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 機電工程學院，哈爾濱 150080；2.上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200444；3.蘇州大學 蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心，蘇州 215123）

針對在軌維護的爬行機器人足粘附機理研究

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 機電工程學院，哈爾濱 150080；2.上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200444；3.蘇州大學 蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心，蘇州 215123）

針對空間合作目標航天器在軌維護任務需求，提出一種新型結(jié)構的空間爬行機器人，可搭載于抓取機械臂上，在主動航天器和故障目標形成連接后，爬行移動到故障目標上需要維修的位置進行維修精細操作。該機器人移動系統(tǒng)主要由壓電驅(qū)動腿、微修飾粘附足組成。其微觀粘附足借鑒壁虎剛毛的粘附機理，設計微米級微陣列的機器人足端結(jié)構。在上述結(jié)構設計基礎上，利用離散元軟件建立其仿真模型，對壁虎的強吸附能力和快速脫附能力進行理論建模分析，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程，對其單個剛毛的粘附特性進行分析。仿真結(jié)果表明：在空間零重力環(huán)境下，通過不同運動方式可以實現(xiàn)單個剛毛的吸附和快速脫附的能力。為后續(xù)實現(xiàn)機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

空間爬行機器人實現(xiàn)了一種新型的空間載荷操控方式[1-3]，機器人在目標航天器表面粘附爬行對空間載荷操縱，從而實現(xiàn)了靈活性和可達性，同時降低了操作風險，機器人具有成本低、體積小、重量輕等優(yōu)點，便于主動航天器執(zhí)行多個任務，非常適合進行空間非合作目標的在軌操控任務。對空間爬行機器人進行的研究，將對空間在軌操控任務提供有力支持，為空間活動提供有力保障，具有重要的研究價值和現(xiàn)實意義。

進入21世紀以來，機器人在各行各業(yè)中都得到了廣泛的應用和發(fā)展，其研究與應用水平已成為一個國家經(jīng)濟實力和科技發(fā)展水平的重要標志。爬行機器人是特種機器人的一種，是在惡劣、危險、極限等情況下進行特定作業(yè)的一種自動化機械裝置，如今越來越受到人們的重視。為使其盡快完善，對壁面移動機器人的研究已成為機器人技術發(fā)展的熱點之一。目前爬行機器人已在核工業(yè)、石化工業(yè)、建筑工業(yè)、消防部門、造船業(yè)等領域得到了應用。而對于空間環(huán)境下的爬行機器人需求，與壁面移動機器人功能相似。

未來的空間設施將會比現(xiàn)在的衛(wèi)星和空間站更大、更復雜、更難實現(xiàn)，這就需要自主程度很高的機器人來配合大型的空間機械臂裝配、檢查和維護這些設施。為了實現(xiàn)機器人具有的靈活性、機動性，且便于攜帶的特點，空間作業(yè)中對爬行機器人的體積有著嚴格要求。因此，微小型爬行機器人的研究對空間爬行機器人設計具有重要的指導意義。為實現(xiàn)爬行機器人的微型化、集成化，國內(nèi)外研究人員分別在仿生、新型驅(qū)動、新材料等多方面進行了深入研究。

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

圖1 爬壁機器人Fig.1 Wall-climbing robot

1 機器人本體結(jié)構設計

1.1 機器人機構構型

結(jié)合非合作目標表面形貌未知的特性，主要考慮通過轉(zhuǎn)動關節(jié)實現(xiàn)機器人的運動。轉(zhuǎn)動關節(jié)的越障能力較強，能夠通過凹、凸過渡。地面上傳統(tǒng)多足機器人能夠跨越的最大高度與機器人的結(jié)構尺寸有關。然而在空間環(huán)境下沒有重力作用，對機器人而言也沒有“頂部和底部”之分，懸浮在空間中，因此可以通過翻轉(zhuǎn)的方式進行越障，能夠跨越的障礙尺寸不受機器人本身尺寸結(jié)構影響，只考慮機器人腿部尺寸與凹凸過渡形狀跨越關系即可。

通過對壁虎身體結(jié)構與運動規(guī)律的分析，選擇如圖 2所示的機器人機構構型，具有5自由度，關節(jié)自由度采用2-1-2分布。即機器人的踝關節(jié)具有2個正交的自由度，而膝關節(jié)只有1個自由度，與本體連接部分具有2個正交的自由度。前端設計有兩只操作手，可以進行維修、檢測等相關工作。該機構在滿足上述要求的前提下還具有如下優(yōu)點：

圖2 機器人機構構型Fig.2 Robot mechanism

1）擁有多種平面運動方式，有利于實現(xiàn)復雜的工作任務；

2）采用對稱結(jié)構，擁有在任意狀態(tài)下完成工作任務的能力。

機器人本體與大腿之間由胯關節(jié)連接，大腿與小腿之間由膝關節(jié)連接，小腿和足之間由踝關節(jié)連接。機器人的胯關節(jié)和踝關節(jié)均具有2個自由度，機構形式為旋轉(zhuǎn)-俯仰（Roll-Pitch）型，因為空間環(huán)境不考慮重力，因此采用壓電馬達直驅(qū)的方式，動力傳動形式簡單、實用，符合機構設計準則。

空間足式爬行機器人在實現(xiàn)運動過程中足起著關鍵作用，機器人的步態(tài)實現(xiàn)是通過足的交替與接觸面的粘附及關節(jié)驅(qū)動實現(xiàn)的，空間環(huán)境中足與壁面的粘附性能直接影響到機器人能否可靠粘連及機器人的運動狀態(tài)。為了實現(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行設計。

1.2 運動功能研究

選定機器人的關節(jié)形式后，對機器人的運動功能作進一步的分析，檢驗了機器人滿足預期的功能。

1）行走運動

機器人其中4只腳吸附，另外4只釋放，抬起腿向前伸展，各關節(jié)旋轉(zhuǎn)運動，直到足觸覺傳感器接觸平面，等待4個足均接觸并粘附后，抬起先前的4個足，向前邁步。通過行走運動可以實現(xiàn)機器人的爬行，轉(zhuǎn)變方向以及以及從一個表面移動到另一個表面，圖 3是通過行走運動實現(xiàn)方向的改變。圖 4是通過行走運動，爬行機器人實現(xiàn)兩個表面的相對位置在-90°的情況下。從一個表面移動到另一個表面的運動功能。

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

圖4 實現(xiàn)跨表面運動Fig.4 Achieve the function across the surface

2）翻轉(zhuǎn)運動

機器人首先一側(cè)的4個足平行放置并粘附，另外一側(cè)4個足釋放，以粘附側(cè)的4足關節(jié)為軸整體翻轉(zhuǎn)，接著再以另一側(cè)足觸覺傳感器接觸平面為準，然后重復前面的翻滾動作，如圖 5所示。通過翻轉(zhuǎn)的方式進行越障，能夠跨越的障礙尺寸不受機器人本身尺寸結(jié)構影響，只考慮機器人腿部尺寸與凹凸過渡形狀跨越關系即可。

圖5 通過翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)越障Fig.5 Crossing an obstacle by turnover movement

2 壁虎足末端結(jié)構分析

2.1 壁虎粘附機理的研究概況

國內(nèi)外開展仿壁虎的研究主要圍繞壁虎粘附與脫附機理展開。2000年，美國Autumn等測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分子間的范德華力作用實現(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著數(shù)百萬根極細的剛毛，而每根剛毛末端又有約400～1 000根更細的分支。1 mm2上約有5 000根長度為30～130 μm的剛毛，每支腳上就有近50萬根剛毛，每根剛毛又有400～1 000根長度約0.5 μm、寬度約0.2 μm、厚度約5 nm的絨毛，納米級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，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程[12]Fig.7 Snapshots of gecko attaching and detaching from a glass ceiling[12]

2005年，高華健等對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發(fā)生的臨界位置。剛毛的傾斜角在30°左右時，剛毛陣列的拉開力最大；傾斜角小于30°時，滑移先于脫附發(fā)生；傾斜角大于30°時，剛毛不會發(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°時切向拉伸，可實現(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

采用微接觸理論來分析剛毛粘附與脫附的詳細過程。微納米結(jié)構由于具有較大的比表面積，其表面能量不可忽視甚至會占據(jù)主導地位，這是由尺度效應帶來的表面效應。

JKR理論為微尺度下的經(jīng)典接觸理論，設兩個顆粒的半徑分別為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 兩個顆粒的接觸示例圖Fig.8 Schematic view of two spheres pressed together

對顆粒施加的法向載荷P值與接觸半徑a的關系式為

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，當沒有施加的法向載荷時，隨著拉伸載荷的增大會使得接觸半徑越來越小，當a達到最小值，就是顆粒之間的最大脫附力。此時，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。通過參數(shù)匹配確定機器人足、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)。進而對機器人足粘附航天器表面的過程進行離散元仿真，分析機器人足的細微觀結(jié)構對粘附性能的影響。

圖9 機器人足與目標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，在保證總的接觸面積不變的情況下，總粘附力會隨著單個纖維半徑的減小而增大。設計具有高摩擦、低粘附特性的機器人足末端微陣列結(jié)構，從理論和仿真兩條途徑驗證設計的可行性。

3 粘附機理仿真研究

3.1 基于離散元的單個剛毛仿真建模

壁虎在實際爬行中，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，首先提出一個傾斜微陣列的單個支桿模型，用離散元的方式對其建模，如圖 10，假設支桿材料與壁虎剛毛材料相同，用EDEM離散元仿真軟件對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。通過先預壓再拉伸單個支桿脫離物體表面仿真單個支桿的脫附過程，進而分析其粘附特性。

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

3.2 仿真結(jié)果和分析

將重力加速度設置為零，仿真環(huán)境為真空環(huán)境。針對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程中的5種接觸狀態(tài)，對這5種狀態(tài)下的粘附情況進行仿真與分析，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，當傾斜角為0°的時候，支桿的圓柱面與物體表面接觸，支桿結(jié)構遭到破壞發(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°時法向的粘附力最大，隨著傾斜角的增大使得支桿在脫附時的粘附力減小，當傾斜角為90°時，其粘附力是30°時的1/5，這為爬行機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器人。該機器人移動系統(tǒng)由壓電驅(qū)動腿，微觀粘附足，和操控機構組成。機器人沿航天器表面失重爬行時，足末端的粘附力為機器人的運動提供動力。借鑒壁虎足端的剛毛結(jié)構設計機器人足端微陣列結(jié)構。在此基礎上利用離散元軟件EDEM，通過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程，并分析其粘附特性。通過仿真結(jié)果表明：單個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，可以通過不同運動方式實現(xiàn)不同的剛毛粘附狀態(tài)，進而實現(xiàn)單個剛毛的易吸附和快速脫附能力。

[1]Letschnik J，Walter U，Artigas J.On-orbit servicing[J].Robotics & Automation Magazine IEEE，2009，16（4）：29-33.

[2]Flores-Abad A，Ma O，Pham K，et al.A review of space robotics technologies for on-orbit servicing[J].Progress in Aerospace Sciences，2014，68（8）：1-26.

[3]姜生元，沈毅，吳湘，等.月面廣義資源探測及其原位利用技術構想[J].深空探測學報，2015，2（4）：291-301.Jiang S Y，Shen Y，Wu X，et al.Technical schemes of investigation and in-situ utilization for Lunar surface generalized resource[J].Journal of Deep Space Exploration，2015，2（4）：291-301.

[4]Hirose S，Nagakubo A.Legged wall-climbing robot[J].Journal of the Robotics Society of Japan，1992，10（5）：575-580.

[5]Longo D，Muscato G.A modular approach for the design of the Alicia climbing robot for industrial inspection[J].Industrial Robot An International Journal，2004，31（2）：148-158.

[6]Grieco J C，Prieto M，Armada M，et al.A six-legged climbing robot for high payloads[C]//6th IEEE Conference on Control Applications.Trieste：IEEE，1998.

[7]Armada M，Gonzalez P，Nieto J，et al.On the design and control of a self-propelling robot for hazardous environments[C]//Proc.21st Int.Symposium on Industrial Robots.Copenhagen：IFS Pub Ltd，1990.

[8]Armada M.Telepresence and intelligent control for a legged locomotion robot：in expert systems and robotics[M].Berlin：Springer Verlag，2011.

[9]Autumn K，Gravish N.Gecko adhesion：evolutionary nanotechnology[J].Philosophical Transactions of the Royal Society，2008，366（11）：1575-1590.

[10]Autumn K，Chang W P，Hsieh T，et al.Adhesion force of a single gecko foot-hair[J].Nature，2000，405（8）：681-684.

[11]Autumn K，Sitti M，Liang Y A，et al.Evidence for van der waals adhesion in gecko setae[J].PNAS，2002，991（19）：12252-12256.

[12]Gao H J，Wang X，Yao H M，et al.Mechanics of hierarchical adhesion structures of geckos[J].Mechanics of Materials，2005，37（2）：275-285.

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

[責任編輯：楊曉燕，英文審校：任樹芳]

10.15982/j.issn.2095-7777.2017.03.015

蘇奕粼，侯緒研，曹盼，等.針對在軌維護的爬行機器人足粘附機理研究[J].深空探測學報，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專項資金資助項目（2015AA2256）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目（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)大學科學園2F棟405室（150001）

E-mail：hitrcamc@foxmail.com

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)大學科學園2F棟405室（150001）

E-mail：houxuyan@hit.edu.cn