仿生壁虎爬墙机器人

仿生壁虎爬墙机器人

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摘要：本文将从壁虎爬墙原理入手，介绍仿生壁虎爬墙机器人的运动原理和系统构成，

并着重介绍爬墙机器人实现爬墙功能的关键技术，同时针对目前爬墙机器人存在的问题介绍爬墙机器人未来发展的方向。

关键词：壁虎；爬墙机器人；原理

一、综述

机器人是一门高度交叉的综合性学科，涉及到机械学、生物学、控制论与控制工程学、计算机科学与工程、信息科学、光学、电子工程学、传感技术、人工智能、人类学、社会学等诸多学科。自从1959年美国制造世界上第一台工业机器人起，机器人的发展经历了示教(工业)机器人、感知(遥控)机器人、智能机器人三个阶段，仿生机器人也可以作为其中较为独特的一支。仿生机器人以仿生学为核心的相关学科进行研究，运动仿生、感知仿生、控制仿生、能量仿生、材料仿生等诸多基础仿生技术的深入研究为仿生机器人的发展提供了一定的理论基础和技术支持。

根据仿生机器人的运动方式可以将机器人分为爬行机器人、飞行机器人、跳跃机器人以及水下机器人等，这些机器人在人类的生活、生产和军事中发挥了许多独特的作用。因爬行机器人多在陆地上运动，方便控制，所以爬行机器人的研究最为广泛。仿生爬行机器人根据仿生类型的不同，又可以具体分为爬壁机器人、仿蛇机器人、仿蜘蛛机器人、仿蚯蚓机器人、仿昆虫机器人等，本文介绍的仿壁虎爬行机器人即属于爬壁机器人的一种。

爬壁机器人的诞生是科学研究与实际生产的双重需要。就科学研究而言，对爬壁机器人的研究可以有力的促进仿生机械学的发展。对动物来说，运动是其捕食、逃逸、生殖、繁衍等行为的基础。而对机器人来说，运动也是现代机器人实现各种功能的基础。其中能够在光滑或粗糙的各种表面上自如运动的可控移动系统，即三维空间无障碍机器人(简称3DoF-3 dimensional-terrain obstacle free机器人即我们称作的爬壁机器人)是这类机器人的重要分支，其研究和研制水平已成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一。就实际生产生活而言，人们也迫切要求爬壁机器人的出现。我们在实际生产过程中经常会碰到一些需要人们在危险陡峭的竖直面上作业的情况，比如大厦外壁清洗、船舶检测、航天舱外维修等等情况，此时就到了爬壁机器人大显身手的时候了。而在反恐、救援、首脑保卫、特种侦察等公共和国家安全领域以及狭小空间检测等在特殊环境下的作业，则更需要爬壁机器人的帮忙。

二、壁虎的工作原理

几个世纪以来,人们一直惊讶一些动物如壁虎、蚊子、苍蝇等超强的吸、脱附能力。譬如:壁虎可以在各种基底上自由地爬行,即便是在很光滑的天花板上也可以1mPs 的速度迅速地移动。这些独特的粘附作用源自于自然界长期的进化,研究它们吸、脱附机理对仿制与之类似的生物材料有巨大的启示作用。古希腊哲学家亚里士多德把这种吸附力归结为一种超自然力。Cartier、Braun等分别在1872年和1878 年开始研究壁虎脚掌不同寻常的微结构,但囿于当时的科研条件,他们只能大致地推测壁虎可能具有很精细的脚掌结构。Schmidt在1904

年用光学显微镜对壁虎脚掌进行观察,Ruibal 和Ernst在1965年利用电子显微镜对壁虎脚掌的微结构进行观察,他们均观察到壁虎脚掌是由刚毛和绒毛组成,每根刚毛又由100—1000根绒毛组成,每根绒毛的半径大约在012 —014μm 之间。对壁虎微结构的观察打开了对壁虎的超强吸、脱附机理研究的大门。Autumn于2000年在Nature 发表的一篇关于壁虎微结构及吸附机理的文章掀起了全世界对壁虎研究的热潮。

虽然全世界的壁虎有1 000多种,每种壁虎在体重身长方面各具差异,但基本吸、脱附机理是一致的。Irschick用东京壁虎作为研究对象发现其脚底每平方毫米约有5000根刚毛,每100mm2能产生10N的吸附力,因此每根刚毛产生平均20μN的力,011NPmm2的压强。

1、壁虎的吸附机制

壁虎的刚毛和绒毛都是由β角蛋白(β2keratin)组成的,它们的杨氏模量约为1GPa 。其吸附力是由范德瓦尔斯力和毛细力共同产生。Autumn等通过实验证实了范德瓦尔斯力的作用,其大小仅仅和绒毛的大小和形状有关而与其表面的化学性质无关。范德瓦尔斯力是永远存在于分子间的吸引力,其作用比化学键能(1 —5eV) 小1—2个数量级。理论上,一根尖端半径为R 的绒毛与平整表面接触(设间隙为D) 时的范德瓦尔斯力为F = HRP6D2 ,若R = 1μm ,D≈013nm ,令Hamaker 常数H≈10 - 19J ,计算出单根绒毛产生的吸引力约为200nN。一根刚毛由100 —1 000 根绒毛组成, 则它产生的吸附力为20 —200μN。实际测得单根刚毛的最大吸附力为(194 ±25)μN ,与理论较为符合,因此有力地证明了范德瓦尔斯力对吸附力的作用。Huber等通过实验证实了毛细力的作用。他们发现即便是单层的水分子膜都会对结果产生很大的影响,而这层水分子膜极易由刚毛吸引空气中的水分子得到。实验表明吸附力随着空气湿度的增加而增大,当空气湿度由0 增加到70%,单根绒毛产生的吸附力增加了近一倍。绒毛与不同亲水性的基底接触时,吸附力有较大的改变。绒毛与亲水性基底(接触角为10—18) 接触产生的吸附力比与疏水性基底(接触角为107—112) 产生的吸附力大一倍,进一步证明

了毛细力的作用。壁虎和基底的接触过程本质上是壁虎脚底的绒毛和基底接触面积不断增大的过程。Gravish等模仿了这个过程,指出壁虎的这种分级结构(即壁虎脚掌由刚毛组成,刚毛又由绒毛组成) 很容易实现绒毛和基底的大面积接触，Varenberg等发现,决定作用力的是各接触区域周长的总和。壁虎之所以能够产生如此大的吸附力是因为它脚掌的绒毛多,与基底的接触面积总周长很大。Huber等认为表面的粗糙度对作用力也有较大影响:当表面粗糙度很小或粗糙度较大时吸引力均较大,当表面粗糙度在100nm 左右时达到最小,此时的粗糙度尺

度和壁虎绒毛尺度相当。观察发现壁虎总是保持着清洁的脚掌,这为它们长时间保持优异的吸附能力提供了条件。首先,壁虎的脚掌具有超疏水性(接触角为16019°),接触脚掌的液体会因表面张力的作用形成液滴,只要脚掌稍微倾斜,液滴就会滚落。滚动的液滴会把一些污染物颗粒一起带走,达到自我洁净的效果,此过程被称为“莲花效应”。其次,壁虎脚底不具有腺体,不分泌黏液,它们利用脚掌与基底的摩擦使大部分污染物脱落。实验数据表明,经过几步的摩擦,壁虎能去掉大约一半的污染物。Lee 等运用此原理制造出仿壁虎微结构的纳米刷,用它们清洗不易达到的细缝(如光纤连接器) 中的污垢,并取得了很好的效果。最后,壁虎保持自清洁的另一个原因是污染物与基底的作用力比绒毛与基底的作用力大,实际上,考虑到

绒毛的半径和污染物的体积,要满足绒毛牢固地吸附污染物几乎不可能,故壁虎脚掌能长时

间保持清洁状态。

2、壁虎的脱附机制

壁虎与基底分离的全过程只需15ms ,而且几乎测量不到它脱附时需要的拉力。通过实验得出结论:当壁虎绒毛与基底的夹角大于30°时即可发生脱附现象。这个结论由高华健运用有限元模型(FEM)所证实.他们同时还指出,当夹角从30°增加到90°,分离所需要的力越来

越小。以壁虎绒毛与基底接触点为支点,绒毛另一端与基底的距离为力臂,吸附和脱附时拖拽力均平行于基底,但方向相反。脱附时的力臂远远大于吸附过程中的力臂,由杠杆原理知,壁