常会碰到一些需要人们在危险陡峭的竖直面上作业的情况，比如大厦外壁清洗、船舶检测、航天舱外维修等等情况，此时就到了爬壁机器人大显身手的时候了。而在反恐、救援、首脑保卫、特种侦察等公共和国家安全领域以及狭小空间检测等在特殊环境下的作业，则更需要爬壁机器人的帮忙。二、壁虎的工作原理几个世纪以来,人们一直惊讶一些动物如壁虎、蚊子、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。

5、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1965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100—1000根绒毛组成,每根

6、绒毛的半径大约在012—014μm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。虽然全世界的壁虎有1000多种,每种壁虎在体重身长方面各具差异,但基本吸、脱附机理是一致的。Irschick用东京壁虎作为研究对象发现其脚底每平方毫米约有5000根刚毛,每100mm2能产生10N的吸附力,因此每根刚毛产生平均20μN的力,011NPmm2的压强。1、壁虎的吸附机制壁虎的刚毛和绒毛都是由β角蛋白(β2kerati

7、n)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1—2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=1μm,D≈013nm,令Hamaker常数H≈10-19J,计算出单根绒毛产生的吸引力约为200nN。一根刚毛由100—1000根绒毛组成,则它产生的吸附力为2

8、0—200μN。实际测得单根刚毛的最大吸附力为(194±25)μN,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产生很大的影响,而这层水分子