針對(duì)在軌維護(hù)的爬行機(jī)器人足粘附機(jī)理研究

蘇奕粼，侯緒研，曹盼，薛萍萍，唐天峰，李龍，陳濤，姜生元

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200444；3.蘇州大學(xué) 蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心，蘇州 215123）

針對(duì)在軌維護(hù)的爬行機(jī)器人足粘附機(jī)理研究

蘇奕粼1，侯緒研1，曹盼1，薛萍萍1，唐天峰1，李龍2，陳濤3，姜生元1

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200444；3.蘇州大學(xué) 蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心，蘇州 215123）

針對(duì)空間合作目標(biāo)航天器在軌維護(hù)任務(wù)需求，提出一種新型結(jié)構(gòu)的空間爬行機(jī)器人，可搭載于抓取機(jī)械臂上，在主動(dòng)航天器和故障目標(biāo)形成連接后，爬行移動(dòng)到故障目標(biāo)上需要維修的位置進(jìn)行維修精細(xì)操作。該機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)主要由壓電驅(qū)動(dòng)腿、微修飾粘附足組成。其微觀粘附足借鑒壁虎剛毛的粘附機(jī)理，設(shè)計(jì)微米級(jí)微陣列的機(jī)器人足端結(jié)構(gòu)。在上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，利用離散元軟件建立其仿真模型，對(duì)壁虎的強(qiáng)吸附能力和快速脫附能力進(jìn)行理論建模分析，建立單根剛毛在不同狀態(tài)下的受力模型，模擬剛毛在不同脫附角下的粘附和脫附的過(guò)程，對(duì)其單個(gè)剛毛的粘附特性進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明：在空間零重力環(huán)境下，通過(guò)不同運(yùn)動(dòng)方式可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)剛毛的吸附和快速脫附的能力。為后續(xù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人足的吸附和快速脫附的能力提供了理論支持。

仿生；微陣列；離散元；粘附力

0 引 言

空間爬行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了一種新型的空間載荷操控方式[1-3]，機(jī)器人在目標(biāo)航天器表面粘附爬行對(duì)空間載荷操縱，從而實(shí)現(xiàn)了靈活性和可達(dá)性，同時(shí)降低了操作風(fēng)險(xiǎn)，機(jī)器人具有成本低、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，便于主動(dòng)航天器執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，非常適合進(jìn)行空間非合作目標(biāo)的在軌操控任務(wù)。對(duì)空間爬行機(jī)器人進(jìn)行的研究，將對(duì)空間在軌操控任務(wù)提供有力支持，為空間活動(dòng)提供有力保障，具有重要的研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，機(jī)器人在各行各業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，其研究與應(yīng)用水平已成為一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志。爬行機(jī)器人是特種機(jī)器人的一種，是在惡劣、危險(xiǎn)、極限等情況下進(jìn)行特定作業(yè)的一種自動(dòng)化機(jī)械裝置，如今越來(lái)越受到人們的重視。為使其盡快完善，對(duì)壁面移動(dòng)機(jī)器人的研究已成為機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。目前爬行機(jī)器人已在核工業(yè)、石化工業(yè)、建筑工業(yè)、消防部門(mén)、造船業(yè)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。而對(duì)于空間環(huán)境下的爬行機(jī)器人需求，與壁面移動(dòng)機(jī)器人功能相似。

未來(lái)的空間設(shè)施將會(huì)比現(xiàn)在的衛(wèi)星和空間站更大、更復(fù)雜、更難實(shí)現(xiàn)，這就需要自主程度很高的機(jī)器人來(lái)配合大型的空間機(jī)械臂裝配、檢查和維護(hù)這些設(shè)施。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人具有的靈活性、機(jī)動(dòng)性，且便于攜帶的特點(diǎn)，空間作業(yè)中對(duì)爬行機(jī)器人的體積有著嚴(yán)格要求。因此，微小型爬行機(jī)器人的研究對(duì)空間爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。為實(shí)現(xiàn)爬行機(jī)器人的微型化、集成化，國(guó)內(nèi)外研究人員分別在仿生、新型驅(qū)動(dòng)、新材料等多方面進(jìn)行了深入研究。

空間爬行機(jī)器人的技術(shù)主要分為移動(dòng)和吸附。傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人采用的吸附技術(shù)主要有磁吸附、負(fù)壓吸附、靜電吸附和化學(xué)粘附等[4]。世界上許多國(guó)家都開(kāi)展了對(duì)爬壁機(jī)器人的研制，并取得了一定的研究成果[5-8]，如圖 1所示。

圖1 爬壁機(jī)器人Fig.1 Wall-climbing robot

1 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人機(jī)構(gòu)構(gòu)型

結(jié)合非合作目標(biāo)表面形貌未知的特性，主要考慮通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的越障能力較強(qiáng)，能夠通過(guò)凹、凸過(guò)渡。地面上傳統(tǒng)多足機(jī)器人能夠跨越的最大高度與機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。然而在空間環(huán)境下沒(méi)有重力作用，對(duì)機(jī)器人而言也沒(méi)有“頂部和底部”之分，懸浮在空間中，因此可以通過(guò)翻轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行越障，能夠跨越的障礙尺寸不受機(jī)器人本身尺寸結(jié)構(gòu)影響，只考慮機(jī)器人腿部尺寸與凹凸過(guò)渡形狀跨越關(guān)系即可。

通過(guò)對(duì)壁虎身體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析，選擇如圖 2所示的機(jī)器人機(jī)構(gòu)構(gòu)型，具有5自由度，關(guān)節(jié)自由度采用2-1-2分布。即機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)具有2個(gè)正交的自由度，而膝關(guān)節(jié)只有1個(gè)自由度，與本體連接部分具有2個(gè)正交的自由度。前端設(shè)計(jì)有兩只操作手，可以進(jìn)行維修、檢測(cè)等相關(guān)工作。該機(jī)構(gòu)在滿(mǎn)足上述要求的前提下還具有如下優(yōu)點(diǎn)：

圖2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)構(gòu)型Fig.2 Robot mechanism

1）擁有多種平面運(yùn)動(dòng)方式，有利于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的工作任務(wù)；

2）采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，擁有在任意狀態(tài)下完成工作任務(wù)的能力。

機(jī)器人本體與大腿之間由胯關(guān)節(jié)連接，大腿與小腿之間由膝關(guān)節(jié)連接，小腿和足之間由踝關(guān)節(jié)連接。機(jī)器人的胯關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)均具有2個(gè)自由度，機(jī)構(gòu)形式為旋轉(zhuǎn)-俯仰（Roll-Pitch）型，因?yàn)榭臻g環(huán)境不考慮重力，因此采用壓電馬達(dá)直驅(qū)的方式，動(dòng)力傳動(dòng)形式簡(jiǎn)單、實(shí)用，符合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

空間足式爬行機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中足起著關(guān)鍵作用，機(jī)器人的步態(tài)實(shí)現(xiàn)是通過(guò)足的交替與接觸面的粘附及關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，空間環(huán)境中足與壁面的粘附性能直接影響到機(jī)器人能否可靠粘連及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)足與接觸面間的快速可靠粘附，足底采用仿生剛毛的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 運(yùn)動(dòng)功能研究

選定機(jī)器人的關(guān)節(jié)形式后，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能作進(jìn)一步的分析，檢驗(yàn)了機(jī)器人滿(mǎn)足預(yù)期的功能。

1）行走運(yùn)動(dòng)

機(jī)器人其中4只腳吸附，另外4只釋放，抬起腿向前伸展，各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，直到足觸覺(jué)傳感器接觸平面，等待4個(gè)足均接觸并粘附后，抬起先前的4個(gè)足，向前邁步。通過(guò)行走運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬行，轉(zhuǎn)變方向以及以及從一個(gè)表面移動(dòng)到另一個(gè)表面，圖 3是通過(guò)行走運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方向的改變。圖 4是通過(guò)行走運(yùn)動(dòng)，爬行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)兩個(gè)表面的相對(duì)位置在-90°的情況下。從一個(gè)表面移動(dòng)到另一個(gè)表面的運(yùn)動(dòng)功能。

圖3 實(shí)現(xiàn)方向的轉(zhuǎn)變Fig.3 Achieve the function of changing direction

圖4 實(shí)現(xiàn)跨表面運(yùn)動(dòng)Fig.4 Achieve the function across the surface

2）翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

機(jī)器人首先一側(cè)的4個(gè)足平行放置并粘附，另外一側(cè)4個(gè)足釋放，以粘附側(cè)的4足關(guān)節(jié)為軸整體翻轉(zhuǎn)，接著再以另一側(cè)足觸覺(jué)傳感器接觸平面為準(zhǔn)，然后重復(fù)前面的翻滾動(dòng)作，如圖 5所示。通過(guò)翻轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行越障，能夠跨越的障礙尺寸不受機(jī)器人本身尺寸結(jié)構(gòu)影響，只考慮機(jī)器人腿部尺寸與凹凸過(guò)渡形狀跨越關(guān)系即可。

圖5 通過(guò)翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)越障Fig.5 Crossing an obstacle by turnover movement

2 壁虎足末端結(jié)構(gòu)分析

2.1 壁虎粘附機(jī)理的研究概況

國(guó)內(nèi)外開(kāi)展仿壁虎的研究主要圍繞壁虎粘附與脫附機(jī)理展開(kāi)。2000年，美國(guó)Autumn等測(cè)量了單根壁虎腳掌剛毛的粘附力，證明剛毛與表面接觸的粘附力是通過(guò)分子間的范德華力作用實(shí)現(xiàn)的[9-11]。

在顯微鏡下，壁虎的腳掌如圖 6所示。從圖 6中可以看出，壁虎每支腳的底部長(zhǎng)著數(shù)百萬(wàn)根極細(xì)的剛毛，而每根剛毛末端又有約400～1 000根更細(xì)的分支。1 mm2上約有5 000根長(zhǎng)度為30～130 μm的剛毛，每支腳上就有近50萬(wàn)根剛毛，每根剛毛又有400～1 000根長(zhǎng)度約0.5 μm、寬度約0.2 μm、厚度約5 nm的絨毛，納米級(jí)的絨毛與接觸表面接觸并產(chǎn)生“范德華力”，完成腳掌的附著。

圖6 壁虎腳掌的微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 The gecko’s foot microstructure

壁虎腳掌在玻璃天花板上粘附和脫附的過(guò)程如圖 7所示。壁虎附著于光滑的水平面，剛毛一律向著腳后取向，并向后拉伸，柔性腳瓣向外伸張，使剛毛最大程度地附著在物體表面上，增大粘附力；脫附時(shí)，壁虎腳掌外翻，改變剛毛的拉伸方向，便快速完成脫附，從而實(shí)現(xiàn)在光滑平面上自由行走。

圖7 壁虎腳掌在玻璃天花板上粘附和脫附的過(guò)程[12]Fig.7 Snapshots of gecko attaching and detaching from a glass ceiling[12]

2005年，高華健等對(duì)單根剛毛有限元模型的分析結(jié)果表明：30°為剛毛脫附和滑移同時(shí)發(fā)生的臨界位置。剛毛的傾斜角在30°左右時(shí)，剛毛陣列的拉開(kāi)力最大；傾斜角小于30°時(shí)，滑移先于脫附發(fā)生；傾斜角大于30°時(shí)，剛毛不會(huì)發(fā)生滑移，直接發(fā)生脫附。壁虎腳掌剛毛與接觸表面成角大于30°時(shí)切向拉伸，可實(shí)現(xiàn)法向脫附力幾乎為零的脫附[12]。

2.2 壁虎剛毛粘附理論模型分析

采用微接觸理論來(lái)分析剛毛粘附與脫附的詳細(xì)過(guò)程。微納米結(jié)構(gòu)由于具有較大的比表面積，其表面能量不可忽視甚至?xí)紦?jù)主導(dǎo)地位，這是由尺度效應(yīng)帶來(lái)的表面效應(yīng)。

JKR理論為微尺度下的經(jīng)典接觸理論，設(shè)兩個(gè)顆粒的半徑分別為R1和R2，彈性模量分別為E1和E2，泊松比分別為v1和v2如圖 8所示。

圖8 兩個(gè)顆粒的接觸示例圖Fig.8 Schematic view of two spheres pressed together

對(duì)顆粒施加的法向載荷P值與接觸半徑a的關(guān)系式為

其中：R為等效半徑；E為等效彈性模量；w為接觸面粘附功。

顆粒的變形是受到施加的法向載荷和接觸部分的粘附力的作用，當(dāng)沒(méi)有施加的法向載荷時(shí)，隨著拉伸載荷的增大會(huì)使得接觸半徑越來(lái)越小，當(dāng)a達(dá)到最小值，就是顆粒之間的最大脫附力。此時(shí)，法向載荷值為

在理論模型上，利用離散元仿真軟件EDEM，將理論模型融入現(xiàn)有的JKR模型，建立機(jī)器人足單根剛毛和航天器表面的離散元仿真模型，如圖 9所示。通過(guò)參數(shù)匹配確定機(jī)器人足、航天器表面的仿真參數(shù)以及兩者間的相互作用特性參數(shù)。進(jìn)而對(duì)機(jī)器人足粘附航天器表面的過(guò)程進(jìn)行離散元仿真，分析機(jī)器人足的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)對(duì)粘附性能的影響。

圖9 機(jī)器人足與目標(biāo)航天器接觸微觀示意圖Fig.9 Microscopic diagram of robot foot and the surface of spacecraft

單根纖維的粘附力與纖維的半徑成正比而不是面積。也就是說(shuō)，在保證總的接觸面積不變的情況下，總粘附力會(huì)隨著單個(gè)纖維半徑的減小而增大。設(shè)計(jì)具有高摩擦、低粘附特性的機(jī)器人足末端微陣列結(jié)構(gòu)，從理論和仿真兩條途徑驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。

3 粘附機(jī)理仿真研究

3.1 基于離散元的單個(gè)剛毛仿真建模

壁虎在實(shí)際爬行中，腳底末端絨毛與腳掌面成一定的角度，且受到被接觸表面的一定彈性力的作用，因此有必要分析單根粘附剛毛與接觸面間的粘附作用。效仿壁虎腳掌的剛毛結(jié)構(gòu)，首先提出一個(gè)傾斜微陣列的單個(gè)支桿模型，用離散元的方式對(duì)其建模，如圖 10，假設(shè)支桿材料與壁虎剛毛材料相同，用EDEM離散元仿真軟件對(duì)單根粘附支桿粘附分析，粘附支桿的顆粒間用bonding模型仿真，支桿與表面之間的粘附是基于JKR模型建立的。單個(gè)纖維的半徑0.02 mm，顆粒半徑為0.003 mm，粘附功為w= 2 mJ/m2。通過(guò)先預(yù)壓再拉伸單個(gè)支桿脫離物體表面仿真單個(gè)支桿的脫附過(guò)程，進(jìn)而分析其粘附特性。

圖10 單根支桿的離散元建模仿真過(guò)程Fig.10 The discrete element simulation process of a single fiber

3.2 仿真結(jié)果和分析

將重力加速度設(shè)置為零，仿真環(huán)境為真空環(huán)境。針對(duì)不同的支桿和物體表面的傾斜角，用離散元軟件仿真壁虎剛毛在粘附過(guò)程中的5種接觸狀態(tài)，對(duì)這5種狀態(tài)下的粘附情況進(jìn)行仿真與分析，得到其不同傾斜角下的法向最大粘附力。各傾斜角下的單支桿EDEM仿真模型如圖 11所示，各傾斜角下的支桿法向受力曲線如圖 12所示。

圖11 各傾斜角下的單支桿EDEM仿真模型Fig.11 The EDEM simulation model of single fiber with different slope angle

圖12 各傾斜角下的支桿法向受力曲線Fig.12 The normal stress curve of single fiber with different slope angle

從圖 12可知，當(dāng)傾斜角為0°的時(shí)候，支桿的圓柱面與物體表面接觸，支桿結(jié)構(gòu)遭到破壞發(fā)生壓潰使得其粘附特性失效。表 1是各傾斜角下的法向最大脫附力。傾斜角為30°時(shí)法向的粘附力最大，隨著傾斜角的增大使得支桿在脫附時(shí)的粘附力減小，當(dāng)傾斜角為90°時(shí)，其粘附力是30°時(shí)的1/5，這為爬行機(jī)器人的快速脫附功能提供了理論支持。

表1 各傾斜角下的法向最大脫附力Table 1 Maximum normal adhesive force in a variety of inclination angles

4 結(jié) 論

本文提出一種新型空間爬行機(jī)器人。該機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)由壓電驅(qū)動(dòng)腿，微觀粘附足，和操控機(jī)構(gòu)組成。機(jī)器人沿航天器表面失重爬行時(shí)，足末端的粘附力為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。借鑒壁虎足端的剛毛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人足端微陣列結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上利用離散元軟件EDEM，通過(guò)微小顆粒堆積的方法建立單根剛毛的離散元仿真模型，用JKR模型模擬單根剛毛在不同脫附角下與接觸表面的粘附和脫附過(guò)程，并分析其粘附特性。通過(guò)仿真結(jié)果表明：?jiǎn)蝹€(gè)剛毛在不同的傾斜角下的粘附力有所差異。這樣在空間零重力環(huán)境下，可以通過(guò)不同運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)不同的剛毛粘附狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單個(gè)剛毛的易吸附和快速脫附能力。

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Research of Adhesion Mechanism in Space Climbing Robot On-Orbit Servicing for Spacecraft

SU Yilin1，HOU Xuyan1，CAO Pan1，XUE Pingping1，TANG Tianfeng1，LI Long2，CHEN Tao3，JIANG Shengyuan1
（1.School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China；2.School of Mechatronic Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai 200444，China；3.Collaborative Innovation Center of Suzhou Nano Science and Technology，Soochow University，Soochow 215123，China）

According to the on-orbit servicing requirements of space cooperative target spacecraft，in order to expand the existing manipulator work space and its task function and provide support for the on-orbit control of the spacecraft，a new type of space climbing robot is proposed.The space climbing robot system consists of legs driven by piezoelectric，micro adhesive feet and other parts.The space climbing robot is composed of eight legs driven by piezoelectric which has three joints and five degrees of freedom.It can extend crossing obstacle ability by somersault based on the traditional way of climbing.The robot feet are designed in micro array structure that based on the bionics principle and reference the micro structure on feet of gecko，insects or other creatures.Based on the theory of interface micro mechanics and tribology，the contact mechanics model between micro structure of the adhesive feet and the surface of spacecraft is established.Then it analyzes its adhesive properties based on discrete element method.The simulation results demonstrate that using different ways of movement can achieve different adhesive ability of single seta，which provides theoretical support for achieving the robot foot adhesive and rapid stripping ability.

bionic；microarray；discrete element method；adhesive force

V467

A

2095-7777（2017）03-0293-06

[責(zé)任編輯：楊曉燕，英文審校：任樹(shù)芳]

10.15982/j.issn.2095-7777.2017.03.015

蘇奕粼，侯緒研，曹盼，等.針對(duì)在軌維護(hù)的爬行機(jī)器人足粘附機(jī)理研究[J].深空探測(cè)學(xué)報(bào)，2017，4（3）：293-298.

Reference format：Su Y L，Hou X Y，Cao P，et al.Research of adhesion mechanism in space climbing robot onorbit servicing for spacecraft[J].Journal of Deep Space Exploration，2017，4（3）：293-298.

2016-12-01

2017-02-27

863-704專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2015AA2256）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（HIT.NSRIF.2017028）

蘇奕粼（1990- ），男，博士，主要研究方向：航天器工作環(huán)境及離散元仿真。

通信地址：黑龍江省哈爾濱市哈爾濱工業(yè)大學(xué)科學(xué)園2F棟405室（150001）

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侯緒研（1982- ），男，副教授，博士，主要研究方向：航天器工作環(huán)境及離散元仿真。本文通信作者。

通信地址：黑龍江省哈爾濱市哈爾濱工業(yè)大學(xué)科學(xué)園2F棟405室（150001）

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