一種基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生四足爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)

王思遠(yuǎn)

（河北工程大學(xué)，河北 石家莊056002）

爬壁機(jī)器人是一種始于20世紀(jì)60年代的機(jī)器人，世界上最早的爬壁機(jī)器人是由日本西亮（Nishi AKira）教授所研制的一種負(fù)壓吸附爬壁機(jī)器人。由于爬壁機(jī)器人可以在水平豎直乃至天花板等地自由的移動(dòng)，從上世紀(jì)80年代起，爬壁機(jī)器人開(kāi)始逐漸被應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)活動(dòng)之中，例如最早出現(xiàn)的負(fù)壓吸附爬壁機(jī)器人，目前已被廣泛應(yīng)用于墻壁清潔，墻壁質(zhì)量檢測(cè)乃至反恐偵查等領(lǐng)域。時(shí)至今日，隨著人們對(duì)于爬壁機(jī)器人的重視程度逐漸提高，自爬壁機(jī)器人誕生以來(lái)的60年中，產(chǎn)生了諸如磁吸附、旋翼吸附、仿生吸附等眾多新型的吸附方式，大大拓展了爬壁機(jī)器人的可應(yīng)用范圍，在最近的十年里，人們對(duì)仿生吸附爬壁機(jī)器人的研究熱情逐年高漲，不僅因其科幻感十足的外表，更因?yàn)榉律辣跈C(jī)器人在體型以及吸附原理上的優(yōu)勢(shì)，可以代替人類深入裂縫、坍塌物、深井、充滿煙塵等眾多危險(xiǎn)空間內(nèi)完成諸如勘探、偵查、質(zhì)檢一類的任務(wù)。本文以壁虎（gecko）作為仿生對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生四足爬壁機(jī)器人，本文將就仿生爬壁機(jī)器人的原理及發(fā)展、基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生四足爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，最后進(jìn)行了展望與總結(jié)。

1 仿生爬壁機(jī)器人的原理及發(fā)展

1.1 仿生爬壁機(jī)器人的原理

仿生爬壁機(jī)器人的吸附原理可分為兩類，干吸附及濕吸附。

吸附時(shí)不涉及粘附液體的分泌。僅依靠生物足部的剛毛結(jié)構(gòu)與壁面間接觸時(shí)產(chǎn)生的范德華力（van der waals force）進(jìn)行吸附的吸附方式被稱為干吸附。以壁虎（gecko）為例，壁虎的腳趾有許多褶皺，在這些褶皺上緊密地分布著許多剛毛，在每根剛毛的頂部又細(xì)分出許多絨毛，在壁虎需要將足部吸附在墻壁上時(shí)，壁虎會(huì)將腳趾向內(nèi)彎曲，使褶皺上的剛毛與壁面緊密接觸，由于剛毛的數(shù)量眾多且結(jié)構(gòu)細(xì)微，因而可以很好地適應(yīng)墻壁上諸如凹坑一類的結(jié)構(gòu)起伏，在保證剛毛與墻壁間的接觸面積后，剛毛頂部的絨毛會(huì)產(chǎn)生足夠大的分子間作用力，即范德華力（van der waals force），保證了壁虎與墻體間的緊密吸附；當(dāng)壁虎需要與壁面間脫附時(shí)，會(huì)將腳趾向外彎曲，這時(shí)褶皺張開(kāi)，減少了剛毛結(jié)構(gòu)與壁面的接觸面積，從而減小了足底與墻壁間的范德華力（van der waals force），由此即可實(shí)現(xiàn)腳底與壁面間的脫附。壁虎依靠這種獨(dú)特的腳趾內(nèi)翻-外翻機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)在墻壁上的快速移動(dòng)，并且可以保護(hù)自身脆弱的剛毛結(jié)構(gòu)不受損壞，如圖1和圖2。

圖1 壁虎腳掌結(jié)構(gòu)圖

圖2 壁虎足底剛毛

依靠動(dòng)物分泌的吸附液體與壁面進(jìn)行吸附的吸附方式稱為濕吸附。以樹(shù)蛙為例，樹(shù)蛙腳趾上有許多多邊形結(jié)構(gòu)，粘附液體可以從這些多邊形結(jié)構(gòu)的縫隙中流出，使樹(shù)蛙腳底形成多邊形結(jié)構(gòu)-粘附液-墻壁的三層結(jié)構(gòu)，保證了吸附的強(qiáng)度。

1.2 仿生爬壁機(jī)器人的發(fā)展

目前各國(guó)研究的重點(diǎn)一般為干吸附爬壁機(jī)器人，濕吸附由于其設(shè)計(jì)粘附液的分泌，目前濕吸附爬壁機(jī)器人的研究領(lǐng)域尚少有人涉足。目前比較有代表性的干粘附仿生爬壁機(jī)器人如美國(guó)斯坦福大學(xué)研制的Stickybot[1]（圖3），中國(guó)南航大學(xué)戴振東教授研究的一系列壁虎仿生爬壁機(jī)器人等等。這類機(jī)器人如上文所述，采用范德華力（van der waals force）進(jìn)行吸附；除了以壁虎為仿生對(duì)象以外，劉彥偉與其團(tuán)隊(duì)還研究了一種爪刺式仿尺蠖爬壁機(jī)器人[2]（圖4）和一種仿生爪刺式雙足爬壁機(jī)器人[3]（圖5），這類機(jī)器人利用爪刺刺入墻體內(nèi)或懸掛在墻壁的凸起上進(jìn)行吸附，對(duì)于墻體的表面質(zhì)量有一定程度的要求。

圖3 Stickybot

圖4 一種爪刺式仿尺蠖爬壁機(jī)器人

圖5 一種仿生爪刺式雙足爬壁機(jī)器人

2 一種基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生四足爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以壁虎（gecko）為仿生對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生四足爬壁機(jī)器人，經(jīng)過(guò)一些調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)目前常見(jiàn)的一些仿生四足爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)中存在著一些問(wèn)題，其一，在模仿仿生目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)，往往需要依賴大量舵機(jī)以模仿仿生目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)時(shí)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，如李達(dá)等人研制的一種類壁虎機(jī)器人[4]，為了模仿壁虎的抬腿及前伸等動(dòng)作，用到的舵機(jī)多達(dá)12個(gè)，過(guò)多的使用舵機(jī)會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人控制的復(fù)雜化，同步性差，增加調(diào)試難度，導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性降低，并且會(huì)造成機(jī)器人負(fù)載過(guò)重；其二，目前常見(jiàn)的類壁虎爬壁機(jī)器人較少采用壁虎腳趾的內(nèi)翻-外翻機(jī)制作為脫附機(jī)制，而是單純的采用抬升-撕裂的脫附方式，導(dǎo)致剛毛結(jié)構(gòu)在使用一段時(shí)間后會(huì)由于過(guò)度的撕裂而被破壞，影響粘附效果。

本設(shè)計(jì)針對(duì)上述問(wèn)題，創(chuàng)新性地應(yīng)用連桿機(jī)構(gòu)和一種由Hongtao Zhao等人設(shè)計(jì)的電熱敏執(zhí)行器（ETSA）[5]到機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出的機(jī)器人結(jié)構(gòu)精巧，傳動(dòng)可靠，可以作為上述問(wèn)題的解決方案。

2.1 機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)

結(jié)合圖6，如圖7所示，本設(shè)計(jì)由頭部-1，右前腿-2，舵機(jī)1-3，前身-4，電源-5，右后腿-6，舵機(jī)2-7，尾巴-8，舵機(jī)3-9，左后腿-10，后身-11，腰部-12，左前腿-13，舵機(jī)4-14組成。

圖6 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)概覽

圖7 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖

機(jī)器人的四條腿均通過(guò)懸臂梁與身體相接。在安裝時(shí)為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走時(shí)的對(duì)角步態(tài)，機(jī)器人的左前腿與右前腿，左后腿和右后腿，原動(dòng)節(jié)安裝時(shí)存在180°的角度差，而同側(cè)的前腿與后腿原動(dòng)節(jié)在安裝時(shí)不存在角度差。為了使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)以及站立時(shí)更加平穩(wěn)，前后同側(cè)的機(jī)器人腿部用了反裝的方式，即彎曲方向相反。

機(jī)器人的前身-4與后身-11在與腰部-12連接時(shí)均采用球形關(guān)節(jié)連接，這樣可以使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)避免遇到由于壁面高度落差而引起足部無(wú)法著地的情況。

機(jī)器人的頭部-1與尾巴-8分別安裝在前身-4與后身-11上，起裝飾作用，同時(shí)尾巴-8還起到平衡機(jī)器人身體的作用。

2.2 機(jī)器人的腿部構(gòu)造

如圖8至圖11所示，外伸梁-15,25,33,49，原動(dòng)節(jié)-23,24,34,42，傳動(dòng)節(jié)-22,27,35,48，中間節(jié)1-17,31,37,45，中間節(jié)2-18,28,39,46，從動(dòng)節(jié)1-21,32,36,43，從動(dòng)節(jié)2-16,26,41,50，從動(dòng)節(jié)3-20,30,38,44，足部-19,29,40,47。

圖8 機(jī)器人左前腿

圖9 機(jī)器人右前腿

圖10 機(jī)器人左后腿

圖11 機(jī)器人右后腿

本設(shè)計(jì)采用切比雪夫連桿機(jī)構(gòu)，腿部各節(jié)長(zhǎng)度比例為原動(dòng)節(jié)∶中間節(jié)∶從動(dòng)節(jié)∶傳動(dòng)節(jié)=1∶2∶2.5∶5。由于切比雪夫連桿可以在單一動(dòng)力源的作用下同時(shí)完成機(jī)器人腿部的上下抬升以及前后運(yùn)動(dòng)，故整個(gè)機(jī)器人僅需4個(gè)舵機(jī)即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，十分方便可靠，除此之外，由于機(jī)器人采用腿足式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，擁有很強(qiáng)的跨障性

2.3 機(jī)器人足部構(gòu)造

如圖12，機(jī)器人足部由吸附剛毛-51，電熱敏執(zhí)行器（ETSA）-52，導(dǎo)向溝槽-53三部分構(gòu)成，電熱敏執(zhí)行器是一種雙晶片執(zhí)行器，在一定大小的電壓作用下，可以產(chǎn)生十分強(qiáng)大的阻斷力，進(jìn)而使機(jī)器人足部腳趾處沿垂直于導(dǎo)向凹槽的方向彎曲，以達(dá)到模仿壁虎腳趾外翻使足底與墻壁脫附的效果，當(dāng)停止施加電壓時(shí)，電熱敏執(zhí)行器會(huì)恢復(fù)原先平直的狀態(tài)，由于機(jī)器人足底由橡膠材質(zhì)做成，有絕緣性且富有彈性，故當(dāng)電熱敏執(zhí)行器恢復(fù)平直時(shí)，機(jī)器人腳趾也會(huì)恢復(fù)初始狀態(tài)，這一過(guò)程可以視作對(duì)于壁虎腳趾內(nèi)翻的模仿；通過(guò)如此的內(nèi)翻-外翻機(jī)制，可以保護(hù)機(jī)器人足底脆弱的剛毛結(jié)構(gòu)不受破壞，延長(zhǎng)機(jī)器人的使用壽命。機(jī)器人足底的剛毛吸附結(jié)構(gòu)由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，這種材料具有疏水性，在機(jī)器人足部剛毛結(jié)構(gòu)接觸到液體時(shí)，液體會(huì)裹挾剛毛中的雜質(zhì)變?yōu)橐旱位鋭偯箼C(jī)器人足底的剛毛結(jié)構(gòu)具有一定的自清潔性，提高機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)的使用壽命。單根剛毛結(jié)構(gòu)是截面為正六邊形的柱狀結(jié)構(gòu)，剛毛長(zhǎng)徑比10:1，長(zhǎng)度為4 μm，邊長(zhǎng)為400nm，剛毛間距為0.6μm，交錯(cuò)排列。

圖12 機(jī)器人足部

2.4 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

如圖7所示，此狀態(tài)可以視為機(jī)器人的初始狀態(tài)，此時(shí)四只足均處于吸附狀態(tài)，在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)，右前足-29和左后足-40首先脫附，兩腿在舵機(jī)-3，9的驅(qū)動(dòng)下同時(shí)向前運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人腿部運(yùn)動(dòng)的傳遞路線為：懸臂梁→原動(dòng)節(jié)→連動(dòng)節(jié)→中間節(jié)→從動(dòng)節(jié)。

在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)，由電源5向右前足29及左后足40的雙晶片驅(qū)動(dòng)器52施加一定大小的電壓使雙晶片驅(qū)動(dòng)器52開(kāi)始工作使右前足29和左后足40的腳趾開(kāi)始沿垂直于導(dǎo)向溝槽53的方向彎曲，使兩腳與壁面脫附，之后舵機(jī)帶動(dòng)原動(dòng)節(jié)24和原動(dòng)節(jié)34開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，由此帶動(dòng)右前腿2和左后腿10完成前邁進(jìn)的動(dòng)作，與此同時(shí)左前足19和右后足47保持吸附狀態(tài)，在舵機(jī)帶動(dòng)下原動(dòng)節(jié)23和原動(dòng)節(jié)42開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，由此帶動(dòng)左前腿13和右后腿6后蹬同時(shí)抬升身體，當(dāng)右前腿2和左后腿10運(yùn)動(dòng)到前極限位置（如圖13編號(hào)4）時(shí)，左前腿13和右后腿6運(yùn)動(dòng)到后極限位置（如圖13編號(hào)6），這時(shí)四只腳處于同一水平高度，使剛才處于懸空狀態(tài)的右前足29和左后足40再度接觸壁面并粘附，這之后在電源5施加的電壓作用下左前足19與右后足47的雙晶片驅(qū)動(dòng)器52開(kāi)始工作，使左前足19和右后足47腳趾開(kāi)始沿垂直于導(dǎo)向溝槽53的方向彎曲，使兩足與壁面脫附，脫附后在舵機(jī)作用下原動(dòng)節(jié)23和原動(dòng)節(jié)42開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，由此帶動(dòng)左前腿13和右后腿6完成向前邁進(jìn)的動(dòng)作，與此同時(shí)右前足29和左后足40保持吸附狀態(tài)，在舵機(jī)帶動(dòng)下原動(dòng)節(jié)24和原動(dòng)節(jié)34開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，由此帶動(dòng)右前腿2和左后腿10后蹬同時(shí)抬升身體，當(dāng)左前腿13和右后腿6運(yùn)動(dòng)到前極限位置時(shí)（如圖13編號(hào)4），右前腿2和左后腿10運(yùn)動(dòng)到后極限位置（如圖13編號(hào)6），這時(shí)四只腳處于同一水平高度，使剛才處于懸空狀態(tài)的左前足19和右后足47再度接觸壁面并粘附。至此，機(jī)器人恢復(fù)初始位態(tài)，機(jī)器人的一次運(yùn)動(dòng)周期結(jié)束。

圖13 切比雪夫連桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

作為一種近十年來(lái)新興的爬壁機(jī)器人種類，仿生吸附爬壁機(jī)器人由于其小巧的體型，對(duì)于吸附壁面表面質(zhì)量要求低等諸多優(yōu)勢(shì)，可以深入坍塌物的縫隙、深井、充滿煙塵的區(qū)域等極其危險(xiǎn)的領(lǐng)域代替人類進(jìn)行作業(yè)，因而可以被很好地應(yīng)用在軍事偵察、救援、勘探、質(zhì)檢、清潔等方面，在未來(lái)具有很廣闊的發(fā)展前景，但因目前對(duì)于仿生爬壁機(jī)器人的研究還處于起步階段，在諸如粘附結(jié)構(gòu)的研究制作上還有較大的欠缺，這導(dǎo)致了目前爬壁機(jī)器人的載重能力較弱，并且由于目前的小型供電電池尚無(wú)法滿足爬壁機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間的功耗需求，因此目前仿生爬壁機(jī)器人往往需要用導(dǎo)線連接固定電源以保證其用電需求，這大大限制了爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍。在未來(lái)的研究中，應(yīng)將重點(diǎn)放在此處。

本文設(shè)計(jì)的基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生四足爬壁機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易，運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，且因其自身質(zhì)量很小，可以在自身載重允許的范圍內(nèi)對(duì)其功能進(jìn)行擴(kuò)展，應(yīng)用在諸如偵查、墻壁質(zhì)量檢測(cè)、玩具等領(lǐng)域中。