仿壁虎機(jī)器人研究【文獻(xiàn)綜述】

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1、畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化仿壁虎機(jī)器人研究一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀機(jī)器人不但可以提高生產(chǎn)效率,還可以代替人們從事乏味、勞累和危險(xiǎn)的工作,甚至能完成人們所不能完成的工作,因此越來(lái)越受到人們的重視。隨著人們對(duì)探索太空、海洋開(kāi)發(fā)等需求的日益增加，人們對(duì)機(jī)器人的要求提出了更高的要求。而大自然經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的進(jìn)化，已經(jīng)形成了最優(yōu)化的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，這為人類(lèi)的創(chuàng)新提供了天然的寶庫(kù)。仿生機(jī)器人就是模仿生物運(yùn)動(dòng)原理，行為方式等的機(jī)器人系統(tǒng)。壁虎是一種體背腹扁平，身上排列著粒鱗或雜有疣鱗。指、趾端擴(kuò)展，其下方形成皮膚褶襞，密布腺毛，有粘附能力，可在墻壁、天花板或光滑的平面上迅速爬行。的動(dòng)物

2、?？茖W(xué)家以此為研究對(duì)象，研制出了各式各樣的爬壁機(jī)器人。爬壁機(jī)器人在民用及軍用上有著極其廣泛的應(yīng)用，民用領(lǐng)域他可以代替人們清洗高樓大廈的外墻面和玻璃，檢測(cè)艦船船體等，在軍用領(lǐng)域，可以進(jìn)行竊聽(tīng)等。因而越來(lái)越受到人們的的重視。而傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人的吸附原理限制了其工作環(huán)境和范圍。而壁虎的吸附原理為突破傳統(tǒng)機(jī)器人的限制提供了新的研究方向。目前仿壁虎機(jī)器人技術(shù)的研究主要分為吸附技術(shù)的研究與移動(dòng)技術(shù)的研究,吸附技術(shù)研究主要是圍繞研制仿壁虎腳掌的吸附材料展開(kāi),移動(dòng)技術(shù)則主要是模仿生物的靈巧移動(dòng)方式.目前,美國(guó)、日本等西方發(fā)達(dá)國(guó)家都在開(kāi)展仿壁虎機(jī)器人方面的研究,美國(guó)處在領(lǐng)先的位置,但仍處于初

3、步階段。我國(guó)也已開(kāi)展這方面的研究,其中在壁面清洗方面實(shí)現(xiàn)了爬壁機(jī)器人的應(yīng)用,在壁虎腳掌吸附材料研制上也取得一定成果,但距離國(guó)外研究水平仍有一定的差距[1]。二、研究主要成果。圖1（左）所示美國(guó)斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究小組在2006年開(kāi)發(fā)出的一種仿壁虎機(jī)器人,稱(chēng)為Sticky2Bot，Stickybot[2]具有4只粘性腳足，每個(gè)腳足有4個(gè)腳趾，趾底長(zhǎng)著數(shù)百萬(wàn)個(gè)極其微小的用于粘附的人造毛發(fā)(由人造橡膠制成)4。每個(gè)腳趾都有腳筋，腳筋可以實(shí)現(xiàn)腳趾的外翻與展平，圖1（右）每個(gè)腳足上的4個(gè)腳圖1筋可以聯(lián)動(dòng)，從而輕松實(shí)現(xiàn)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。壁虎的

4、腿是個(gè)四桿機(jī)構(gòu),依靠一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)腿的前后移動(dòng)，并借助另外一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)四桿機(jī)構(gòu)平面的轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)抬腿動(dòng)作。此外，應(yīng)該另有一個(gè)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)壁虎腳趾的驅(qū)動(dòng)。Stickybot從吸附原理、運(yùn)動(dòng)形式、機(jī)器人外形上都比較接近真實(shí)的壁虎。加州大學(xué)伯克利分校與iRobot合作開(kāi)發(fā)了Mecho2Gecko壁虎機(jī)器人[3]，如圖2所示。Mecho2Gecko是兩輪驅(qū)動(dòng)的四輪式機(jī)器人，驅(qū)動(dòng)輪上長(zhǎng)有三足，通過(guò)在足上預(yù)裝粘合劑和剝離粘合劑來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壁面的吸附。其結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜。他們后面又設(shè)計(jì)了6腿的壁虎機(jī)器人Hexa2Gecko[4]。圖2東京工藝研究院和Isikawajima2Harima重工業(yè)有限

5、公司聯(lián)合設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了/忍者0機(jī)器人[5],如圖3所示。忍者0機(jī)器人的吸附方式采用的是一種被稱(chēng)作VM(汽門(mén)復(fù)合管理)的高功效真空吸盤(pán)，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(gè)真空吸盤(pán)的足，每條腿都有3個(gè)自由度，可以往3個(gè)方向挪動(dòng)。該機(jī)器人可以很方便地實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退，也可以橫向移動(dòng)，也很容易實(shí)現(xiàn)墻面過(guò)渡，它的移動(dòng)方式是與移動(dòng)方向同側(cè)的兩條腿吸附在墻上，另外兩條腿移動(dòng)，然后交換,如此交替實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。/忍者03自由度的平行機(jī)構(gòu)使得它能承受高負(fù)荷，但它的吸附裝置和移動(dòng)機(jī)構(gòu)也使得機(jī)器人的自身重量很大，四條腿的控制也很復(fù)雜。上海大學(xué)談士力等人設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了面向球形存儲(chǔ)罐檢修的球

6、面移圖3動(dòng)爬壁機(jī)器人[6],它采用真空吸附方式和腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu),可以適應(yīng)不同曲率半徑的曲面,并可跨越300mm高的障礙.哈爾濱工業(yè)大學(xué)是我國(guó)較早開(kāi)展爬壁機(jī)器人研究的單位之一。他們開(kāi)發(fā)的CLR22型壁面清洗爬壁機(jī)器人2000年在北京國(guó)貿(mào)大廈正式投入使用。CLR224采用圓形的吸盤(pán)進(jìn)行吸附.最近哈爾濱工業(yè)大學(xué)李滿(mǎn)天等人開(kāi)始了微小型爬壁機(jī)器人技術(shù)的研究，研制出雙足尺蠖爬壁機(jī)器人。該爬壁機(jī)器人采用負(fù)壓吸附方式，由微型泵抽出吸盤(pán)中的空氣，可在磚墻面上實(shí)現(xiàn)吸附。尺蠖機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)不同法向平面的過(guò)渡。三、發(fā)展趨勢(shì)1、吸附方式將越來(lái)越多目前采用真空吸附方式和磁吸附方式技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，并

7、已有商用化產(chǎn)品出現(xiàn)。但它們的缺點(diǎn)也是明顯的。真空吸附方式具有不受壁面材料限制的優(yōu)點(diǎn)，并且沒(méi)有噪音，但對(duì)凹凸不平的壁面，容易漏氣。磁吸附方式，對(duì)凹凸壁面適應(yīng)性強(qiáng)，且吸附力強(qiáng)，但要求必須是導(dǎo)磁材料，因此嚴(yán)重限制了其應(yīng)用環(huán)境。目前，西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)壁虎腳掌的仿生材料研究很重視，我國(guó)南京航空航天大學(xué)也已經(jīng)開(kāi)展相關(guān)方面的研究。2、向微小型化發(fā)展微型機(jī)器人可用于小型微型管道進(jìn)行作業(yè)，可進(jìn)入狹小復(fù)雜的的環(huán)境進(jìn)行作業(yè)，可進(jìn)入人體進(jìn)行治療。因此，壁虎機(jī)器人的小型化和微型化是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì).。仿生機(jī)器人微型化的關(guān)鍵在于機(jī)電系統(tǒng)的微型化。3、移動(dòng)方式用