王思遠

（河北工程大學(xué)，河北 石家莊056002）

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

1 仿生爬壁機器人的原理及發(fā)展

1.1 仿生爬壁機器人的原理

仿生爬壁機器人的吸附原理可分為兩類，干吸附及濕吸附。

吸附時不涉及粘附液體的分泌。僅依靠生物足部的剛毛結(jié)構(gòu)與壁面間接觸時產(chǎn)生的范德華力（van der waals force）進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分出許多絨毛，在壁虎需要將足部吸附在墻壁上時，壁虎會將腳趾向內(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，會將腳趾向外彎曲，這時褶皺張開，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），由此即可實現(xiàn)腳底與壁面間的脫附。壁虎依靠這種獨特的腳趾內(nèi)翻-外翻機制，可以實現(xiàn)在墻壁上的快速移動，并且可以保護自身脆弱的剛毛結(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

依靠動物分泌的吸附液體與壁面進行吸附的吸附方式稱為濕吸附。以樹蛙為例，樹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)，保證了吸附的強度。

1.2 仿生爬壁機器人的發(fā)展

目前各國研究的重點一般為干吸附爬壁機器人，濕吸附由于其設(shè)計粘附液的分泌，目前濕吸附爬壁機器人的研究領(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器人如美國斯坦福大學(xué)研制的Stickybot[1]（圖3），中國南航大學(xué)戴振東教授研究的一系列壁虎仿生爬壁機器人等等。這類機器人如上文所述，采用范德華力（van der waals force）進行吸附；除了以壁虎為仿生對象以外，劉彥偉與其團隊還研究了一種爪刺式仿尺蠖爬壁機器人[2]（圖4）和一種仿生爪刺式雙足爬壁機器人[3]（圖5），這類機器人利用爪刺刺入墻體內(nèi)或懸掛在墻壁的凸起上進行吸附，對于墻體的表面質(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器人

圖5 一種仿生爪刺式雙足爬壁機器人

2 一種基于連桿機構(gòu)的仿生四足爬壁機器人設(shè)計

本設(shè)計以壁虎（gecko）為仿生對象，設(shè)計了一種基于連桿機構(gòu)的仿生四足爬壁機器人，經(jīng)過一些調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)目前常見的一些仿生四足爬壁機器人設(shè)計中存在著一些問題，其一，在模仿仿生目標(biāo)運動時，往往需要依賴大量舵機以模仿仿生目標(biāo)在運動時關(guān)節(jié)的運動，如李達等人研制的一種類壁虎機器人[4]，為了模仿壁虎的抬腿及前伸等動作，用到的舵機多達12個，過多的使用舵機會導(dǎo)致機器人控制的復(fù)雜化，同步性差，增加調(diào)試難度，導(dǎo)致機器人運動時的穩(wěn)定性降低，并且會造成機器人負載過重；其二，目前常見的類壁虎爬壁機器人較少采用壁虎腳趾的內(nèi)翻-外翻機制作為脫附機制，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)在使用一段時間后會由于過度的撕裂而被破壞，影響粘附效果。

本設(shè)計針對上述問題，創(chuàng)新性地應(yīng)用連桿機構(gòu)和一種由Hongtao Zhao等人設(shè)計的電熱敏執(zhí)行器（ETSA）[5]到機器人的設(shè)計中，設(shè)計出的機器人結(jié)構(gòu)精巧，傳動可靠，可以作為上述問題的解決方案。

2.1 機器人的整體結(jié)構(gòu)

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

圖6 機器人整體結(jié)構(gòu)概覽

圖7 機器人整體結(jié)構(gòu)圖

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

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

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

2.2 機器人的腿部構(gòu)造

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

圖8 機器人左前腿

圖9 機器人右前腿

圖10 機器人左后腿

圖11 機器人右后腿

本設(shè)計采用切比雪夫連桿機構(gòu)，腿部各節(jié)長度比例為原動節(jié)∶中間節(jié)∶從動節(jié)∶傳動節(jié)=1∶2∶2.5∶5。由于切比雪夫連桿可以在單一動力源的作用下同時完成機器人腿部的上下抬升以及前后運動，故整個機器人僅需4個舵機即可實現(xiàn)整個運動過程，十分方便可靠，除此之外，由于機器人采用腿足式的移動機構(gòu)，擁有很強的跨障性

2.3 機器人足部構(gòu)造

如圖12，機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)生十分強大的阻斷力，進而使機器人足部腳趾處沿垂直于導(dǎo)向凹槽的方向彎曲，以達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，電熱敏執(zhí)行器會恢復(fù)原先平直的狀態(tài)，由于機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，機器人腳趾也會恢復(fù)初始狀態(tài)，這一過程可以視作對于壁虎腳趾內(nèi)翻的模仿；通過如此的內(nèi)翻-外翻機制，可以保護機器人足底脆弱的剛毛結(jié)構(gòu)不受破壞，延長機器人的使用壽命。機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，在機器人足部剛毛結(jié)構(gòu)接觸到液體時，液體會裹挾剛毛中的雜質(zhì)變?yōu)橐旱位鋭偯?，使機器人足底的剛毛結(jié)構(gòu)具有一定的自清潔性，提高機器人吸附結(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)，剛毛長徑比10:1，長度為4 μm，邊長為400nm，剛毛間距為0.6μm，交錯排列。

圖12 機器人足部

2.4 機器人的運動過程

如圖7所示，此狀態(tài)可以視為機器人的初始狀態(tài)，此時四只足均處于吸附狀態(tài)，在運動開始時，右前足-29和左后足-40首先脫附，兩腿在舵機-3，9的驅(qū)動下同時向前運動。機器人腿部運動的傳遞路線為：懸臂梁→原動節(jié)→連動節(jié)→中間節(jié)→從動節(jié)。

在運動開始時，由電源5向右前足29及左后足40的雙晶片驅(qū)動器52施加一定大小的電壓使雙晶片驅(qū)動器52開始工作使右前足29和左后足40的腳趾開始沿垂直于導(dǎo)向溝槽53的方向彎曲，使兩腳與壁面脫附，之后舵機帶動原動節(jié)24和原動節(jié)34開始轉(zhuǎn)動，由此帶動右前腿2和左后腿10完成前邁進的動作，與此同時左前足19和右后足47保持吸附狀態(tài)，在舵機帶動下原動節(jié)23和原動節(jié)42開始轉(zhuǎn)動，由此帶動左前腿13和右后腿6后蹬同時抬升身體，當(dāng)右前腿2和左后腿10運動到前極限位置（如圖13編號4）時，左前腿13和右后腿6運動到后極限位置（如圖13編號6），這時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)動器52開始工作，使左前足19和右后足47腳趾開始沿垂直于導(dǎo)向溝槽53的方向彎曲，使兩足與壁面脫附，脫附后在舵機作用下原動節(jié)23和原動節(jié)42開始轉(zhuǎn)動，由此帶動左前腿13和右后腿6完成向前邁進的動作，與此同時右前足29和左后足40保持吸附狀態(tài)，在舵機帶動下原動節(jié)24和原動節(jié)34開始轉(zhuǎn)動，由此帶動右前腿2和左后腿10后蹬同時抬升身體，當(dāng)左前腿13和右后腿6運動到前極限位置時（如圖13編號4），右前腿2和左后腿10運動到后極限位置（如圖13編號6），這時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，機器人恢復(fù)初始位態(tài)，機器人的一次運動周期結(jié)束。

圖13 切比雪夫連桿的運動狀態(tài)圖

3 結(jié)束語

作為一種近十年來新興的爬壁機器人種類，仿生吸附爬壁機器人由于其小巧的體型，對于吸附壁面表面質(zhì)量要求低等諸多優(yōu)勢，可以深入坍塌物的縫隙、深井、充滿煙塵的區(qū)域等極其危險的領(lǐng)域代替人類進行作業(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，在未來具有很廣闊的發(fā)展前景，但因目前對于仿生爬壁機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)致了目前爬壁機器人的載重能力較弱，并且由于目前的小型供電電池尚無法滿足爬壁機器人長時間的功耗需求，因此目前仿生爬壁機器人往往需要用導(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器人的運動范圍。在未來的研究中，應(yīng)將重點放在此處。

本文設(shè)計的基于連桿機構(gòu)的仿生四足爬壁機器人具有結(jié)構(gòu)簡單，控制容易，運行穩(wěn)定的特點，且因其自身質(zhì)量很小，可以在自身載重允許的范圍內(nèi)對其功能進行擴展，應(yīng)用在諸如偵查、墻壁質(zhì)量檢測、玩具等領(lǐng)域中。