仿生機器人-壁虎機器人

壁虎機器人摘要:首先,詳細介紹和分析了國內外仿壁虎機器人的研究現狀。然后,討論比較了仿生壁虎機器人所涉及的關鍵技術的優(yōu)缺點。最后,在前面分析比較基礎上對未來的發(fā)展趨勢進行了預測。引言：機器人不但可以提高工人的生產效率,還可以代替人類從事乏味、勞累和危險的工作,甚至完成人類不能勝任的工作,因而日益受到人們的重視。隨著人類探索太空、建設航天站、開發(fā)海洋、軍事作戰(zhàn)與反恐偵察等任務和需求的增加,人們對機器人的性能提出了更高的要求。而在35億年的進化過程中,生物體發(fā)展了靈巧的運動機構和機敏的運動模式,成為機器人技術創(chuàng)新發(fā)展的源泉之一。仿生機器人就是模仿自然界中生物的精巧結構、運動原理和行為方式等的機器人系統(tǒng)。科學家們向生物學習,創(chuàng)造出了眾多高性能的仿生機器人,如機器魚、機器蛇、機器蠅,以及各種仿生材料。壁虎是一種可在地面、陡壁、天花板等不同法向面上自由靈活運動的四足動物?？茖W家以壁虎的這種運動能力為研究模仿對象,研制出了各種爬壁機器人。爬壁機器人在民用、軍事、航天上具有廣泛的用途,因而越來越受到人們的重視.在民用領域,爬壁機器人被用來清洗大廈外壁墻面和玻璃、檢測艦船船體、檢測核密封罐等；在軍事反恐領域,爬壁機器人可用來進行偵察竊聽、研制蛙人等；在航天領域,爬壁機器人可用來進行艙外維修等。但傳統(tǒng)爬壁機器人的吸附原理和移動機理與真實壁虎毫無關系,其缺點限制了應用環(huán)境和工作范圍,而壁虎的吸附原理和移動方式為突破傳統(tǒng)爬壁機器人的限制提供了新的思路,因而成為一個新的研究方向。目前仿壁虎機器人技術的研究主要分為吸附技術的研究與移動技術的研究,吸附技術研究主要是圍繞研制仿壁虎腳掌的吸附材料展開,移動技術則主要是模仿生物的靈巧移動方式.目前,美國、日本等西方發(fā)達國家都在開展仿壁虎機器人方面的研究,美國處在領先的位置,但仍處于初步階段我國也已開展這方面的研究,其中在壁面清洗方面實現了爬壁機器人的應用,在壁虎腳掌吸附材料研制上也取得一定成果,但距離國外研究水平仍有一定的差距。壁虎的研究價值：幾個世紀以來,人們一直驚訝一些動物如壁虎、蚊子、蒼蠅等超強的吸、脫附能力。譬如:壁虎可以在各種基底上自由地爬行,即便是在很光滑的天花板上也可以1mPs的速度迅速地移動；蚊子可以輕松地粘在人體皮膚上實施叮咬；蒼蠅甚至可以粘在玻璃上。這些獨特的粘附作用源自于自然界長期的進化,研究它們吸、脫附機理對仿制與之類似的生物材料有巨大的啟示作用。古希臘哲學家亞里士多德把這種吸附力歸結為一種超自然力。Cartier、Braun等分別在1872年和1878年開始研究壁虎腳掌不同尋常的微結構,但囿于當時的科研條件,他們只能大致地推測壁虎可能具有很精細的腳掌結構。Schmidt在1904年用光學顯微鏡對壁虎腳掌進行觀察,Ruibal和Ernst在1965年利用電子顯微鏡對壁虎腳掌的微結構進行觀察,他們均觀察到壁虎腳掌是由剛毛和絨毛組成,每根剛毛又由100—1000根絨毛組成,每根絨毛的半徑大約在012—014μm之間。對壁虎微結構的觀察打開了對壁虎的超強吸、脫附機理研究的大門。Autumn于2000年在Nature發(fā)表的一篇關于壁虎微結構及吸附機理的文章掀起了全世界對壁虎研究的熱潮。壁虎的仿生原理：1.壁虎的吸附機制壁虎的剛毛和絨毛都是由β角蛋白(β2keratin)組成的,它們的楊氏模量約為1GPa。其吸附力是由范德瓦爾斯力和毛細力共同產生。Autumn等通過實驗證實了范德瓦爾斯力的作用,其大小僅僅和絨毛的大小和形狀有關而與其表面的化學性質無關。范德瓦爾斯力是永遠存在于分子間的吸引力,其作用比化學鍵能(1—5eV)小1—2個數量級。理論上,一根尖端半徑為R的絨毛與平整表面接觸(設間隙為D)時的范德瓦爾斯力為F=HRP6D2,若R=1μm,D≈013nm,令Hamaker常數H≈10-19J,計算出單根絨毛產生的吸引力約為200nN。一根剛毛由100—1000根絨毛組成,則它產生的吸附力為20—200μN。實際測得單根剛毛的最大吸附力為(194±25)μN,與理論較為符合,因此有力地證明了范德瓦爾斯力對吸附力的作用。Huber等通過實驗證實了毛細力的作用。他們發(fā)現即便是單層的水分子膜都會對結果產生很大的影響,而這層水分子膜極易由剛毛吸引空氣中的水分子得到。實驗表明吸附力隨著空氣濕度的增加而增大,當空氣濕度由0增加到70%,單根絨毛產生的吸附力增加了近一倍。絨毛與不同親水性的基底接觸時,吸附力有較大的改變。絨毛與親水性基底(接觸角為10—18)接觸產生的吸附力比與疏水性基底(接觸角為107—112)產生的吸附力大一倍,進一步證明了毛細力的作用。壁虎和基底的接觸過程本質上是壁虎腳底的絨毛和基底接觸面積不斷增大的過程。Gravish等模仿了這個過程,指出壁虎的這種分級結構(即壁虎腳掌由剛毛組成,剛毛又由絨毛組成)很容易實現絨毛和基底的大面積接觸，Varenberg等發(fā)現,決定作用力的是各接觸區(qū)域周長的總和。壁虎之所以能夠產生如此大的吸附力是因為它腳掌的絨毛多,與基底的接觸面積總周長很大。Huber等認為表面的粗糙度對作用力也有較大影響:當表面粗糙度很小或粗糙度較大時吸引力均較大,當表面粗糙度在100nm左右時達到最小,此時的粗糙度尺度和壁虎絨毛尺度相當。觀察發(fā)現壁虎總是保持著清潔的腳掌,這為它們長時間保持優(yōu)異的吸附能力提供了條件。首先,壁虎的腳掌具有超疏水性(接觸角為16019°),接觸腳掌的液體會因表面張力的作用形成液滴,只要腳掌稍微傾斜,液滴就會滾落。滾動的液滴會把一些污染物顆粒一起帶走,達到自我潔凈的效果,此過程被稱為“蓮花效應”。其次,壁虎腳底不具有腺體,不分泌黏液,它們利用腳掌與基底的摩擦使大部分污染物脫落。實驗數據表明,經過幾步的摩擦,壁虎能去掉大約一半的污染物。Lee等運用此原理制造出仿壁虎微結構的納米刷,用它們清洗不易達到的細縫(如光纖連接器)中的污垢,并取得了很好的效果。最后,壁虎保持自清潔的另一個原因是污染物與基底的作用力比絨毛與基底的作用力大,實際上,考慮到絨毛的半徑和污染物的體積,要滿足絨毛牢固地吸附污染物幾乎不可能,故壁虎腳掌能長時間保持清潔狀態(tài)。2壁虎的脫附機制壁虎與基底分離的全過程只需15ms,而且?guī)缀鯗y量不到它脫附時需要的拉力。通過實驗得出結論:當壁虎絨毛與基底的夾角大于30°時即可發(fā)生脫附現象。這個結論由高華健運用有限元模型(FEM)所證實.他們同時還指出,當夾角從30°增加到90°,分離所需要的力越來越小。以壁虎絨毛與基底接觸點為支點,絨毛另一端與基底的距離為力臂,吸附和脫附時拖拽力均平行于基底,但方向相反。脫附時的力臂遠遠大于吸附過程中的力臂,由杠桿原理知,壁虎僅需用很小的力即可讓絨毛與基底分離。另外一種解釋是在脫附時,剛毛因壓縮而變形,彈性能儲存于絨毛中,當能量釋放時,絨毛如橡皮筋一樣地彈出去,從而不需要任何拉力便可脫離基底。這種現象和Russell觀察的一致。幾種關鍵技術：1.二維力傳感器的研制：在用于仿生粘性材料力學性能測試的綜合實驗臺中，測力部分是關鍵的環(huán)節(jié)。研制了一種二維小量程力傳感器，利用應力集中原則對二維力傳感器彈性體局部削弱，結合材料力學理論和有限元軟件ANSYS對彈性體進行優(yōu)化仿真設計，確定彈性體結構各參數值；利用ANSYS后處理器中提供的路徑映射技術，在傳感器彈性體應變最大的區(qū)域，確定彈性體應變片的最佳貼片位置；對傳感器進行靜態(tài)標定，得出其靜態(tài)性能指標。2.二維小量程力傳感器的設計：由實驗臺所完成的實驗可知，在進行壁虎、蜜蜂腳掌的仿生粘性材料（如聚氨酯等）的研究過程中，我們需要對材料進行三種功能的測試：單垂直方向的粘著力測試、單水平方向的摩擦力測試和二維運動中的粘著力和摩擦力的測試。這樣就需要研制一種能同時測量水平方向和垂直方向力的專用二維力傳感器。根據實驗要求，設計了一種平行梁結構的二維小量程力傳感器，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/硅橡膠合成試樣力學性能研究：我們已經看到，壁虎等具有全空間無障礙運動能力的動物與物體表面的接觸為剛毛接觸方式，而剛毛末端的尺寸已達到微米級以下，在這樣的尺度范圍下傳統(tǒng)宏觀接觸理論已經不再適用，我們首先討論微尺度彈性粘著力的分析方法，為仿生材料粘著力的分析以及仿壁虎剛毛陣列的設計打下一定的理論基礎；壁虎在垂直壁面和天花板爬行過程中主要依賴于其腳掌與接觸面間的粘著力和摩擦力，對不同配比的聚氨酯/硅橡膠合成試樣進行了彈性模量、法向力和粘著力之間的關系、粘著力與摩擦力之間的關系的實驗，并對實驗結果進行分析，為仿生材料的選擇提供了實驗依據。根據文獻報道，有可能成為制造仿生壁虎腳的材料有：硅橡膠、聚氨酯、聚酰亞胺、聚甲基丙烯酸甲酯等。聚氨酯橡膠在大分子結構中含有較多的氨基甲酸酯（－NHCOO－）特性基團，使得聚氨酯與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堿性，并且硬度和模量具有很寬的調節(jié)范圍，所以選用其為目標材料。原料：異氰酸酯：MDI、HDI、TDI聚四氫呋喃（分子量2000）1,4-丁二醇甘油基本化學反應如下：2nOCN-R1-NCO＋nHO-R2-O＋nHO-R3-OH→-[-CONH-R1-NHCOO-R2-OCONH-R1-NHCOO-R3-O-]n-反應原理：含羥基化合物在有或無催化劑存在下，可以從室溫到較高溫度范圍內與異氰酸酯進行反應，生成氨基甲酸酯鏈節(jié)，同時伴隨著熱量的釋放。在反應中，氫原子首先進攻異氰酸酯分子中的氮原子，而和活潑氫相連接的其他原子則加成于異氰酸酯基團中羰基的碳原子上，促成碳－氮雙鍵的加成反應。羥基與異氰酸酯化合物間的反應屬于二級反應。隨著反應混合物中羥基化合物含量的增加，該二級反應速率常數也變大。在高分子領域屬于逐步加成聚合。以前配方系列如下：A系列PTMEG：MDI：甘油（摩爾比）A-11.5：2.0：0.333南京航空航天大學碩士論文25A-21.5：2.0：0.333（重復A-1）A-31.75：2.0：0.1667A-41.85：2.0：0.100A-51.95：2.0：0.0333H系列PTMEG：HDI：甘油（摩爾比）H-11.5：2.0：0.333H-21.0：2.0：0.667H-40.8：2.0：0.800H-50.9：2.0：1.000PTMEG：BDO：HDI：甘油（摩爾比）H-30.8：0.2：2.0：0.667T系列PTMEG：TDI：甘油（質量比）T375：7.46：0.3289在A系列中異氰酸酯用MDI，主鏈含有芳環(huán)，其分子極性較大，理論上所合成材料硬度較高，耐溫性較好。在H系列中異氰酸酯用HDI，主鏈為脂肪族碳鏈，其分子鏈柔性較好，理論上所合成材料硬度較小，耐低溫性較好。在T系列中異氰酸酯用TDI，主鏈含有芳環(huán)，但芳環(huán)少于MDI。另外，在室溫時TDI為液體，操作過程優(yōu)于MDI。甘油在A，H，T系列中的作用為強制交聯，形成部分三維結構，在不影響材料溶解性的前提下，降低材料的粘性。聚四氫呋喃PTMEG是端基為伯羥基的線性特種聚醚多元醇。由于它高性能的鏈段結構能賦予聚氨酯材料優(yōu)異的低溫柔韌性、耐磨性、且耐水解，耐霉菌，機械強度高，回彈性優(yōu)異，所以主要用來制備高性能的聚氨酯。以上材料制備方法：A，H采用兩步法，T采用一步法。以上反應材料A系列沿1～5粘性增大。H系列1～5粘性減小。T系列材料粘性介于A，H之間。注：兩步法：也稱預聚體法，通過首先使用過量的異氰酸酯和端羥基聚醚進行反應，生成帶有端－NCO基團、分子量不大的齊聚物中間體，然后再與低分子量壁虎機器人腳掌仿生材料的設計和制備研究26胺類、醇類擴鏈劑混合反應，并在液態(tài)下澆注至模具，再經加熱熟化制成產品。一步法：將異氰酸酯、端羥基聚醚和胺類或醇類擴鏈劑一起混合反應，并在液態(tài)下澆注至模具，再經加熱熟化制成產品。3.1硅橡膠材料的合成思路:針對聚氨酯材料因表表面能較高，在微模塑和納模塑成型時難于脫模和有個別配方在存放和使用過程中會變硬的弊端，選用硅橡膠材料來替代（因為硅橡膠具有很好的脫模性）。選用雙組分加成型硅橡膠，采用室溫硫化澆注成型方法。具體配方：A:B1＃（1:1）3＃（1:2）5＃（1:3）綜合性能3＃（1:2）最好。但其性能低于聚氨酯性能。3.2聚氨酯/硅橡膠材料的合成思路:針對硅橡膠材料的綜合性能低于聚氨酯的情況，采用聚氨酯改性硅橡膠來提高兩類材料的綜合性能，目的是制備強度較好并有粘性的材料。聚氨酯/硅橡膠合成試樣由實驗室與中科院蘭州物理化學研究所合作澆注。具體配方：以T3聚氨酯和3＃硅橡膠為基礎，進行配比（T3無甘油）。國內外仿壁虎機器人研究現狀：1.美國圖a所示是美國斯坦福大學的一個研究小組在2006年開發(fā)出的一種仿壁虎機器人,稱為Sticky2bot。Stickybot具有4只粘性腳足,每個腳足有4個腳趾,趾底長著數百萬個極其微小的用于粘附的人造毛發(fā)(由人造橡膠制成).每個腳趾都有腳筋,腳筋可以實現腳趾的外翻與展平,如圖b所示.每個腳足上的4個腳筋可以聯動,從而輕松實現腳足與附著面的最大接觸以及腳足粘附材料與附著面的吸附與脫附。從圖上分析,壁虎的腿是個四桿機構,依靠一個電機實現腿的前后移動,并借助另外一個電機實現四桿機構平面的轉動從而實現抬腿動作。此外,應該另有一個馬達實現壁虎腳趾的驅動。Stickybot從吸附原理、運動形式、機器人外形上都比較接近真實的壁虎。ab2日本：為了實現各種法向面的靈活過渡,東京工藝研究院和Isikawajima2Harima重工業(yè)有限公司聯合設計開發(fā)了忍者0機器人,其外形和運動形式如圖c所示。忍者0機器人的吸附方式采用的是一種被稱作VM(汽門復合管理)的高功效真空吸盤,褶皺或是粗糙的墻壁都可以吸附。它有4條腿,每條腿上裝有一個真空吸盤的足,每條腿都有3個自由度,可以往3個方向挪動。該機器人可以很方便地實現前進后退,也可以橫向移動,也很容易實現墻面過渡,如圖c所示。它的移動方式是與移動方向同側的兩條腿吸附在墻上,另外兩條腿移動,然后交換,如此交替實現移動。忍者03自由度的平行機構使得它能承受高負荷,但它的吸附裝置和移動機構也使得機器人的自身重量很大,四條腿的控制也很復雜。日本三菱重工業(yè)公司正在銷售的一種磁性爬壁噴涂機器人,可以吸附在20mm以上厚度的建筑物上,磁力可達2000kgf左右,并能沿各種磁性結構運動,如鋼筋墻壁、天花板,甚至在潮濕的壁面運動,速度可達10m/min。日本應用技術研究所研制出一種車輪式磁吸附爬壁機器人。它可以吸附在各種大型構造物如油罐、球形煤氣罐、船舶等的壁面,代替人進行檢查或修理等作業(yè)。這種爬壁機器人靠磁性車輪對壁面產生吸附力,其主要特征是:行走穩(wěn)定,速度快,適用于各種形狀的壁面,且不損壞壁面的油漆。1989年,日本東京工業(yè)大學的宏油茂男研究開發(fā)了吸盤式磁吸附爬壁機器人,吸盤與壁面之間有一個很小的傾斜角度,這樣吸盤對壁面的吸力仍然很大,每個吸盤分別由一個電動機來驅動,與壁面線接觸的吸盤旋轉,爬壁機器人就隨著向前移動,這種吸附機構的吸附力可以達到很大。C3.國內壁虎機器人研究現狀:國內對仿壁虎機器人技術的研究主要是針對爬壁機器人展開的,這方面影響比較大的主要有哈爾濱工業(yè)大學與北京航空航天大學,中國科學院沈陽自動化所機器人開放實驗室與上海大學也有這方面的研究.他們的研究主要都是基于負壓吸附原理。最近,北京航空航天大學與南京航空航天大學合作展開了基于壁虎吸附原理與運動的仿壁虎機器人研究。哈爾濱工業(yè)大學是我國較早開展爬壁機器人研究的單位之一。他們開發(fā)的CLR22型壁面清洗爬壁機器人2000年在北京國貿大廈正式投入使用。CLR22采用圓形的吸盤進行吸附。最近哈爾濱工業(yè)大學李滿天等人開始了微小型爬壁機器人技術的研究,研制出雙足尺蠖爬壁機器人。該爬壁機器人采用負壓吸附方式,由微型泵抽出吸盤中的空氣,可在磚墻面上實現吸附。尺蠖機器人可以實現不同法向平面的過渡。上海大學談士力等人設計開發(fā)了面向球形存儲罐檢修的球面移動爬壁機器人,它采用真空吸附方式和腿足式移動機構,可以適應不同曲率半徑的曲面,并可跨越300mm高的障礙。北京航空航天大學機器人研究所也是國內較早開展爬壁機器