爪刺式爬壁機(jī)器人仿生機(jī)理與系統(tǒng)研究.pdf

1、三維空間無(wú)障礙運(yùn)動(dòng)(Three dimensional obstacle-free,TDOF)是未來(lái)機(jī)器人技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，在災(zāi)難搜救、空間探測(cè)、危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)、軍事偵察等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。實(shí)現(xiàn)在豎直壁面與項(xiàng)面（天花板）上穩(wěn)定攀爬是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)三維空間無(wú)障礙運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。爬壁機(jī)器人通常采用真空吸盤(pán)、磁鐵和普通粘附材料作為粘附方式。然而，自然界和人類(lèi)生活環(huán)境中大多數(shù)壁面是粗糙、多孔、多裂縫且布滿(mǎn)灰塵的（例如石頭、水泥、磚塊外

2、墻面），這三種粘附方式均不適用。近年來(lái)，受到壁虎、甲蟲(chóng)等可以在墻面上攀爬的動(dòng)物的啟發(fā)，以干粘附、濕粘附及爪刺抓附為代表的仿生粘附方式開(kāi)始興起。目前，人造仿生干粘附和濕粘附材料只適用于潔凈、光滑的壁面，目前還不能適應(yīng)粗糙和多灰塵的壁面。爪刺在昆蟲(chóng)中普遍存在，幾乎所有的昆蟲(chóng)在粗糙壁面上攀爬時(shí)均有爪刺參與，或是作為主要的粘附方式，或是作為重要的輔助粘附方式。針對(duì)粗糙和多灰塵壁面，論文從仿生的角度出發(fā)，開(kāi)展了爪刺式爬壁機(jī)器人仿生機(jī)理與系統(tǒng)研究。

3、
　　論文首先觀察和測(cè)試了昆蟲(chóng)足部爪刺微觀結(jié)構(gòu)特征，并建立了爪刺-壁面接觸模型及爪刺協(xié)同作用模型來(lái)分析爪刺抓附功能特征機(jī)理。然后對(duì)昆蟲(chóng)柔性足部結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能模仿，設(shè)計(jì)了仿生柔性爪刺足與仿生柔性爪刺對(duì)抓足結(jié)構(gòu)。最后基于仿生柔性爪刺足及仿生柔性爪刺對(duì)抓足結(jié)構(gòu)，對(duì)爬壁機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)研究，并研制了三臺(tái)爬壁機(jī)器人原理樣機(jī)。最終實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在粗糙的豎直壁面與頂面上穩(wěn)定攀爬的功能，驗(yàn)證了仿生柔性爪刺足設(shè)計(jì)的有效性，為三維空間無(wú)障礙運(yùn)動(dòng)機(jī)器人研究提

4、供了關(guān)鍵技術(shù)與理論基礎(chǔ)。論文的主要研究成果與創(chuàng)新如下:
　　(1)建立了爪刺-壁面接觸模型及爪刺協(xié)同作用模型，分析了各特征參數(shù)對(duì)其足部抓附性能的影響，為仿生柔性爪刺足的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
　　(2)受到昆蟲(chóng)足部柔性跗節(jié)鏈結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了仿生柔性爪刺足片，并首次提出基于單一材料實(shí)現(xiàn)爪刺足片柔性功能的設(shè)計(jì)方法。相比斯坦福大學(xué)科研人員利用先進(jìn)的SDM（形狀沉積制造）技術(shù)制備的剛?cè)峄旌先嵝宰Υ套闫?，該仿生柔性爪刺足片設(shè)計(jì)對(duì)加工工藝

5、的要求低，可以通過(guò)成熟的SLS（選擇性激光燒結(jié)）3D打印技術(shù)制造，且可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)仿生柔性爪刺足一體成型，足部的結(jié)構(gòu)更加緊湊，抓附性能更好。
　　(3)結(jié)合仿生柔性爪刺足與輪式機(jī)器人設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了輪式爬壁機(jī)器人，并建立了多爪刺-壁面接觸模型，優(yōu)化了機(jī)器人結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)器人爬壁性能。該輪式機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)動(dòng)性好，可以實(shí)現(xiàn)在豎直粗糙壁面上快速攀爬及地面到豎直壁面間的過(guò)渡，爬行速度達(dá)10cm/s。
　　(4)基于仿生柔性爪刺足

6、，設(shè)計(jì)了單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輪足混合爬壁機(jī)器人。機(jī)器人采用切比雪夫連桿機(jī)構(gòu)對(duì)昆蟲(chóng)足部運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模仿，其足端“D”字形運(yùn)動(dòng)軌跡使爪刺足的抓附性能更加穩(wěn)定、脫附更加容易，是首臺(tái)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)在堅(jiān)硬粗糙壁面上與柔軟易變形壁面（例如窗簾、蚊帳）上攀爬的機(jī)器人。
　　(5)基于仿生柔性爪刺足，設(shè)計(jì)了仿生柔性爪刺對(duì)抓足，機(jī)器人足部的抓附性能得到了顯著提高，法向負(fù)載能力高達(dá)自重的十倍。基于仿生柔性爪刺對(duì)抓足設(shè)計(jì)的仿尺蠖兩足爬壁機(jī)器人首次實(shí)現(xiàn)了利用爪刺抓