【期刊】一种基于壁虎的仿生攀爬机器人-中文翻译

南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院毕业设计(论文)外文资料翻译系： 机 械 工 程 系 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 姚 金 燕 学 号： 0 6 0 1 0 4 2 3 7 外文出处：Journal of Bionic Engineering 3 (2006) 115-125 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。指导教师评语：译文语句通顺，术语表达正确，错误较少。但译文的版面应该进行仔细编辑。签名： (用外文写) 2010 年 3 月 25 日注：请将该封面与附件装订成册。附件 1：外文资料翻译译文一种基于壁虎的仿生攀爬机器人摘要壁虎攀登的优良性能激发了工程师和设计人员对在垂直表面上移动进行仿造系统设计, 登山机器人可以执行诸如侦察、检查、修理、清洗和探索等许多有益的工作, 本文介绍并讨论了设计、制造及对两个攀爬机器人模仿壁虎步态的评价。第一个被设计的机器人考虑的是在地球上和太空中的宏观操作；第二个机器人，之所以能够控制其运动是利用形状记忆合金作为制动器，目的是能够简单的为微观应用扩大规模，拟采用的仿生系统是能够以 20mm/s的速度爬上 65°的斜坡。关键词：壁虎，机器人，仿生，攀爬，太空记忆合金 引言那些动物身上的运动、传感、导航和适应能力很早就激发人类通过机器人来学习他们，本研究的目的就是确定攀爬机器人是否能够实现地球和外星探索的可能性。机器人与和它差不多的生物同行一样需要动力、运动和驱动等大规模系统，具有计算、传感和自主性。发展仿生机器人的可能性能够从动物研究和目前技术方面进行分析，蜥蜴的运动能力和仿生道具为垂直表面上的攀爬提供有利条件。攀爬机器人的发展，主要受制于人类对其能够自动执行风险任务的愿望。人们主要是用这种机器人来清洗高层建筑物以及检验在危险环境中的像用于石油工业和核能发电站的储油罐等。最近，已经出现了对利用机器人使其在失重环境下工作感兴趣，以用来检验和修理太空交通工具，帮助宇航员解决他们的冒险性操作。用作表面攀爬和用于步行的机器人已经变得至关重要了，它们可以用来进行检查和对航天飞机、卫星、核能工厂和建筑物的维护，搜寻和拯救国土安全，到行星或是危险地区的探索，标识油箱容量规模，携带有效载荷高，也可以用来清洗、喷砂、喷漆和在微观制造业等的应用。那些自主的机器人通常遭遇的是非组织的环境，它们通过腿的步行和攀爬运动能够很容易的克服那些障碍。攀爬动物了激发人类发展机器人的可能，使其能够在危险环境下访问和运行。许多动物，比如蟑螂、甲虫、蚂蚁和蟋蟀，能够攀爬并使用它们主毛细血管的力量粘附在表面上，当甲虫牢牢的粘附在表层的时候，它们能够承受比自己身体重20倍的负载；壁虎的能力是在表面攀爬，却也引起了几十年的注意了，人们通过微观上的长宽高比屈从 角结构的方法制定在机器人脚上，它们便能够用一个约束的接触区粘附在任何表面。本文提出并讨论一种新型的由壁虎启发的机器人，所用的战略方案是通过调查和分析壁虎的攀爬性能，并进一步介绍了创造者制造出的两个机器人模型时，需要经历的设计、装配和测试阶段。第一个机器人叫刚性壁虎机器人（简称 RGR） ，创造者构想把它放到太空中进行活动，所以可靠性和健全性对 RGR来说是最重要的因素。第二个机器人叫做兼容壁虎机器人（简称 CGR） ，它被构思设计为小型化，由于标准电机和脚关节均很小，把它像常规机器人一样的刚性连接在本质上是很困难的，因此一种新型的由壁虎启发的骨干结构被研制了，它是由形状记忆合金（SMA）微型导线驱动。1.问题的定义攀爬机器人的新颖独特的特征是：能够在任何环境下的任何粗糙表面和材料上攀爬（比如在建筑物、岩石和树木上，在沙漠和太空中，在海底等等）更长的运行时间和范围：目前，由于自动的微型机器人本身小，因而受限于它们在船上的电源来源。一旦使用低功率的附件使机器人移动，并利用干燥的合成胶对其进行拆卸，机器人的运行范围也将被扩大。此外，干胶黏合剂具有自我干燥的性能，它还结合了在纤维所允许的非降解性能下的高抗拉强度，使用寿命较长。由于在任何方向上都能快速连接和拆卸，因此具有高的可操作性、速度和灵活性。可携带的有效载荷较高（一般一只壁虎在爬壁的时候可携带的有效载荷和它本身的体重相等）由于它们本身的小型化设计，可访问小面积区域。当机器人为维护工作执行重要任务时，能够在明确的机械工作中产生很高的约束粘附力。通过综合遥感和操纵工具，能自主在线监测、检查和表面维护。为了开发一种具有高性能的垂直攀爬机器人，创造者对最敏捷的攀爬动物壁虎进行运动学的研究和分析，分析了运动数据并模拟了两个三维壁虎模型。那些模拟结果表明了攀爬机器人具有以下特点：（1） 质量中心接近垂直的表面；（2） 轻型结构；（3） 可靠的系统；（4） 稳健的运动。尽管采取了来自大自然的逆向工程思维，但要从工程可能性角度来看，为了设计出一个比较可取的系统，仿生抽象的级别必须要明确规定，为此，创造者的目标是要设计出能够在斜面攀爬的机器人模型，并且决定先只考虑壁虎的能吸附于墙壁的功能特征。商用上和经济上都合适的黏合剂已经被测试过，具有良好的吸附性能和可重复性行为，这些黏合剂和壁虎的毛发有相同的吸附功效，也适合扩大测试范围，能够促进新型攀爬机器人的发展。我们希望开发出一种机器人，它只有必要的自由度和只使用攀爬所需的基本部件，因此，被制造出来的机器人不需要笨重的辅助马达和传感器来阻碍它的攀爬行动。在这里，被提议的设计假设了攀爬时是在没有任何障碍的相对平坦表面上。2.机器人设计壁虎主要在三个方面上不同于其它爬行动物：干燥的黏性肉垫、几何特征的脚和步态。为此，要设计出一种模拟壁虎的机器人，这三个方面显然被研究过了，在本节中，就对此介绍并讨论开发攀爬机器人模型的方案。3.1 黏性肉垫许多工作主要是为攀爬机器人开发黏合机械装置，抽吸黏合就需要机器人携带一个随身泵，这样就能创造出一个能贴在墙上或天花板上的内部真空杯，许多小组主要都是使用真空吸引器开发出了爬壁机器人。然而，一个抽吸机械装置会消耗很高的功率，并且在拆卸时相对比较慢，除此之外，在密封条件下出现任何隙缝都可能导致机器人坠落。最后，抽吸黏合的机械装置需要周围的大气压使其紧贴于墙壁，所以，由于在太空中是零压力的环境，这个装置不能应用到太空中去。另外一种常见类型的黏附装置就是带有磁性的，磁性黏合已经被投入到爬壁机器人中去用来执行一些特殊的任务，例如核设施的检测。尽管如此，磁性装置仅仅在表面上有铁磁的特别环境中产生利用价值，因此把它投入到大部分应用中的方案也是不可取的。另外一个方案是研究被动吸附的机械装置，和那些经常被攀爬动物使用的相似。举个例子说，当蛤蚧壁虎承受 300g的重量并移动 35cm的距离时，它仍然能够紧抓光滑的墙壁逆向跑，独特的黏性肉垫给壁虎带来难以置信的移动和攀爬性能。最近，纳米技术已经为模拟壁虎进行设计的干燥黏合剂成立了新的制造技术，壁虎有了微观上纳米级的长宽高比屈从 角结构的脚掌，它便能够用一个受压力约束的接触区粘附在任何表面。这种黏附主要是由诸如范德瓦尔斯作用力的分子作用力产生，脚毛有一个从微米级（花柄）到纳米级（刮铲花柄）的分支结构，毛发还能够弯曲以便能容纳各种各样的表面粗糙度，一旦干燥的黏合剂是基于范德瓦尔斯作用力，表面化学对它就没有多少影响了，用这种方法能使干燥黏合剂在几乎所有表面都会起作用，使用合成胶模拟壁虎的结构已经被采用，预计它将会有一个理想的结果。如今，直径为 4nm，采用的是微成型技术的聚合物微纤维已经上市，说它具有高精确性也是可能的，然而开发攀爬机器人的原型需要可靠的商用黏合剂，这样才能应用于大量的测试中。介于这个原因，有两种商用黏合剂已经投入试验：橡皮泥®和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。我们分别选了这两种材料作为它们工作的壁虎黏合剂（当然前提是相同实用原则下），通过对靠在表面上的材料预加负载，使接触面积最大化，进而建立分子间的相互作用。图.1 显示了使用自定义测量试验台的结果，黏合剂有 95 mm 2的大小，它们被75mN的负载装在玻璃表面上，一个接近 0.08mm/s的速度和 0.4mm/s的撤销速度，接触时间为 1s。图.1 同时也说明，在这 1s的接触阶段，由于黏合材料的可塑性，附加载荷慢慢减小。在这一阶段，黏合剂屈从了表面粗糙程度并且填满微观间隙，此外，图.1 还显示了橡皮泥® 施加的最高正常的附着力。因此，这种材料被我们选定应用到机器人中去。附件 2：外文原文（复印件）