1、毕业论文文献综述 机械设计制造及其自动化 仿壁虎机器人研究 一、国内外研究现状 机器人不但可以提高生产效率 ,还可以代替人们从事乏味、劳累和危险的工作 ,甚至能完成人们所不能完成的工作 ,因此越来越受到人们的重视。随着人们对探索太空、海洋开发等需求的日益增加，人们对机器人的要求提出了更高的要求。而大自然经过数十亿年的进化，已经形成了最优化的形态与结构，这为人类的创新提供了天然的宝库。仿生机器人就是模仿生物运动原理，行为方式等的机器人系统。 壁虎是 一种 体背腹扁平，身上排列着粒鳞或杂有疣鳞。指、趾端扩展，其下方形成皮 肤褶襞，密布腺毛，有粘附能力，可在墙壁、天花板或光滑的平面上迅速爬行。 的动
2、物。科学家以此为研究对象，研制出了各式各样的爬壁机器人。爬壁机器人在民用及军用上有着极其广泛的应用，民用领域他可以代替人们清洗高楼大厦的外墙面和玻璃，检测舰船船体等，在军用领域，可以进行窃听等。因而越来越受到人们的的重视。 而传统爬壁机器人的吸附原理限制了其工作环境和范围。而壁虎的吸附原理为突破传统机器人的限制提供了新的研究方向。 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
3、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 1。 二、研究主要成果。 图 1（左）所示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，Stickybot2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发(由人造橡胶制成 )。每个脚趾都有脚1 筋，脚筋 可以 实现脚 趾的外 翻与 展平， 图 1（ 右）每 个脚 足上的 4 个脚 图 1 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
4、附材料与附着面的吸附与脱附。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。 加州大学伯克利分校与 iRobot 合作开发了Mecho2Gecko 壁 虎机 器人 3， 如图 2 所 示。Mecho2Gecko 是两轮驱动的四轮式机器人，驱动轮上长有三足，通过在足上预装粘合剂和剥离粘合剂来实现对壁面的吸附。其结构相对比较复杂。他们后面又设计了 6 腿的壁虎机器人Hexa2Gecko4。 图 2 东京工艺研究院和
5、Isikawajima2Harima 重工业有限公司联合设计开发了 /忍者 0 机器人 5, 如图 3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，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
6、也很复杂。 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 图 3 动爬壁机器人 6,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 . 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2 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。 三、发展趋
7、势 1、吸附方式将越来越多 目前采用真空吸附方式和磁吸附方式技术已经相对成熟，并已有商用化产品出现。但它们的缺点也是明显的。真空吸附方式具有不受壁面材料限制的优点，并且没有噪音，但对凹凸不平的壁面，容易漏气。磁吸附方式，对凹凸壁面适应性强，且吸附力强，但要求必须是导磁材料，因此严重限制了其应用环境。目前，西方发达国家对壁虎脚掌的仿生材料研究很重视，我国南京航空航天大学也已经开展相关方面的研究。 2、向微小型化发展 微型机器人可用于小型微型管道进行作业，可进入狭小复杂的的环境进行作业，可进入人体进行治疗。因此，壁虎机器人的小型化和微型化是一个发展趋势 .。仿生机器人微型化的关键在于机电系统的微型
8、化。 3、移动方式用腿足式 目前机器人的移动方式有轮式、履带式、足式。轮式具有移动速度快、控制灵活，但穿越障碍能力差。履带式对壁面适应能力强，接触面积大，但不易转弯。腿足式具有移动灵活，地面适应能力强，但移动缓慢，控制复杂。正是由于腿足式移动结构运动灵活 ,适应能力强 ,而且能够跨越障碍物 ,因此腿足式结构将在爬壁机器人上 ,有着良好的应用前景。 4、智能化发展 由于 各种新型传感器不断出现 ,例如 ,超声波触觉传 感器、静电电容式距离传感器、基于光纤陀螺惯性测量的三维运动传感器 ,以及具有工件检测、识别和定位功能的视觉系统等。多传感器集成与融合技术 ，大大提高了机器人的容错性，为机器人的智能
9、化奠定了基础。 四、存在问题 1、有些机器人体积和重量很大。在实际应用中未必有足够大的空间能够容纳它们或者根本不允许体积较大的机器人出现。 2、大多数机器人的承载能力不强，从而导致它们没有能力承载视觉设备。而且机器人的视觉研究也不太成熟，而视觉正式机器人实现自主化和智能化的关键之一。 3、行走敏捷性方面。机器人有很好的地面适应能力，但 在某些地貌，其行走效率3 很低，而且在机器人步态步行方面研究比较缺乏。 参考文献 1 王田苗 , 孟偲 , 裴葆青 , 戴 振东 . 仿 壁 虎 机 器 人 研究 综 述 J. 机器人 ,2007,29(3):290-297. 2 新浪科技 . 美 国 开 发
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