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
虎仅需用很小的力即可让绒毛与基底分离。

另外一种解释是在脱附时,刚毛因压缩而变形,弹性能储存于绒毛中,当能量释放时,绒毛如橡皮筋一样地弹出去,从而不需要任何拉力便可脱离基底。

这种现象和Russell 观察的一致。

3、壁虎的运动系统
从机械运动的角度看，骨骼组成了运动系统的构件，是支撑动物运动的基础，骨骼间的关节是动物运动系统的运动副。

解剖结果表明，壁虎脊椎有28节，椎节间具有较小的相对转动。

4肢骨骼结构对运动影响最大，肌肉特别是关节肌对壁虎的运动能力影响甚大。

我们对壁虎运动行为的研究表明，其股骨相对于身体的转动为；胫骨相对于股骨的转动为。

在地面上运动，脚掌平面与壁虎腹面间距离较大，股骨相对与壁虎的身体平
面形成，以便撑起身体，使之能够在地面上顺利运动。

在天花板和墙面上运动时
脚掌平面与壁虎腹面间距离很小，以便减小翻转力矩。

研究表明，壁虎生活习性与其体态特征、骨骼和肌肉结构和运动步态等有密切关系。

通过对前后腿上肌肉、平均纤维长度、截面尺寸等参数的测定，发现习惯于爬壁的大壁虎和习惯于地面上运动的豹斑虎有显著的差别，为保证壁虎在爬墙时的稳定性，大壁虎发展了强有力的跨肩部和臀部的牵引肌，同时具有较高的关节驱动力矩，同时大壁虎踝关节的伸展能力因为脚掌的黏着性能而受到限制。

而在地面上运动的豹斑虎则有较为发达的下肢牵引肌。

三、仿生壁虎的运动原理及系统构成
通过对壁虎身体结构与运动规律的分析，发现壁虎具有对称分布的四足。

除去壁虎脚掌，壁虎的每条腿具有3个关节5自由度，分别是身体与大腿骨之间的根关节(记为如，相当于球铰副关节，具有2自由度)，大腿骨与小腿胫骨之间的膝关节(记为，相当于转动副关节，具有1自由度)和小腿胫骨与脚掌之间的踝关节(记为，相当于球铰副关节，具有2
自由度)。

此外，壁虎的身体是柔性的，在爬行过程中会左右扭动，因此壁虎的身体也参与了爬行移动。

根据对壁虎的观察设计的仿壁虎机器人如图1所示：
按顺时针顺序，从左上开始依次对仿壁虎机器人四个脚掌进行编号，分别为1、2、3、4号足，其对应腿编号与足编号相同。

脚掌与腿之间存在一个转动副关节，用表示，其中i=1，2，3，4表示足或腿编号。

每个足对应腿上有3个关节，用表示，j=l，2，3表示第i条腿的关节编号。

其中的转动轴垂直于的转动轴且相交，所以与组成第i 条腿的关节。

是第i条腿的关节，且的转动轴平行于的转动轴且平行于的转动轴。

相当于取了壁虎矗关节的l自由度，此处取1自由度的目的是为了简化机构。

仿壁虎机器人的脚掌假设用圆盘代替。

为模拟壁虎身体的关节。

仿壁虎机器人的每条腿可以分为支撑状态与悬空状态。

当腿处于悬空状态时成为一条串联开式链机构。

为保证仿壁虎机器人的腿悬空状态时具有确定的状态，需要至少在(i=1，2，3，4,j=1,2,3)关节上安装驱动电动机，此时踝关节成为局部自由度不影响腿的状态。

仿壁虎机器人在爬行时，最简单的方式是由两组处于对角线位置的足(1和3、2和4)交替支撑从而形成仿壁虎机器人运动。

仿壁虎机器人采用人造的仿生壁虎脚掌，它由MEMS加工的无数细小刚毛组成。

在吸附时刚毛嵌入附着面的缝隙中从而形成附着力。

因此当脚掌处于吸附状态时，应当避免脚掌沿附着面切向滑动，否则会剪断刚毛，影响吸附效果。

为此，设计的仿壁虎机器人行走机构必须能满足爬行过程中处于吸附状态的支撑足与支撑面不能存在沿切面的相对滑动。

为此，需要对仿壁虎机器人的运动链进行分析。

假设当足2和4处于支撑状态，1和3处于悬空状态，则此时仿壁虎机器人的平面运动链如图2所示：
足2、4吸附在附着面上，从而形成基座。

和以1转动轴平行于运动平面且在支撑相过程中应保持不变以维持支撑，所以可以当作固连件。

这样，壁虎在平面的运动就等效于平面
闭式多连杆机构，其中输入源为共计4个，其余为被动关节。

根据平面机构的自由度F计算公式可知：
式中n ——活动构件数
——运动低副数
——运动高副数
输入与自由度相等，可见该运动链机构有确定的运动规律且不存在过驱动或过约束现象，吸附足与附着面之间的切向力是正常情况下产生运动所受的力。

与一般的四足机器人相比，该仿壁虎机器人增加了身体关节。

可以证明，的存在是必要的。

假设不存在，则图2所示机构的运动自由度为：
即机构存在过驱动。

过驱动情况下，运动链易使吸附足与附着面之间产生较大的切向内应力。

四、仿生壁虎机器人关键技术
1、吸附技术
要实现机器人爬壁的功能，吸附技术是核心。

传统爬壁机器人有真空吸附、磁吸附和攀援式吸附三种吸附形式，真空吸附方式具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凸凹不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力和承载能力明显下降。

磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，电磁体式维持吸附力需要电力，但控制较方便。

永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，但控制较为麻烦。

磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，且吸附力远大于真空吸附方式，不存在真空漏气的问题，但要求壁面必须是导磁材料，因此严重地限制了爬壁机器人的应用环境。

攀援式吸附是通过抓住或勾住壁面的突起实现爬壁，这种方式要求壁面粗糙，对于光滑平面则不合适。

由于这些方法都对壁面有着特殊的要求，无法适应各种复杂的壁面环境，科学家们不得不需找新的方法。

近年来科学家研究较多的是一种叫作干性粘合剂(dry adhesive)的吸附技术并已获得较大进展。

干性粘合剂实际是一种人造仿生壁虎脚。

科学家在生物壁虎原型吸附的功能原理和作用机理的基础上，探索出一种与壁虎脚趾表面结构相近的、经物理改性的极性高分子材料 ( 人造仿生壁虎脚干性粘合剂)，并应用 MEMS加工技术，设计制作出模拟壁虎脚趾的吸附装置，该吸附装置能适应各种材质(如玻璃、粉墙和金属等)和任意形状的表面(如平面、柱面、弧面和拐角等)，是一种比较理想的吸附装置。

2、移动技术
目前，壁虎机器人的移动方式主要是车轮式、履带式、导轨式、腿足式和混合式。

车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难，越障能力差；履带式对壁面适应性强，着地面积大，但不易转弯，越障能力差。

导轨式移动也较快，具有一定的越障能力，但不能转向。

腿足式移动灵活，地形适应能力强，具有较高的越障能力和不同平面之间的过渡能力，但移动速度慢、控制复杂。

混合式一般采用轮足混合，兼具车轮式移动和腿足式移动的优点，但控制和结构也更为复杂。

目前，常见的腿足式机器人以两足式、四足式、六足式应用较多。

结构主要为缩放型机构、四连杆机构、多关节串联机构、平行杆机构、并联机构和摆动缩放机构
3、能源供给
常规机器人能源供给一般采用有缆方式或者采用电池供电。

有缆方式的优点是电力供应充足，缺点是电缆会对机器人的移动范围形成约束，并且电缆重力会对机器人形成一定影响。

电池供电可以省去电缆，但其能量有限，而且电池随着体积的缩小供电性能急剧下降，能量密度有待进一步提高。

此外，新的能源供给方式也在积极探索之中。

比如，通过微波对微机器人提供能量和控制信号就是一种较为理想的方法，日本D E N S O公司已经较为成功地将微波技术应用到了一台由8层P Z T驱动的无线微型腿足式管内机器人上L 2。

五、存在的问题
1、材料问题
目前,大多数仿壁虎材料还不能达到天然壁虎的吸附水平,原因是仿生材料中的绒毛会互相粘合,大大降低了绒毛与基底的接触面积。

理想和实际的仿壁虎材料的微观结构存在很大差异。

吸附力的下降是由于绒毛之间的相互粘连引起的。

为了达到理想的吸附效果，我们必须控制好绒毛的粗细、长短以及它们之间的距离以避免相互粘合,但同时又要让它们能够很好地接触表面。

2、吸附问题
如上所述，吸附技术是制约爬墙机器人发展的关键因素。

虽然目前已经找到较为理想的吸附技术，但要达到理想的效果仍需要进一步研究。

3、驱动问题
驱动方式有两种：真空式由气缸驱动，磁吸附式由电动机驱动。

气缸和电机不仅质量大，增加机器人本体的重量，而且效率很低，能耗非常大。

六、仿壁虎器人的发展趋势
1、吸附方式将越来越多地采用干性粘合剂
负压吸附方式和磁吸附方式技术发展已经相对成熟，并已有商用化产品出现。

但它们的缺点也是显而易见的。

干性粘合剂作为一种仿生智能材料，能够适应各种材质壁面，并且没有噪音。

虽然目前其吸附能力还比较差，但相信随着ME MS加工技术和新材料的发展，人造壁虎脚掌的性能将会有明显提升。

2、向微小型化发展
科学家预言，21世纪的尖端技术之一是微型机器人。

仿生微型机器人可用于小型管道检测作业，可见，仿壁虎爬墙机器人的小型化和微型化是一个发展趋势。

3、移动方式用腿足式
在移动机器人中，轮式和履带式移动方式已获得广泛的应用，但是腿足式移动方式具有轮式和履带式所没有的优点。

腿足式移动方式的机器人可以相对较容易地跨过比较大的障碍( 如沟、坎等) ，并且机器人的足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凸凹不平的地形适应能力更强。

正是由于腿足式移动结构多样、运动灵活，适应于各种形状的壁面，而且能够跨越障碍物，因此足式结构将在爬壁机器人上，尤其是在微小型爬壁机器人上，有着较好的应用前景。

4、生物壁虎机器人
生物机器人是借助于电子信息技术刺激来控制动物神经信号，从而达到对动物的运动或某些行为的人为控制目的的技术。

通过在壁虎上安装载荷并控制壁虎来完成任务将在能源供给、运动灵活性、隐蔽性、机动性和适应性方面较仿生壁虎机器人具有更明显的优势。

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