仿生壁虎论文

机械训练—仿生壁虎

编号：2012CXCY005

2013/4/12

仿生壁虎

樊高金、李文浩、殷鹏程、范荣升、魏巍合肥工业大学机械与汽车工程学院

指导老师：李德宝

随着科技的发展，日异月新。如今机器人逐渐代替手工进入了人们的生活。机器人还可以代替人类从事乏味、劳累和危险的工作, 甚至完成人类不能胜任的工作。今天我们的课题就是通过观察壁虎的习性，制作一个仿生壁虎机器人，利用它的特点形态小，可以穿梭于复杂地形等特点。可以被人们用来从事一些人类难以到达的地方进行工作。比如进行地震后救灾探索，复杂古墓的侦查等工作。

目前仿生壁虎机器人技术的研究主要分为细分技术研究与移

动技术的研究，吸附技术研究主要是仿生生物的灵巧移动方式。传统爬壁机器人的吸附结构主要采用磁力吸附、人的吸附结构主要是采用磁力吸附、真空吸附、静电吸附和化学粘附四种方式。大多数爬壁机器人的足部都是通过使用吸盘、磁体或者粘性物质设计而成的。这四种方式都存在各自的缺陷：磁力吸附要求壁面必须是磁体材料；真空吸附在壁面凹凸不平和多孔状况下吸附能力下降很快而且不能应用于真空环境；静电吸附要求被接触表面具有导电特性，由于静电力十分小，往往不能提供足够的粘附力；化学粘附时年较容易挥发、固化，使得粘胶迅速被消化而影

响粘附。所有这些方式都无法适用于于布满灰尘且崎岖不平的表面。传统爬壁机器人功能主要是吸盘式、车轮式和履带式。吸盘式能跨越很小的障碍，但移动速度比较慢；车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附能力比较困难；履带式对壁面的适应性强，着地面积大，但不容易转弯。而这三种方式的跨越障碍能力都很弱。传统爬壁机器人的驱动方式主要有汽缸驱动和电动机驱动两种方式。汽缸和电机不仅质量大，增加机器人本身的重量，而且效率低，能耗非常大。由于传统爬壁机器人在运动稳定性、灵活性、可靠性、简约的控制系统方面还存在着难于在短期内突破的技术瓶颈，因此对生物运动规律和生物及其人得研究近年来受到更多的重视。我们此次研究将站在巨人的肩膀人，进行宏观的思考，对仿生壁虎的整体，原理、传动机构进行设计与创新。

1.原理：

第一，壁虎脚趾包含很多学问，堪称一种干性黏合剂。

壁虎脚趾上有数百个拍状突

起，称为皮瓣，每个皮瓣上都

生有数百万刚毛，比人的头发

要细10倍。在显微镜下面，能

看到每一个刚毛末端又分成

数百个直径只有几百纳米的

更细的铲状丝，称为铲状匙突，能和攀爬物表面的分子发生

引力作用。壁虎脚趾上细丝和

墙壁分子引力之间的这种相

互作用称为范德华力，这种引

力能使它在玻璃上仅用一个

脚趾就支撑起全部身体重量。

卡特科斯基说，这种“黏合剂”

还是单向的，只有向一个方向

拉时，才能黏紧，而从另一个

方向，则很容易取下来。第二，

壁虎之所以能够从地面以90

度角直接爬墙，在于其身体就

有一定的柔软性。所以机器人

用普通的齿轮连杆机构来驱

动前爪是不现实的。

2.联动

原理中提到如果使用齿轮

传动会给机器人的运作带来不便，

所以我们小组经过讨论采用液压

传动。液压传动以液体作为工作

介质，利用液体压力能来进行能

量传递的传动方式。液压传动系

统的组成有下面几个部分：动力

元件；执行元件；控制元件；辅

助元件；工作介质这五个部分。

液压传动的优点：在相同输出功

率的情况下，液压传动装置的重

量轻，结构紧凑，惯性小。满足

我们的设计要求，满足壁虎的轻

小，适合复杂地形的运动。液压

传动操纵方便，易于控制。通过

控制阀，可方便地改变油液的压

力大小，流动方向及流量大小，

来控制执行机构输出力大小，运

动方向及其速度。我们可以采用

电、液联合应用时，易于实现复

杂的自动工作循环。这样可以使

壁虎自行爬行。并且液压元件易

于实现系列、标准化和通用化，

便于设计、制造、维修。但是由

于介质动力油性质敏感，油的粘

度受影响较大。不宜在高温或者

低温下工作。所以我们将设计壁

虎外壳时将采用可以保温的材料，

尽可能的保护内部的温度恒定。

虽然由于油液的可压缩性和泄露

等因素影响，液压不能保证严格的传动比，但是不影响我们设计的运动。液压传动还存在一些缺点，但是相比其他传动而言，液压比较适合我们的设计。

3.传动：

壁虎在爬行时，其传动机构我们采用凸轮机构。凸轮作机构的原动件。凸轮机构是一种由凸轮、从动件和机架组成的高副传动机构。凸轮的是具有曲线轮廓形状的构件，其运动方式是连续等速回转。我们将采用盘形凸轮，结构简单实用。推程计算，当尖顶与凸轮轮廓上的A点（基圆与轮廓AB的连接点）相接触时，从动件处于上升的起始位置。当凸轮以w等角速度逆时针方向回转Ψ时，从动件尖顶被凸轮轮廓推动，以一定的规律由距回转中心最近位置A到达Bˊ，这个过程即为推程。行程:从动件在推程中所走的距离h。从动件位移图：在直角坐标系中，以横坐标代表凸轮转角θ，以纵坐标代表从动件位移S，下图即为从动件的位移S与凸轮转角θ之间的关系曲线。因为一般凸轮作等速转动，所以横坐标同时也代表时间t。我们设计成凸轮机构作为传动机构，只需要设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便。虽然凸轮从动件行程不能过大，但是不影响我们的设计。壁虎在运动时候的每次前进的距离都不是很大。

4.

爬行：

我们通过柱塞泵使用柱塞与壁虎

的前脚使用角链接通过柱塞的推

动使壁虎侧面抬起前脚。柱塞泵

是依靠柱塞在缸体中往复运动，

使密封工作容积发生变化来实现吸油和压油的。柱塞泵它工作压力高，易于变量，流量范围大。柱塞泵按其柱塞排列方向不同，可分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵两大类。我们此次仿生壁虎将采用轴向柱塞泵。下图为斜盘式轴向柱塞泵的工作原理图。斜盘式轴向柱塞泵由传动轴1、斜盘2、柱塞3、缸体4和配流盘5等零件组成。传动轴带动缸体旋转，斜盘和陪流盘是固定不动的。柱塞俊分布于缸体内，并且柱塞头部考机械装置或在低压油最用下紧压在斜盘上。斜盘的法线和缸体轴线交角为斜盘倾角λ。当传动角按图示方向旋转时，柱塞一方面随缸体转动，另一方面还在机

械装置或低压油的作用下，在缸

体内作往复运动，柱塞在其自下

而上的半圆周内旋转时逐渐向外

伸出，由此将推动前脚右倾。缸