《仿壁虎机器人技术》俞志伟著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《仿壁虎机器人技术》

【作　者】俞志伟著

【页 数】 223

【出版社】 北京：北京理工大学出版社 , 2021.04

【ISBN号】978-7-5682-9719-6

【分 类】仿生机器人-设计-研究

【参考文献】 俞志伟著. 仿壁虎机器人技术. 北京：北京理工大学出版社, 2021.04.

图书封面：

图书目录：

《仿壁虎机器人技术》内容提要：

本书介绍了国内外爬壁机器人研究现状，分析了仿壁虎机器人特点；以壁虎为仿生对象，仿生设计基于干黏附技术仿壁虎机器人，建立了仿壁虎机器人单腿的运动学模型，分析仿壁虎机器人正逆解运动学方程；分析大壁虎的爬行步态，基于MATLAB开发设计一种针对脚掌姿态和落点位置参数可调的仿生步态规划方法；仿生设计了多种新型脚趾结构，并对脚趾结构进行受力分析，开展了不同脚趾结构和运动模式下最大法向黏附力测试；设计了空间仿壁虎机器人的尾巴，使机器人在模拟微重力下可以通过尾巴来调节自身姿态；设计三维力传感器，分析了仿壁虎机器人在接触面上碰撞时的作用力对其运动稳定性的影响因素，进行了空间仿壁虎机器人碰撞着陆实验；开展了仿壁虎机器人90°墙面和180°负表面的稳定运动控制，最终实现了全空间表面粘附运动控制，验证了仿壁虎机器人运动控制对不同倾斜度表面的适应能力。 本书是第一本关于干黏附仿壁虎机器人的专著，分别从结构设计、步态规划、运动仿真、运动控制和实验测试方面进行了系统性研究的工作总结。本书适合从事仿生机器人的科学研究者阅读，对相关足式爬壁机器人研究具有一定的指导和借鉴价值。

《仿壁虎机器人技术》内容试读

架

仿壁虎机器人技术

1.1仿壁虎机器人简介

机器人是自动控制机器(Robot)的俗称，自动控制机器包括一切模拟人类行为或思想及模拟其他生物的机械。当代工业中，机器人也指能自动执行任务的人造机器装置，用以取代或协助人类工作。伴随着传感技术、控制论、机构学和计算机等学科的发展，机器人已不只是代替劳动力的工具。人类在探索太空、开发海洋、军事与反恐等方面需求的增加，使得对机器人的性能提出了更高的要求山。我国从1987年实施国家“863”高技术研究发展计划以来，把智能机器人确立为自动化领域研发的主体之一，在特种机器人、机器人应用工程、机器人基础学科等方面取得很大成绩。其中非结构环境下的机器人是当今世界最重要的高技术之一，它集计算机、微电子、传感、自动控制等技术于

一身，已成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一。

为研究适应非结构环境的机器人，科学家的目光转向自然界，希望能从中得到灵感和启发，经过万亿年进化，大部分陆上动物为适应复杂多变的环境，选择足式结构作为其运动机构。足式运动机构具有越障能力强、地面适应性好、鲁棒性好以及运动方式多等优势，因此足式运动机构成为非结构环境机器人的优选结构，其中具有全方位三维空间无障碍的爬壁足式机器人在空间探索、反恐、航空航天器表面检测等方面具有广泛和迫切的需求2]。与其他运动机构系统（例如轮式运动系统）相比，足式机器人在结构设计、控制等方面

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第1章绪论

更为复杂，而自然界中动物对环境具有很强的适应性，我们可在仿生结构、机构运动和运动控制等方面进行仿生研究。

仿生学(Bionics)是20世纪60年代出现的一门综合性边缘科学，它由生命科学与工程技术学科相互渗透、相互结合而成，通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造新的机械、仪器、建筑和工艺过程。仿生学将有关生物学原理应用到对工程系统的研究与设计中，尤其对当今日益发展的机器人科学起到巨大的推动作用。在35亿年的进化过程中，生物发达灵巧的运动机构和机敏的运动模式，成为机器人技术创新发展的源泉之一。仿生机器人就是模仿自然界中生物的精巧结构、运动原理和行为方式等而制造的机器人系统。科学家们向生物学习，创造出了众多高性能的仿生机器人，如机器鱼、机器蛇、机器蝇等。

爬壁机器人是移动机器人的一个重要分支，又叫作壁面移动机器人，可在垂直墙壁攀爬并完成工作3]。根据结构的不同，主要将爬壁机器人分为以下几种：轮式爬壁机器人、履带式爬壁机器人、轨道式爬壁机器人以及足式爬壁机器人。轮式爬壁机器人运动速度快、稳定性好，但运动环境有限；履带式爬壁机器人结构简单、易操控、负载能力较强，但不易转弯，且能耗高、壁面适应性差；轨道式机器人稳定可靠易控制，但不够灵活；足式爬壁机器人的足端结构以生物足部为原型，足端吸附材料可根据需求选用磁铁、吸盘或者干黏附材料等，该类机器人运动依靠多足轮流吸附与脱落，越障能力较强且环境适应性较好，但其结构相对复杂、速度慢、控制难。

足式机器人环境适应性好、越障能力强、运动方式多变，成为特种机器人的首选运动机构。而仿生足式爬壁机器人因其具有全方位三维空间无障碍运动能力，在反恐反劫机、空间探索、航天器表面检测等领域具有更为广泛而又迫切的需求[46)。对于足式爬壁机器人而言，非连续约束时脚掌黏/脱附往复交替形成的足式机器人变约束状态，以及各关节的冗余驱动导致的受力不平衡，增加了机器人关节驱动的额外能耗，影响了爬壁机器人运动的稳定性。与墙面运动相比较，负表面运动的稳定性要求更高，对冗余驱动下运动和力协调控制要求更高，因此爬壁足式机器人实现负表面运动具有更高的难度和挑战性，也是真正实现空间三维表面无障碍运动的关键技术突破点。爬壁足式机器人的进一步发展面临着很多科学和技术问题，涉及爬壁足式机器人的仿生机构设计、多关节冗余驱动下的运动稳定性、运动协调控制等问题，需要进一步深入系统研究。

壁虎等生物可以轻松在竖直表面甚至倒置表面上任意爬行，因此研究工作者常常将这些生物作为仿生对象，以期研制出可实现三维空间无障碍运动的仿生机器人。国内外相关研究人员已经对大壁虎的黏附机理等方面做了大量的研究？。

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仿壁虎机器人技术

研制出的各种爬壁机器人在民用、军事、航天上具有广泛的用途，因而越来越受到人们的重视。但传统爬壁机器人的吸附原理和移动机理与真实壁虎还有一定差距，限制了其应用环境和工作范围，而壁虎的吸附原理和移动方式为突破传统爬壁机器人的限制提供新的思路，因而仿壁虎爬壁机器人成为一个新的研究方向。

壁虎脚掌具有范德华力的干黏附方式，具有各向异性特点，在与接触表面黏附时表现为单向黏附力较大而反方向黏附力较小，同时黏附力的方向性也使仿壁虎机器人在空间表面的运动更复杂。与常规的磁、负压或者正压吸附方式不同，具有范德华力的干性黏附方式可以不受黏附对象和环境介质的影响，能解决好空间表面黏附运动稳定性和运动协调问题。研制出具有各向异性的干黏附性能的仿壁虎机器人，对实现航空器、航天器外部表面检测等功能具有特殊的应用前景。

具有各向异性的干黏附性能的仿壁虎机器人，是爬壁机器人的重要分支，能够在垂直墙壁上黏附爬行运动，它可以作为特种环境下作业的一种自动机械装置，因此它能被应用于很多场合。例如在反恐行动中能够替代人完成监控恐怖分子的行动。仿壁虎机器人能够完成危险环境下的清洗作业，例如高楼的清洗和墙面的喷涂、核反应堆的清洗。仿壁虎机器人有着很强的运动灵活性，具有广阔的发展前景。本书介绍研制具有各向异性的干黏附性能的仿壁虎机器人，围绕仿生结构设计、运动学和动力学分析、运动步态规划和稳定运动控制等关键技术点进行深入研究。研制出基于干黏附技术的仿壁虎机器人，不仅能够实现仿壁虎机器人三维空间表面的运动、拓展其运动范围，更能减小空间失重环境下惯性力扰动，在航空航天领域具有特殊的应用前景。通过实验验证不同情况下自主黏/脱附脚掌的黏附性能，实现仿壁虎机器人在光滑负表面的稳定爬行，可以更好地揭示大壁虎负表面稳定协调运动机理，促进仿壁虎机器人的负表面稳定协调运动的实现，将在机器人技术领域产生重要的理论意义和应用价值。

|1.2仿壁虎机器人研究现状

1.2.1国内外爬壁机器人研究现状

仿壁虎机器人的研究主要在两个方面，一方面是黏附机理，另一方面是驱

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第1章绪论

动方式。因为仿生对象壁虎出色的爬壁能力，所以该项研究主要针对爬壁机器人开展。爬壁机器人因具备能够在垂直表面上实现稳定运动的出色能力，受到各行各业的关注与重视。目前为止，爬壁机器人广泛应用于造船业、建筑业、核工业、石化企业以及消防部门等领域0-。

爬壁机器人一般具备这两个基本功能，即吸附功能和移动功能。爬壁机器人有以下几类：

(1)按吸附方式分类，爬壁机器人主要有电磁、负压吸附、推力吸附、干黏附和湿黏附等类型。各种吸附类型的特点如表1.1所述。

表1.1爬壁机器人不同吸附类型的比较

吸附类型

优点

缺点

电磁

控制方便，稳定性高，无噪声

需要壁面导磁，耗电

负压吸附

受壁面材料影响小，技术成熟

需壁面光滑，需真空泵且有噪声

推力吸附

各种壁面均可

技术不成熟，能耗和噪声大

干黏附

对壁面要求小，无噪声

黏附材料加工难度大且易损耗

湿黏附

受壁面材料影响小，无噪声

技术不成熟，对壁面要求高

(2)按结构分类，爬壁机器人主要有吸盘式、车轮式、履带式和仿生足式等。它们的优缺点如表1.2所述。

表1.2爬壁机器人不同结构的比较

结构类型

优点

缺点

吸盘式

能跨越小障碍

移动速度慢，能源供给需求大

车轮式

移动速度快，控制灵活

维持一定的吸附力较困难

履带式

结构和控制简单，壁面适应性强

只能在平坦表面运行

仿生足式

较强越障能力，适应各种地形

控制复杂

(3)按驱动方式分类，爬壁机器人主要有气缸驱动和电动机驱动两种。比较常见的磁吸附式机器人由电动机驱动而真空式机器人由气缸驱动。气缸和电动机驱动都有质量大的缺点，难以减小机器人自重，另外它们的效率较低且能耗大。为解决这些问题，机器人可以采用舵机或超声电动机等驱动，具有输出力矩大、体积小、控制方便和精度高等优点。

目前国内已经出现多种不同的爬壁机器人[20)，这些爬壁机器人主要基

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仿壁虎机器人技术

于真空吸附和螺旋桨推力方式2]。中国科学院沈阳自动化研究所、上海交通大学、上海大学、哈尔滨工业大学和北京航空航天大学等单位对爬壁机器人做了大量研究。哈尔滨工业大学在爬壁机器人方面的研究开始比较早，其主要成

果有壁面爬行遥控检查机器人、CLR-I型和CLR-Ⅱ型壁面清洗机器人、除

渣及测厚爬壁机器人、水冷壁清扫机器人和微声爬壁机器人等，其中用于高楼壁面清洗的真空吸附式爬壁机器人如图1.1()所示31，图1.1(b)为微声爬壁机器人，它采用负压吸附式：微型风扇将机器人体内的空气吹出，在壁面上实现吸附，前进移动由四轮实现，另外还可以在外部装机械手臂，该机械手臂可抓持无线麦克风、摄像头等设备，应用前景广泛。

(a】

(b)

图1.1哈尔滨工业大学研制的爬壁机器人[3](a)真空吸附式爬壁机器人；(b)微声爬壁机器人

中国科学院沈阳自动化研究所研制出一种蠕虫式两足爬壁机器人Strider,.如图1.2所示，它采用微小型真空吸附方式4，s1。Strider由并排布置的两腿、左右两足、腰部以及4个转动关节组成，由两个电动机驱动（每条腿上各有一个驱动电动机)，运动方式为跨步行走，可以实现类似于人腿的交错运动。

右脚电磁铁

电池组

左脚电磁铁

右脚电动机

左脚电动机

右脚摩擦拉板

左脚摩擦拉板

带

小带轮

拾脚锥齿轮

旋转锥齿轮

J3

右脚吸泵

左脚吸泵

J4

左脚压力传感器

摄像头

右脚压力传感器

大带轮

图1.2 Strider机器人的结构【4,1s)

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···试读结束···