仿生壁虎爬墙机器人
壁虎脚机器人能飞檐走壁
壁虎脚机器人能飞檐走壁
佚名
【期刊名称】《工业设计》
【年(卷),期】2010(000)012
【摘要】在人类无法到达或危险的地方，我们常常派机器人去执行任务，攀墙附
壁的本事对它们来说必不可少。
美国斯坦福大学机械工程师最近用一种新型黏合剂，给机器人装上仿生壁虎脚，让它们飞檐走壁如履平地。
【总页数】1页(P24-24)
【正文语种】中文
【中图分类】TP242
【相关文献】
1.仿生壁虎脚助人飞檐走壁
2.壁虎胶带：飞檐走壁梦不远？
3.“飞檐走壁”的壁虎
4.弹簧机制助壁虎飞檐走壁
5.美科学家通过5年研究制造壁虎脚机器人
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仿生壁虎爬墙机器人
仿生壁虎爬墙机器人1208104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。
爬墙机器人原理
爬墙机器人原理
爬墙机器人的原理基本上是模仿壁虎的爬墙能力。
壁虎是一种能够在垂直平滑表面上行走的爬行动物，它们通过脚部的微小毛发和分子力实现了“吸附”的效果。
爬墙机器人则是通过模仿这种原理来实现类似的功能。
爬墙机器人通常由以下几个部分组成：
1. 结构和材料：爬墙机器人一般采用轻量且具有足够强度的材料来构建主体结构。
类似壁虎脚部的吸盘结构通常使用弹性材料，例如硅胶，以提供足够的“吸附力”。
2. 接触力传感器：为了模拟壁虎爬墙时的“吸附力”，爬墙机器人通常配备了接触力传感器。
这些传感器能够感知机器人脚部与墙面之间的接触情况，以便机器人能够调整吸附力并保持稳定的附着。
3. 运动控制系统：爬墙机器人需要一个精确的运动控制系统来实现在垂直表面上的行走。
这个系统通常由多个电机和传动机构组成，以提供适当的力和运动。
4. 算法和控制器：爬墙机器人的控制器使用算法来计算和控制各个部分的运动和吸附力。
这些算法通常基于壁虎的行为研究和运动特征，以实现相似的爬墙能力。
通过将这些部分组合在一起，爬墙机器人可以模仿壁虎的爬墙能力，实现在垂直表面上的行走。
这种机器人具有潜在的应用
价值，例如在建筑施工、救援任务或工业领域中进行高空作业或其他需要垂直行走的任务。
壁虎机器人的意思-壁虎机器人是什么意思
壁虎机器人的意思|壁虎机器人是什么意思基本解释壁虎机器人-简介壁虎机器人是指根据仿生学原理，模仿壁虎，设计出的一种机器人。
这种机器人能吸附在墙上行走、代替人类来执行反恐侦查、地震搜救等“高难度”的任务。
美国2006年，美国斯坦福大学科学家研制出的壁虎机器人，能在光滑如镜的垂直玻璃墙壁上行走如飞。
这是科学家模仿自然界中的壁虎为它设计的吸力手在发挥作用。
原理参与研制这种机器人的科学家MarkCutkosky解释了这种神奇吸力手的原理，在每个吸力手上，都有数百万根由人造橡胶制造的毛发，每根细毛的直径大约只有500个纳米左右，比人类的毛发还细很多，每根这种毛发的长度则只有不到2微米，这使得“粘人”的吸力手能非常的接近玻璃壁的表面，这样的结构还能够使得人造橡胶毛发中的分子和玻璃壁分子的距离异常接近。
此时，两者的分子们之间会产生一种奇异的自然现象，分子弱电磁引力，也叫“范德华力”。
每一对这种力大约可以帮助毛发产生抓起一只蚂蚁的力量。
虽然每一对力并不大，但是数百万根毛发产生的这种吸力却能够产生惊人的力量。
根据斯坦福大学分子物理学科学家们的研究，2平方毫米大小内的100万根这样的毛发就能够支持提起20公斤重量。
所以要让机器人能够附着在直壁上，吸力手只需要增大分子接触面。
在每根毛发的末梢，还有上千根更加细小的毛发分枝，每根毛发分枝的前端又有一个分叉。
无数的这种“范德瓦尔斯力”集合起来，“粘人”机器人也就自然能在墙壁上行走了。
事实上，壁虎也是使用了手掌上数百万级的被称为“刚毛”的毛发完成同样的工作的。
发展由于“粘人”机器人的爬墙能力并不像此前，利用真空吸盘靠大气压力吸附在垂直壁上的机器人那样依赖大气压，所以这种新机器人在将来可以用在太空探索、空间卫星维修和特殊环境的救险中。
此外“粘人”机器人也引起了美国军方的关注，他们希望能够进一步开发这种产品，让它们能为特种作战的士兵提供爬行手套和爬行服装。
中国2011年南京航空航天大学就研发出了能代替人来执行探测，拍摄等任务的仿生壁虎机器人，除了外形长的像壁虎，这个仿壁虎机器人还能代替人类来执行反恐侦查、地震搜救等“高难度”的任务，并且受邀参加了国家“十一五”重大科技成就展。
壁虎式机器人设计说明书
壁虎式机器人设计说明书一、引言壁虎式机器人是一种仿生机器人，其设计灵感来源于壁虎这种能够在垂直墙壁和天花板上爬行的动物。
本文将详细介绍壁虎式机器人的设计原理、结构和功能。
二、设计原理壁虎式机器人的设计原理基于壁虎的爬行能力，通过模拟壁虎足底的特殊结构和工作原理，实现机器人在垂直墙壁和天花板上的自由爬行。
壁虎足底具有数百万微小的刚毛，这些刚毛能够产生分子间吸附力，从而使壁虎能够在垂直表面上保持牢固的附着力。
三、结构设计1. 壁虎式机器人采用轻质材料制作机身，以降低重量，提高机器人的可操控性和稳定性。
2. 机器人的足底采用仿生设计，使用高强度材料制作刚毛状结构，以增加机器人与墙壁之间的附着力。
3. 机器人身体上装配有多个传感器，用于感知周围环境和墙壁表面的特征，以便机器人能够准确地选择爬行路径。
4. 机器人配备了高效的电池供电系统和稳定的电子控制系统，以确保机器人在爬行过程中的稳定性和持久性。
四、功能设计1. 壁虎式机器人具有自主导航功能，能够通过内置的导航系统自动规划最佳爬行路径，并实现自动避障。
2. 机器人配备了高清摄像头和红外传感器，能够实时监测周围环境，并将数据传输至操作者的控制终端。
3. 机器人可通过无线通信与外部设备进行连接，实现远程控制和数据传输。
4. 机器人具备抓取功能，可用于搬运小型物体或执行维修任务。
5. 机器人具备自我保护功能，当机器人检测到墙壁表面出现异常情况时，能够自动停止爬行并发送警报。
五、应用领域1. 壁虎式机器人在建筑维护和清洁领域具有广阔的应用前景，能够代替人工进行高空清洁和维修工作，提高工作效率和安全性。
2. 机器人在军事领域中可以用于侦察和搜救任务，能够在城市环境和复杂地形中执行任务。
3. 机器人还可以应用于科学研究和教育领域，用于探索生物仿生学和机器人技术的交叉领域。
六、结论壁虎式机器人是一种具有仿生特点的机器人，通过模拟壁虎的爬行能力实现在垂直墙壁和天花板上的自由爬行。
仿生机器人壁虎
“神行者”在天花板下快速行走珠海新概念航空航天器有限公司的科技人员认为：人类之所以能够走跑跳， 绝非仅仅是因为人类有一双脚，壁虎也一样，脚只是生物测量传感综合分析运动系统的执行终端而已。因此，仅 仅研究和模仿壁虎的脚及其表面能力是东施效颦，不可能造出有实用意义的机器壁虎。通过长期的探索研究，珠 海新概念航空航天器有限公司的科技人员提出并建立了机器壁虎创新科学理论及其实现技术，而机器壁虎“神行 者”则是基于该理论及其实现技术的初步产物。
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这项发明可不仅仅是为了乐趣，Mark Cutkosky表示，由于“粘人”机器人的爬墙能力并不像此前，利用真 空吸盘靠大气压力吸附在垂直壁上的机器人那样依赖大气压，所以这种新机器人在将来可以用在太空探索、空间 卫星维修和特殊环境的救险中。
此外“粘人”机器人也引起了美国军方的，他们希望能够进一步开发这种产品，让它们能为特种作战的士兵 提供爬行手套和爬行服装。
虽然每一对力并不大，但是数百万根毛发产生的这种吸力却能够产生惊人的力量。根据斯坦福大学分子物理 学科学家们的研究，2平方毫米大小内的100万根这样的毛发就能够支持提起20公斤重量。所以要让机器人能够附 着在直壁上，吸力手只需要增大分子接触面。
在每根毛发的末梢，还有上千根更加细小的毛发分枝，每根毛发分枝的前端又有一个分叉。无数的这种“范 德瓦尔斯力”集合起来，“粘人”机器人也就自然能在墙壁上行走了。事实上，壁虎也是使用了手掌上数百万级 的被称为“刚毛”的毛发完成同样的工作的。
仿生机器人壁虎
20xx年由珠海新概念航空航天器有限公司研制的机器人
目录
01 神月15日由珠海新概念航空航天器有限公司李晓阳博士和他领导的研究组研制成功 的机器人。
神行者
启发
理论研究方 向
仿壁虎 爬壁机器人 柔性机器人 柔性脚掌 外翻 展平 单片机
仿壁虎论文：柔性仿壁虎机器人的研究【中文摘要】生物壁虎能够在光滑竖直的壁面上自如行走,在紧急情况下能够贴在天花板上快速移动。
壁虎的脚掌通过外翻和内收完成与壁面的脱离和黏附。
通过模仿壁虎的灵活运动和黏附方式,研制一种柔性仿壁虎机器人,该机器人在环境适应性方面具有更高的实用价值。
本文首先详细介绍了仿壁虎爬壁机器人的研究现状,进而阐述柔性仿壁虎机器人研究的意义和内容。
通过对壁生理特点和运动方式的大量调研,提出柔性仿壁虎机器人的总体方案设计。
在总体方案设计的基础上,设计了基于一条边长可变四边形驱动的机器人本体结构。
对该结构进行了自由度计算,通过对关节结构的改进,避免了机器人在运动过程中黏附阵列与接触面之间产生较大的切向力。
对机器人本体的驱动关节进行了受力仿真,为机器人选择了驱动器。
利用三维快速打印成型技术加工了机器人本体。
接着根据壁虎脚掌的外翻和内收特点,设计并研制了具有柔性的可采用仿壁虎微纳米粘附阵列材料的仿壁虎柔性脚掌。
对该脚掌进行了力学分析与计算。
仿壁虎柔性脚掌采用伺服舵机作为脚掌外翻和展平的驱动器。
采用单片机对伺服舵机控制,实现脚掌的外翻和展平。
制作了柔性脚掌系统并对其进行了黏附和脱离实验。
最后,为柔性仿壁虎机器人设计了对角线步态,将所建...【英文摘要】Gecko can climb freely on smooth vertical wall, and it even can quickly move on the ceiling in an emergency.Gecko can control pad’s abduction and adduction to finish detachment and adhesion. To design the compliant gecko inspired robot which is more useful in an unknown environment, we simulate gecko’s style of movement and adhesion.Firstly, the status of research on gecko robot is introduced and analyzed in detail, and then explain the research significance and content of the compliant gecko inspired ...【关键词】仿壁虎爬壁机器人柔性机器人柔性脚掌外翻展平单片机【英文关键词】gecko inspired climbing robot compliant robot compliant foot bend flat single chip microcomputer 【索购全文】联系Q1：138113721 Q2：139938848【目录】柔性仿壁虎机器人的研究摘要4-5Abstract5第1章绪论14-21 1.1 引言14 1.2 仿壁虎机器人的研究现状14-19 1.3 本文的研究意义及课题来源19 1.4 本文的主要研究内容19-21第二章柔性仿壁虎机器人总体设计21-24 2.1 机器人系统方案设计21-23 2.1.1 黏附方案的选择21-22 2.1.2 移动方案的选择22 2.1.3 机器人驱动器方案的选择22-23 2.2 本章小结23-24第3章柔性仿壁虎机器人结构设计24-38 3.1 机器人本体设计24-28 3.1.1 本体结构设计24-25 3.1.2 机器人原理分析25-28 3.2 机器人的建模及受力分析28-33 3.2.1 机器人整体建模28-29 3.2.2 机器人驱动关节受力仿真29-33 3.3 机器人驱动舵机型号的选择33 3.4 机器人本体制备33-37 3.4.1 机器人加工方法的选择34 3.4.2 机器人本体的加工34-37 3.5 本章小结37-38第4章柔性仿壁虎机器人脚掌系统设计38-51 4.1 生物壁虎脚掌原型研究38-40 4.2 仿壁虎柔性脚掌设计40-42 4.2.1 脚掌系统设计40-41 4.2.2 脚掌结构设计41-42 4.3 仿壁虎柔性脚掌的驱动42-45 4.3.1 传动机构设计42-44 4.3.2 驱动机构设计44-45 4.4 仿壁虎柔性脚掌受力分析45-47 4.4.1 脚掌外翻受力分析45-46 4.4.2 脚掌黏附过程受力分析46-47 4.4.3 伺服舵机的选择及受力分析47 4.5 仿壁虎柔性脚掌的制备47-48 4.6 柔性脚掌外翻及展平实验48-50 4.7 本章小结50-51第5章柔性仿壁虎机器人控制系统设计51-69 5.1 机器人行走的步态规划51-53 5.2 机器人步行步态的仿真53-58 5.2.1 仿真软件介绍53-54 5.2.2 机器人爬行仿真工作环境设置54-56 5.2.3 机器人爬行仿真56-58 5.3 机器人控制系统硬件设计58-61 5.4 机器人控制系统软件设计61-63 5.4.1 伺服舵机及控制的介绍61-62 5.4.2 软件设计62-63 5.5 机器人实验和分析63-68 5.5.1 爬行实验63-68 5.6 本章小结68-69第6章总结与展望69-71 6.1 本文的主要工作69 6.2 本文的主要创新点69-70 6.3 工作展望70-71参考文献71-74致谢74。
仿生壁虎
机械训练—仿生壁虎2013/4/12仿生壁虎随着科技的发展，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。
资料1
仿生壁虎脚美国科学家表示能够像蜘蛛侠一样在建筑物上攀爬将在不久后成为现实。
目前，科学家正使用一种特殊材料制造粘性手套和鞋子，能够让穿戴者粘在墙壁上并任意攀爬。
现已在一个小型机器人身上成功测试。
简介壁虎脚机器人能飞檐走壁斯坦福研究设计中心副主任、机械工程教授马克·卡特科斯基领导的研究小组和美国其他大学合作，经过研究壁虎脚趾的构造，历时5年制造出一种黏脚机器人——Stickybot，其能在光滑的玻璃墙壁上行走自如。
原理他们从壁虎身上获得灵感，开发出一种新型织物，现已在一个小型机器人身上成功测试。
测试中，机器人顺利在玻璃、金属等光滑表面攀爬。
工程师希望将他们的设计“按比例放大”，为人类打造蜘蛛侠般的攀爬装备。
据悉，这项研究是一项代号“Z-Man”的计划组成部分。
壁虎之所以具备藐视地心引力的能力归功于脚趾上的微毛。
微毛能够增大接触面，形成一种“单向粘合剂”。
壁虎每爬行一部都可产生这种粘力，但只要朝其他方向移动，粘力便消失。
过去10年时间里，技术人员一直潜心研究，开发强度足以实现垂直攀爬的人造粘性材料。
经过不懈努力，美国加利福尼亚州斯坦福大学的研究人员最终开发出一种类似橡胶的材料，上面覆盖数千根微小的聚合纤维用以模拟壁虎的微毛。
壁虎的微毛被称之为“刚毛”，直径只有人发的十分之一。
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（spatulae），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。
研究小组用微型模具制出一种类似橡胶的多聚材料微丝，做成黏合剂涂层，涂在为Stickybot专门制作的四只脚上。
仿壁虎爬壁机器人的结构及其控制系统研究_方晔
粘附阵列设计 [ J] .机器人 , 2006, 28(2):191 -194. [ 3] 王 田苗 , 孟 偲 , 裴 葆青 , 等 .仿 壁 虎 机器 人 研 究 综述
[ J] .机器人 , 2007, 29(3):290 -291. [ 4] CarloM andMetinS.Geckoinspiredsurfaceclimbingro-
图 5 机器人硬件控制图
设 计 中 的 控 制 模 块 采 用 Microchip公 司 的 PIC16F877A单片机 。 由于单片机引脚上的电流很 小 , 用此电流直接给形状记忆合金丝供电不足以使
图 6 SMA控制示意图
仿壁虎爬壁机器人的控制器软件设计主要是对 形状记忆合金丝的加热时序进行合理安排 。
2.1 仿壁虎爬壁机器人的步态设计 仿壁虎爬壁机器人开始运动时 , 左侧后腿和右 侧前腿准备抬起向前运动 , 另外两只腿处于支撑状 态 。然后在背部驱动元件的作用下向前运动 。 在机 器人移动到一定位置时 , 左侧后腿和右侧前腿放下 呈支撑状态 , 左侧前腿和右侧后腿抬起准备向前运 动 , 同样在背部的驱动元件作用下向前移动 。 不断 重复上述过程 , 周而复始的使机器人向前不断移动 。 这种步态规划使得机器人的重心在整个移动过程中 都处于由各足组成的支撑平面的中心位置 , 从而确 保了运动的平衡和稳定性 [ 7] 。 2.2 仿壁虎机器人的控制系统的软硬件设计 仿壁虎机器人的运动是通过控制形状记忆合金 丝的温度来实现的 。 形状记忆合金丝相变受温度控 制 , 通过对形状记忆合 金丝加热实现 对它的控制 。 设计中对形状记忆合金丝通电 , 从而实现加热的目 的 。形状记忆合金的冷却采用常用的自然冷却 , 自 然冷却不需要任何散热设备 , 对仿壁虎机器人的小 型化有利 。
基于ADAMS的仿壁虎爬壁机器人的运动仿真
基金项目:国家自然科学基金项目(90407018)收稿日期:2006-08-22 修回日期:2006-08-23 第24卷 第9期计 算 机 仿 真2007年9月 文章编号:1006-9348(2007)09-0133-04基于ADA M S 的仿壁虎爬壁机器人的运动仿真孙丽红1,2,汪小华1,梅涛1,吕晓庆1,2(1.中国科学院合肥智能机械研究所,安徽合肥230031; 2.中国科学技术大学,安徽合肥230026)摘要:为实现在不同环境的壁面上自由爬行,设计了应用仿壁虎微纳米粘附阵列的爬壁机器人,建立了机器人的动力学模型及足部与壁面之间的接触模型,并利用机械系统动力学软件ADAMS 的仿真功能,对机器人沿垂直壁面爬行的运动特性进行了仿真。
利用ADAMS 的后处理模块的分析功能,重点研究了在一个运动周期内,模型整体质心的位移、电机转矩以及足部与壁面之间的接触力随时间的变化情况。
仿真结果表明该仿壁虎爬壁机器人能够以约26mm /s 的速度沿着垂直的壁面平稳地运动,不存在波动和偏离。
这为下一步研制仿壁虎爬壁机器人的物理样机提供了理论指导,也为其他仿生机器人的研究提供了参考。
关键词:仿壁虎;爬壁机器人;仿真;粘附阵列中图分类号:TP39 文献标识码:AS i m ul a ti on of Gecko I n sp i red C li m b i n g Robot Ba sed on ADAM SS UN L i -hong 1,2,WANG Xiao -hua 1,M E I Tao 1,LU Xiao -qing1,2(1.I nstitute of I ntelligentMachines,Chinese Acade my of Sciences,Hefei Anhui 230031,China;2.University of Science and Technol ogy of China,Hefei Anhui 230026,China )ABSTRACT:I n this paper a gecko ins p ired cli m bing r obot using the m icr o /nano adhesi on array was designed t o a 2dap t walls in different envir on ment .The dyna m ics model and contact model bet w een the feet and the walls were given out .The cli m bing behavi or of the r obot al ong the vertical walls was si m ulated using dyna m ics s oft w are ADAMS .The change of the dis p lace ment of centr oid of the model ,the t orque of electr omot or and the contact force bet w een the feet and the walls with ti m e in a peri od were e mphatically analyzed .The result indicated that the r obot could move al ong the vertical walls with a s peed of about 26mm /swithout fluctuati on and deviati on .It p r ovided references f or the future design of the gecko ins p ired cli m bing r obot p r ot otypes and the study of other kind of bi ol ogical modeling r obot .KE YWO RD S:Gecko ins p ired;W all -cli m bing r obot;Si m ulati on;Adhesi on array1 引言仿壁虎爬壁机器人就是模仿自然界中壁虎的精巧结构、运动原理和行为方式的机器人系统。
美军演示新型“壁虎”设备,可助士兵攀爬玻璃墙
美军演示新型“壁虎”设备，可助士兵攀爬玻璃墙
作者：小开
来源：《轻兵器》 2014年第14期
小开
取得制高点有利于士兵获得作战优势，但帮助士兵登高的工具几千年来一直都是绳索和爬梯。
这些工具不仅令士兵耗费体力，而且危险性很大。
为了使士兵在城区环境中安全攀爬，迅速占领至高点，美国国防高级研究计划局启动了“Z—人”项目，旨在开发仿生辅助攀爬技术。
2014年6月，“Z—人”项目演示了能够帮助士兵在玻璃墙上攀爬的设备。
在演示中，质量约98.9kg的攀爬人员携带22.7kg的负荷借助一副手持式、模仿壁虎的“壁虎皮”攀爬板在玻璃墙面上向上攀爬了7.6m。
该攀爬板由德雷珀实验室研制，采用创新的聚合物微结构技术。
编辑/曾振宇。
一种基于连杆机构的仿生四足爬壁机器人设计
如图 12，机器人足部由吸附刚毛-51，电热敏执行器 动到后极限位置（如图 13 编号 6），这时四只脚处于同一
（ETSA）-52，导向沟槽-53 三部分构成，电热敏执行器是 水平高度，使刚才处于悬空状态的右前足 29 和左后足
一种双晶片执行器，在一定大小的电压作用下，可以产生 40 再度接触壁面并粘附，这之后在电源 5 施加的电压作
度差。为了使机器人在运动以及站立时更加平稳，前后同
侧的机器人腿部用了反装的方式，即弯曲方向相反。
机器人的前身-4 与后身-11 在与腰部-12 连接时均
采用球形关节连接，这样可以使机器人在运动时避免遇
到由于壁面高度落差而引起足部无法着地的情况。
机器人的头部-1 与尾巴-8 分别安装在前身-4 与后
身-11 上，起装饰作用，同时尾巴-8 还起到平衡机器人身
Keywords: bionic wall-climbing robot; wall-climbing robot; Chebyshev linkage mechanism; bimorph actuator; gecko
爬壁机器人是一种始于 20 世纪 60 年代的机器人，世 湿吸附。
界上最早的爬壁机器人是由日本西亮（Nishi AKira）教授
虎脚趾内翻的模仿；通过如此的内翻-外翻机制，可以保 原动节 34 开始转动，由此带动右前腿 2 和左后腿 10 后
护机器人足底脆弱的刚毛结构不受破坏，延长机器人的 蹬同时抬升身体，当左前腿 13 和右后腿 6 运动到前极限
使用寿命。机器人足底的刚毛吸附结构由聚二甲基硅氧 位置时（如图 13 编号 4），右前腿 2 和左后腿 10 运动到
恢复原先平直的状态，由于机器人足底由橡胶材质做成， 用下原动节 23 和原动节 42 开始转动，由此带动左前腿
仿壁虎高空清洁机器人(改)PPT课件
It'S An Honor To Walk With You All The Way
演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
仿壁虎高空清洁机器人技术有待提高和 完善！
2020/11/22
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End
谢谢大家
仿壁虎高空清洁机器人
组员：黄海 冯梦丹 陶昌云 杨坤 徐昭 李炯炯
2020/11/22
目录
➢ 设计思路来源 ➢ 目前研究成果 ➢ 机构总体设计 ➢ 部件组成及功能 ➢ 创新点 ➢ 可行性 ➢ 展望
2020/11/22
设计思路来源
他们的共同点？
2020/11墙/22上的壁虎
高空作业人员
壁虎与高空作业
2020/11/22
部件组成及功能
• 作业清洗机构：初步设想该机构包括清洗系统、供
水系统、手动及遥控系统、污水收集处理系统等，能实现 喷水、清洗、污水收集及处理等循环清洗过程。(未建模)
2020/11/22
部件组成及功能
• 图像处理机构：由摄像头进行墙面图像采
集，显示屏应能清楚看到清洗前后壁面的 情况，便于后续清洗工作的继续进行。
2020/11/22
突破点
吸盘吸附机构的设计需进一步细化； 电机驱动控制机器人的姿态控制等问题需要深入研 究； 对清洗机器人的壁面适应性应进一步探讨，考虑使 用更加复杂有效的控制策略，提高仿壁虎高空清洗 机器人的适应能力。
仿壁虎机器人研究综述
01 摘要
03 综述
目录
02 引言 04 参考内容
摘要Байду номын сангаас
本次演示对仿壁虎机器人的研究现状及发展趋势进行了全面探讨。壁虎机器 人作为一种具有重要应用价值的特种机器人，其研究涉及多个学科领域。本次演 示首先介绍了壁虎机器人的基本概念、特点及应用背景，然后对目前的研究现状 进行了综述，最后展望了未来的发展趋势和需要进一步研究的问题。
3、面临的挑战和展望：尽管在仿生学应用于解决壁虎机器人脚掌粘性材料 问题上已经取得了一些进展，但仍面临许多挑战，如提高材料的粘附力和自清洁 能力、优化机器人的运动性能等。未来，我们可以通过进一步深入研究壁虎脚掌 的生物学特征、优化仿生材料的制备工艺和应用方案等途径，不断提高壁虎机器 人脚掌粘性材料的性能。
这种材料的功能主要表现在以下几个方面：
1、粘附能力：仿生材料能够通过分子间的相互作用力，如范德华力和氢键 等，与各种表面产生较强的粘附力。
2、自清洁能力：仿生材料具有自清洁能力，能够通过表面张力作用将灰尘 和污垢从材料表面清除。
3、适应能力：仿生材料能够适应各种表面形态和环境条件，从而保证机器 人的稳定行走。
（3）实现智能化：结合人工智能、机器学习等技术，使仿壁虎机器人能够 自主识别、判断和决策，从而更好地完成各种任务。
结论虽然仿壁虎机器人在多个领域已经展现出广泛的应用前景，但仍存在许 多挑战和问题需要进一步研究和解决。例如，如何实现仿壁虎机器人在复杂环境 下的稳定运动、如何提高其感知能力和自主决策能力等。此外，随着技术的不断 发展，仿壁虎机器人的应用领域也将不断拓展，需要研究者们不断探索和尝试。
参考内容二
随着科技的不断进步，机器人技术得到了日益广泛的应用。在许多领域，仿 人双臂协作机器人成为了研究热点。这类机器人具有类人的双臂结构和协同工作 能力，可以适应复杂环境下的各种任务。本次演示将探讨仿人双臂协作机器人的 设计研究，旨在为相关领域的发展提供有益的参考。
爪刺式爬壁机器人仿生机理与系统
在航空航天领域，该机器人可以用于卫星和空 间站的表面处理和维护，提高空间活动的安全 性。
此外，该机器人的仿生设计和吸附技术也可以 为其他领域提供启示和应用，例如在医疗、农 业、环保等领域。
在建筑领域，该机器人可以用于高层建筑的清洗和 维护，降低人工高空作业的风险。
社会效益方面，该研究不仅有助于提高生产效 率和安全性，还能为社会带来更多的就业机会 和经济效益。
驱动器布局
02
根据壁面地形和攀爬要求，合理布置驱动器数量和位置，实现
机器人的灵活运动。
驱动模式
03
采用脉冲调制方式，通过调节脉冲频率和宽度来实现机器人运
动速度和力量的精确控制。
控制系统设计
控制方式
采用分布式控制系统，将控制单元分散布置在机器人的各个部 分，实现局部的自主控制和全局的协调控制。
控制算法
材料优化
根据实际使用需求和性能测试结果，对仿生材料进行优化设计， 以提高其综合性能和稳定性。
材料加工工艺
研究仿生材料的加工工艺，如3D打印、精密铸造和机械加工等， 实现高效、精确的制造。
04
爪刺式爬壁机器人系统设 计
总体设计方案
1 2 3
基于生物学原理
爪刺式爬壁机器人设计灵感来源于壁虎、蜘蛛 等生物的爬行行为，利用仿生学的原理，实现 机器人在壁面上的稳定攀爬。
采用基于神经网络的自适应控制算法，根据环境信息和自身状 态实时调整运动策略，实现机器人的智能攀爬。
遥控操作
配备遥控器和接收器，可实现人工远程操作，便于进行调试和 应急处理。
感知系统设计
位姿感知
通过安装陀螺仪和加速度计等传感器，实时监测机器人的姿态和 位置信息，为控制算法提供数据支持。
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仿生壁虎爬墙机器人1208104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。