仿生六足機器人機構的設計

仿生六足機器人機構的設計,仿生六足機器人機構的設計,仿生,機器人,機構,設計 南 京 理 工 大 學 紫 金 學 院 畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯 系： 機 械 工 程 系 專 業(yè)： 機械工程及自動化 姓 名： 姚 金 燕 學 號： 0 6 0 1 0 4 2 3 7 (用外文寫) 外文出處：Journal of Bionic Engineering 3 (2006) 115-125 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導教師評語： 譯文語句通順，術語表達正確，錯誤較少。但譯文的版面應該進行仔細編輯。 簽名： 2010 年 3 月 25 日 注：請將該封面與附件裝訂成冊。 附件1：外文資料翻譯譯文 一種基于壁虎的仿生攀爬機器人 摘要 壁虎攀登的優(yōu)良性能激發(fā)了工程師和設計人員對在垂直表面上移動進行仿造系統(tǒng)設計, 登山機器人可以執(zhí)行諸如偵察、檢查、修理、清洗和探索等許多有益的工作, 本文介紹并討論了設計、制造及對兩個攀爬機器人模仿壁虎步態(tài)的評價。第一個被設計的機器人考慮的是在地球上和太空中的宏觀操作；第二個機器人，之所以能夠控制其運動是利用形狀記憶合金作為制動器，目的是能夠簡單的為微觀應用擴大規(guī)模，擬采用的仿生系統(tǒng)是能夠以20mm/s的速度爬上65°的斜坡。 關鍵詞：壁虎，機器人，仿生，攀爬，太空記憶合金 alloy 引言 那些動物身上的運動、傳感、導航和適應能力很早就激發(fā)人類通過機器人來學習他們，本研究的目的就是確定攀爬機器人是否能夠實現地球和外星探索的可能性。機器人與和它差不多的生物同行一樣需要動力、運動和驅動等大規(guī)模系統(tǒng)，具有計算、傳感和自主性。發(fā)展仿生機器人的可能性能夠從動物研究和目前技術方面進行分析，蜥蜴的運動能力和仿生道具為垂直表面上的攀爬提供有利條件。 攀爬機器人的發(fā)展，主要受制于人類對其能夠自動執(zhí)行風險任務的愿望。人們主要是用這種機器人來清洗高層建筑物以及檢驗在危險環(huán)境中的像用于石油工業(yè)和核能發(fā)電站的儲油罐等。最近，已經出現了對利用機器人使其在失重環(huán)境下工作感興趣，以用來檢驗和修理太空交通工具，幫助宇航員解決他們的冒險性操作。用作表面攀爬和用于步行的機器人已經變得至關重要了，它們可以用來進行檢查和對航天飛機、衛(wèi)星、核能工廠和建筑物的維護，搜尋和拯救國土安全，到行星或是危險地區(qū)的探索，標識油箱容量規(guī)模，攜帶有效載荷高，也可以用來清洗、噴砂、噴漆和在微觀制造業(yè)等的應用。那些自主的機器人通常遭遇的是非組織的環(huán)境，它們通過腿的步行和攀爬運動能夠很容易的克服那些障礙。 攀爬動物了激發(fā)人類發(fā)展機器人的可能，使其能夠在危險環(huán)境下訪問和運行。許多動物，比如蟑螂、甲蟲、螞蟻和蟋蟀，能夠攀爬并使用它們主毛細血管的力量粘附在表面上，當甲蟲牢牢的粘附在表層的時候，它們能夠承受比自己身體重20倍的負載；壁虎的能力是在表面攀爬，卻也引起了幾十年的注意了，人們通過微觀上的長寬高比屈從β角結構的方法制定在機器人腳上，它們便能夠用一個約束的接觸區(qū)粘附在任何表面。 本文提出并討論一種新型的由壁虎啟發(fā)的機器人，所用的戰(zhàn)略方案是通過調查和分析壁虎的攀爬性能，并進一步介紹了創(chuàng)造者制造出的兩個機器人模型時，需要經歷的設計、裝配和測試階段。第一個機器人叫剛性壁虎機器人（簡稱RGR），創(chuàng)造者構想把它放到太空中進行活動，所以可靠性和健全性對RGR來說是最重要的因素。第二個機器人叫做兼容壁虎機器人（簡稱CGR），它被構思設計為小型化，由于標準電機和腳關節(jié)均很小，把它像常規(guī)機器人一樣的剛性連接在本質上是很困難的，因此一種新型的由壁虎啟發(fā)的骨干結構被研制了，它是由形狀記憶合金（SMA）微型導線驅動。 1.問題的定義 攀爬機器人的新穎獨特的特征是： ?能夠在任何環(huán)境下的任何粗糙表面和材料上攀爬（比如在建筑物、巖石和樹木上，在沙漠和太空中，在海底等等） ?更長的運行時間和范圍：目前，由于自動的微型機器人本身小，因而受限于它們在船上的電源來源。一旦使用低功率的附件使機器人移動，并利用干燥的合成膠對其進行拆卸，機器人的運行范圍也將被擴大。此外，干膠黏合劑具有自我干燥的性能，它還結合了在纖維所允許的非降解性能下的高抗拉強度，使用壽命較長。 ?由于在任何方向上都能快速連接和拆卸，因此具有高的可操作性、速度和靈活性。 ?可攜帶的有效載荷較高（一般一只壁虎在爬壁的時候可攜帶的有效載荷和它本身的體重相等） ?由于它們本身的小型化設計，可訪問小面積區(qū)域。 ?當機器人為維護工作執(zhí)行重要任務時，能夠在明確的機械工作中產生很高的約束粘附力。 ?通過綜合遙感和操縱工具，能自主在線監(jiān)測、檢查和表面維護。 為了開發(fā)一種具有高性能的垂直攀爬機器人，創(chuàng)造者對最敏捷的攀爬動物——壁虎進行運動學的研究和分析，分析了運動數據并模擬了兩個三維壁虎模型。那些模擬結果表明了攀爬機器人具有以下特點： （1） 質量中心接近垂直的表面； （2） 輕型結構； （3） 可靠的系統(tǒng)； （4） 穩(wěn)健的運動。 盡管采取了來自大自然的逆向工程思維，但要從工程可能性角度來看，為了設計出一個比較可取的系統(tǒng)，仿生抽象的級別必須要明確規(guī)定，為此，創(chuàng)造者的目標是要設計出能夠在斜面攀爬的機器人模型，并且決定先只考慮壁虎的能吸附于墻壁的功能特征。商用上和經濟上都合適的黏合劑已經被測試過，具有良好的吸附性能和可重復性行為，這些黏合劑和壁虎的毛發(fā)有相同的吸附功效，也適合擴大測試范圍，能夠促進新型攀爬機器人的發(fā)展。 我們希望開發(fā)出一種機器人，它只有必要的自由度和只使用攀爬所需的基本部件，因此，被制造出來的機器人不需要笨重的輔助馬達和傳感器來阻礙它的攀爬行動。在這里，被提議的設計假設了攀爬時是在沒有任何障礙的相對平坦表面上。 2.機器人設計 壁虎主要在三個方面上不同于其它爬行動物：干燥的黏性肉墊、幾何特征的腳和步態(tài)。為此，要設計出一種模擬壁虎的機器人，這三個方面顯然被研究過了，在本節(jié)中，就對此介紹并討論開發(fā)攀爬機器人模型的方案。 3.1 黏性肉墊 許多工作主要是為攀爬機器人開發(fā)黏合機械裝置，抽吸黏合就需要機器人攜帶一個隨身泵，這樣就能創(chuàng)造出一個能貼在墻上或天花板上的內部真空杯，許多小組主要都是使用真空吸引器開發(fā)出了爬壁機器人。然而，一個抽吸機械裝置會消耗很高的功率，并且在拆卸時相對比較慢，除此之外，在密封條件下出現任何隙縫都可能導致機器人墜落。最后，抽吸黏合的機械裝置需要周圍的大氣壓使其緊貼于墻壁，所以，由于在太空中是零壓力的環(huán)境，這個裝置不能應用到太空中去。另外一種常見類型的黏附裝置就是帶有磁性的，磁性黏合已經被投入到爬壁機器人中去用來執(zhí)行一些特殊的任務，例如核設施的檢測。盡管如此，磁性裝置僅僅在表面上有鐵磁的特別環(huán)境中產生利用價值，因此把它投入到大部分應用中的方案也是不可取的。 另外一個方案是研究被動吸附的機械裝置，和那些經常被攀爬動物使用的相似。舉個例子說，當蛤蚧壁虎承受300g的重量并移動35cm的距離時，它仍然能夠緊抓光滑的墻壁逆向跑，獨特的黏性肉墊給壁虎帶來難以置信的移動和攀爬性能。最近，納米技術已經為模擬壁虎進行設計的干燥黏合劑成立了新的制造技術，壁虎有了微觀上納米級的長寬高比屈從β角結構的腳掌，它便能夠用一個受壓力約束的接觸區(qū)粘附在任何表面。這種黏附主要是由諸如范德瓦爾斯作用力的分子作用力產生，腳毛有一個從微米級（花柄）到納米級（刮鏟花柄）的分支結構，毛發(fā)還能夠彎曲以便能容納各種各樣的表面粗糙度，一旦干燥的黏合劑是基于范德瓦爾斯作用力，表面化學對它就沒有多少影響了，用這種方法能使干燥黏合劑在幾乎所有表面都會起作用，使用合成膠模擬壁虎的結構已經被采用，預計它將會有一個理想的結果。如今，直徑為4nm，采用的是微成型技術的聚合物微纖維已經上市，說它具有高精確性也是可能的，然而開發(fā)攀爬機器人的原型需要可靠的商用黏合劑，這樣才能應用于大量的測試中。介于這個原因，有兩種商用黏合劑已經投入試驗：橡皮泥?和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。我們分別選了這兩種材料作為它們工作的壁虎黏合劑（當然前提是相同實用原則下），通過對靠在表面上的材料預加負載，使接觸面積最大化，進而建立分子間的相互作用。 圖.1顯示了使用自定義測量試驗臺的結果，黏合劑有95 mm 2的大小，它們被75mN的負載裝在玻璃表面上，一個接近0.08mm/s的速度和0.4mm/s的撤銷速度，接觸時間為1s。圖.1同時也說明，在這1s的接觸階段，由于黏合材料的可塑性，附加載荷慢慢減小。在這一階段，黏合劑屈從了表面粗糙程度并且填滿微觀間隙，此外，圖.1還顯示了橡皮泥? exerts the highest normal adhesive force and 施加的最高正常的附著力。因此，這種材料被我們選定應用到機器人中去。 附件2：外文原文（復印件）