仿生爬壁機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

黃偉

摘 要：本文首先闡述了爬壁機(jī)器人的發(fā)展前景，然后對(duì)國(guó)內(nèi)外仿生爬壁機(jī)器人研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)小型仿生爬壁機(jī)器人的研究在構(gòu)型設(shè)計(jì)、步態(tài)分離設(shè)計(jì)等方面仍存在局限性，提出動(dòng)步態(tài)攀爬的爬壁機(jī)器人，其具有較小的能耗和較高的爬行速度。另外現(xiàn)有小型仿生爬壁機(jī)器人多采用吊繩措施輔助保護(hù)，抗跌落性能差，完成作業(yè)后的回收速度慢，因此，具有滑翔功能的多運(yùn)動(dòng)模式的仿生爬壁機(jī)器人將是今后發(fā)展的主要趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：仿生；爬壁機(jī)器人；滑翔；多運(yùn)動(dòng)模式

爬壁機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人中的一類，在特種作業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，近年來(lái)隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)步，爬壁機(jī)器人也成為機(jī)器人學(xué)研究的重要論題之一。[1]相對(duì)于加速發(fā)展的機(jī)器人技術(shù)，社會(huì)發(fā)展中生產(chǎn)、服務(wù)、環(huán)保等方面對(duì)于爬壁機(jī)器人的需求也越來(lái)越迫切。與工業(yè)機(jī)器人和地面移動(dòng)機(jī)器人不同，爬壁機(jī)器人一般受重力影響較大，因此其工作環(huán)境復(fù)雜性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則和控制方法等更為特殊，這也給該類機(jī)器人的廣泛應(yīng)用帶來(lái)了諸多的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。盡管如此，研究一種具有小型化、低功耗、可無(wú)纜工作、對(duì)各種結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)的爬壁機(jī)器人一直以來(lái)都是科學(xué)研究和工程研究工作不斷積極探索的目標(biāo)，在將來(lái)建筑物檢測(cè)、壁面清洗、管道維護(hù)、極限環(huán)境偵測(cè)、災(zāi)害救援等領(lǐng)域爬壁類機(jī)器人有著廣闊的應(yīng)用前景。[2]

1 仿生爬壁機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

仿生設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)的模塊化和輕量化設(shè)計(jì)是近年來(lái)小型爬壁機(jī)器人當(dāng)前的研究趨勢(shì)。其中仿生設(shè)計(jì)主要包括構(gòu)型仿生、步態(tài)仿生和附著方式仿生；輕量化實(shí)現(xiàn)途徑包括（1）欠驅(qū)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)耦合設(shè)計(jì)；（2）提高非金屬輕質(zhì)材料使用比例；（3）柔性結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)。近年來(lái)，有代表性的仿生爬壁機(jī)器人樣機(jī)如下：

2005年和2008年，美國(guó)Daltorio等人分別設(shè)計(jì)了兩款MiniWhegs，第一代MiniWhegs長(zhǎng)寬分別為8.9×5.4cm，重87g，四個(gè)輪式足部安裝有仿壁虎足端附著材料，能夠在豎直光滑壁面和光滑頂面上行走，攀爬速度為5.8cm/s，第二代MiniWhegs采用仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)蟑螂的胸腹結(jié)構(gòu)采用了基于兩個(gè)模塊的輪足式結(jié)構(gòu)，重166.4g，能夠由垂直壁面經(jīng)90度角爬上水平面。

2006年，美國(guó)的Asbeck等人設(shè)計(jì)的Spinybot，質(zhì)量為0.4kg，體長(zhǎng)58cm，足端同樣采用柔性的微刺結(jié)構(gòu)，6個(gè)足端由7個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，攀爬速度為2.3cm/s。

2008年，美國(guó)Spenko等研制的RiSE，采用模塊化設(shè)計(jì)、柔性微刺足端附著、腿部電機(jī)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)等方式，在3.8Kg的載體結(jié)構(gòu)上集成了12個(gè)腿部自由度，其載重能力量為1.5kg，續(xù)航時(shí)間為45min，靠其獨(dú)特的柔性微刺足端，RiSE可在不同的粗糙建筑壁面上爬行，其攀爬速度最大為4cm/s。

2010年，美國(guó)的Luther等研制了一款具有18個(gè)自由度的模塊化六足爬壁機(jī)器人DIGBot，采用了模仿鳥類指端的柔性倒鉤形足端，能夠攀爬口距較大（約1cm）的絲網(wǎng)面，DIGBot總質(zhì)量為1.8kg。

2011年，以色列的Sintov等研制的爬壁機(jī)器人CLIBO也采用了模塊化構(gòu)型和微刺附著方式，采用四肢結(jié)構(gòu)，每肢有4個(gè)自由度，CLIBO重2kg，長(zhǎng)0.75m，攀爬速度為12cm/min。

2012年，美國(guó)Paul Birkmeyer等人研制的CLASH，質(zhì)量19g，體長(zhǎng)10cm，采用六足結(jié)構(gòu)，應(yīng)用仿生吸附材料，在與水平面70度夾角的有機(jī)玻璃面上攀爬速度可達(dá)10cm/s，對(duì)于豎直粗糙布面該速度可達(dá)15cm/s。

北京航空航天大學(xué)研制的仿生毛蟲機(jī)器人采用振動(dòng)吸附和模塊化構(gòu)型，利用自重0.05kg的模塊可構(gòu)造多自由度構(gòu)型。但是，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)決定了其只能采用蠕動(dòng)步態(tài)，爬行速度低。[3]

國(guó)內(nèi)南京航空航天大學(xué)戴振東等人[4]對(duì)大壁虎的運(yùn)動(dòng)體態(tài)及步態(tài)，關(guān)節(jié)角及質(zhì)心運(yùn)動(dòng)規(guī)律，足端接觸力等進(jìn)行了長(zhǎng)期的仿生研究，并在此基礎(chǔ)之上研制出多代仿壁虎機(jī)器人樣機(jī)IBSS。樣機(jī)每個(gè)足上有3個(gè)自由度，共有12個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。IBSS采用剛性構(gòu)件，沒(méi)有考慮壁虎的脊椎變形。

2 結(jié)論

現(xiàn)有小型仿生爬壁機(jī)器人在結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、步態(tài)分離設(shè)計(jì)以及剛度設(shè)計(jì)局限于足端，沒(méi)有從步態(tài)需求出發(fā)綜合考慮結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)性能，較之以前的傳統(tǒng)靜步態(tài)攀爬方式，具動(dòng)步態(tài)攀爬將是爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)，有較小的能耗和較高的爬行速度，同時(shí)也為機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的提高等提供了新的研究思路；現(xiàn)有小型仿生爬壁機(jī)器人多采用吊繩措施輔助保護(hù)，抗跌落性能差，完成作業(yè)后的回收速度慢，因此，具有滑翔功能的多運(yùn)動(dòng)模式的仿生爬壁機(jī)器人將是今后發(fā)展的主要趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]P Szynkarczyk，R Czupryniak，M Trojnacki，et al.Current State and Development Tendency in Mobile Robots for Special Applications[J].International Conference Weisic，2008，2526.

[2]K Autumn，M Buehler，AA Rizzi，et al.Robotics in scansorial environments[J].International Society for Optics and Photonics，2005，5804 （5804）：291302.

[3]Wei Wang～（a，*），Kun Wang～a，et al.Crawling gait realization of the minimodular climbing caterpillar robot[J].Progress in Natural Science，2009，（12）：18211829.

[4]成佳偉.大壁虎運(yùn)動(dòng)步態(tài)與體態(tài)特征研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.