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爪刺式爬壁机器人仿生机理与系统研究

刘彦伟  
【摘要】:三维空间无障碍运动(Three dimensional obstacle-free,TDOF)是未来机器人技术的主要发展方向之一,在灾难搜救、空间探测、危险环境作业、军事侦察等领域具有重要的应用价值。实现在竖直壁面与顶面(天花板)上稳定攀爬是机器人实现三维空间无障碍运动的关键技术之一。爬壁机器人通常采用真空吸盘、磁铁和普通粘附材料作为粘附方式。然而,自然界和人类生活环境中大多数壁面是粗糙、多孔、多裂缝且布满灰尘的(例如石头、水泥、砖块外墙面),这三种粘附方式均不适用。近年来,受到壁虎、甲虫等可以在墙面上攀爬的动物的启发,以干粘附、湿粘附及爪刺抓附为代表的仿生粘附方式开始兴起。目前,人造仿生干粘附和湿粘附材料只适用于洁净、光滑的壁面,目前还不能适应粗糙和多灰尘的壁面。爪刺在昆虫中普遍存在,几乎所有的昆虫在粗糙壁面上攀爬时均有爪刺参与,或是作为主要的粘附方式,或是作为重要的辅助粘附方式。针对粗糙和多灰尘壁面,论文从仿生的角度出发,开展了爪刺式爬壁机器人仿生机理与系统研究。 论文首先观察和测试了昆虫足部爪刺微观结构特征,并建立了爪刺-壁面接触模型及爪刺协同作用模型来分析爪刺抓附功能特征机理。然后对昆虫柔性足部结构进行功能模仿,设计了仿生柔性爪刺足与仿生柔性爪刺对抓足结构。最后基于仿生柔性爪刺足及仿生柔性爪刺对抓足结构,对爬壁机器人进行系统研究,并研制了三台爬壁机器人原理样机。最终实现了机器人在粗糙的竖直壁面与顶面上稳定攀爬的功能,验证了仿生柔性爪刺足设计的有效性,为三维空间无障碍运动机器人研究提供了关键技术与理论基础。论文的主要研究成果与创新如下:(1)建立了爪刺-壁面接触模型及爪刺协同作用模型,分析了各特征参数对其足 部抓附性能的影响,为仿生柔性爪刺足的设计提供理论依据。(2)受到昆虫足部柔性跗节链结构的启发,设计了仿生柔性爪刺足片,并首次提 出基于单一材料实现爪刺足片柔性功能的设计方法。相比斯坦福大学科研人员利用先进的SDM(形状沉积制造)技术制备的刚柔混合柔性爪刺足片,该仿生柔性爪刺足片设计对加工工艺的要求低,可以通过成熟的SLS(选择性激光烧结)3D打印技术制造,且可以实现整个仿生柔性爪刺足一体成型,足部的结构更加紧凑,抓附性能更好。 (3)结合仿生柔性爪刺足与轮式机器人设计的优点,设计了轮式爬壁机器人,并 建立了多爪刺-壁面接触模型,优化了机器人结构,提高了机器人爬壁性能。该轮式机器人结构简单,机动性好,可以实现在竖直粗糙壁面上快速攀爬及地面到竖直壁面间的过渡,爬行速度达10cm/s。 (4)基于仿生柔性爪刺足,设计了单电机驱动的轮足混合爬壁机器人。机器人采用切比雪夫连杆机构对昆虫足部运动过程进行模仿,其足端“D”字形运动轨迹使爪刺足的抓附性能更加稳定、脱附更加容易,是首台可以同时实现在坚硬粗糙壁面上与柔软易变形壁面(例如窗帘、蚊帐)上攀爬的机器人。 (5)基于仿生柔性爪刺足,设计了仿生柔性爪刺对抓足,机器人足部的抓附性能得到了显著提高,法向负载能力高达自重的十倍。基于仿生柔性爪刺对抓足设计的仿尺蠖两足爬壁机器人首次实现了利用爪刺抓附方式在粗糙壁面上全方位攀爬及粗糙顶面上攀爬的功能,该机器人还具备壁面间过渡的能力。


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