【機(jī)械類畢業(yè)論文中英文對(duì)照文獻(xiàn)翻譯】一種基于壁虎的仿生攀爬機(jī)器人

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引言 那些動(dòng)物身上的運(yùn)動(dòng)、傳感、導(dǎo)航和適應(yīng)能力很早就激發(fā)人類通過(guò)機(jī)器人來(lái)學(xué)習(xí)他們，本研究的目的就是確定攀爬機(jī)器人是否能夠?qū)崿F(xiàn)地球和外星探索的可能性。機(jī)器人與和它差不多的生物同行一樣需要?jiǎng)恿?、運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)等大規(guī)模系統(tǒng)，具有計(jì)算、傳感和自主性。發(fā)展仿生機(jī)器人的可能性能夠從動(dòng)物研究和目前技術(shù)方面進(jìn)行分析，蜥蜴的運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的發(fā)展，主要受制于人類對(duì)其能夠自動(dòng)執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)的愿望。人們主要是用這種機(jī)器人來(lái)清洗高層建筑物以及檢驗(yàn)在危險(xiǎn)環(huán)境中的像用于石油工業(yè)和核能發(fā)電站的儲(chǔ)油罐等。最近，已經(jīng)出現(xiàn)了對(duì)利用機(jī)器人使其在失重環(huán)境下工作感興趣，以用來(lái)檢驗(yàn)和修理太空交通工具，幫助宇航員解決他們的冒險(xiǎn)性操作。用作表面攀爬和用于步行的機(jī)器人已經(jīng)變得至關(guān)重要了，它們可以用來(lái)進(jìn)行檢查和對(duì)航天飛機(jī)、衛(wèi)星、核能工廠和建筑物的維護(hù)，搜尋和拯救國(guó)土安全，到行星或是危險(xiǎn)地區(qū)的探索，標(biāo)識(shí)油箱容量規(guī)模，攜帶有效載荷高，也可以用來(lái)清洗、噴砂、噴漆和在微觀制造業(yè)等的應(yīng)用。那些自主的機(jī)器人通常遭遇的是非組織的環(huán)境，它們通過(guò)腿的步行和攀爬運(yùn)動(dòng)能夠很容易的克服那些障礙。 攀爬動(dòng)物了激發(fā)人類發(fā)展機(jī)器人的可能，使其能夠在危險(xiǎn)環(huán)境下訪問(wèn)和運(yùn)行。許多動(dòng)物，比如蟑螂、甲蟲(chóng)、螞蟻和蟋蟀，能夠攀爬并使用它們主毛細(xì)血管的力量粘附在表面上，當(dāng)甲蟲(chóng)牢牢的粘附在表層的時(shí)候，它們能夠承受比自己身體重20倍的負(fù)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(guò)微觀上的長(zhǎng)寬高比屈從β角結(jié)構(gòu)的方法制定在機(jī)器人腳上，它們便能夠用一個(gè)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(jī)器人，所用的戰(zhàn)略方案是通過(guò)調(diào)查和分析壁虎的攀爬性能，并進(jìn)一步介紹了創(chuàng)造者制造出的兩個(gè)機(jī)器人模型時(shí)，需要經(jīng)歷的設(shè)計(jì)、裝配和測(cè)試階段。第一個(gè)機(jī)器人叫剛性壁虎機(jī)器人（簡(jiǎn)稱RGR），創(chuàng)造者構(gòu)想把它放到太空中進(jìn)行活動(dòng)，所以可靠性和健全性對(duì)RGR來(lái)說(shuō)是最重要的因素。第二個(gè)機(jī)器人叫做兼容壁虎機(jī)器人（簡(jiǎn)稱CGR），它被構(gòu)思設(shè)計(jì)為小型化，由于標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)和腳關(guān)節(jié)均很小，把它像常規(guī)機(jī)器人一樣的剛性連接在本質(zhì)上是很困難的，因此一種新型的由壁虎啟發(fā)的骨干結(jié)構(gòu)被研制了，它是由形狀記憶合金（SMA）微型導(dǎo)線驅(qū)動(dòng)。 1.問(wèn)題的定義 攀爬機(jī)器人的新穎獨(dú)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(shù)木上，在沙漠和太空中，在海底等等） ?更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間和范圍：目前，由于自動(dòng)的微型機(jī)器人本身小，因而受限于它們?cè)诖系碾娫磥?lái)源。一旦使用低功率的附件使機(jī)器人移動(dòng)，并利用干燥的合成膠對(duì)其進(jìn)行拆卸，機(jī)器人的運(yùn)行范圍也將被擴(kuò)大。此外，干膠黏合劑具有自我干燥的性能，它還結(jié)合了在纖維所允許的非降解性能下的高抗拉強(qiáng)度，使用壽命較長(zhǎng)。 ?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(shí)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(shè)計(jì)，可訪問(wèn)小面積區(qū)域。 ?當(dāng)機(jī)器人為維護(hù)工作執(zhí)行重要任務(wù)時(shí)，能夠在明確的機(jī)械工作中產(chǎn)生很高的約束粘附力。 ?通過(guò)綜合遙感和操縱工具，能自主在線監(jiān)測(cè)、檢查和表面維護(hù)。 為了開(kāi)發(fā)一種具有高性能的垂直攀爬機(jī)器人，創(chuàng)造者對(duì)最敏捷的攀爬動(dòng)物——壁虎進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究和分析，分析了運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并模擬了兩個(gè)三維壁虎模型。那些模擬結(jié)果表明了攀爬機(jī)器人具有以下特點(diǎn)： （1） 質(zhì)量中心接近垂直的表面； （2） 輕型結(jié)構(gòu)； （3） 可靠的系統(tǒng)； （4） 穩(wěn)健的運(yùn)動(dòng)。 盡管采取了來(lái)自大自然的逆向工程思維，但要從工程可能性角度來(lái)看，為了設(shè)計(jì)出一個(gè)比較可取的系統(tǒng)，仿生抽象的級(jí)別必須要明確規(guī)定，為此，創(chuàng)造者的目標(biāo)是要設(shè)計(jì)出能夠在斜面攀爬的機(jī)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(jīng)濟(jì)上都合適的黏合劑已經(jīng)被測(cè)試過(guò)，具有良好的吸附性能和可重復(fù)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(kuò)大測(cè)試范圍，能夠促進(jìn)新型攀爬機(jī)器人的發(fā)展。 我們希望開(kāi)發(fā)出一種機(jī)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(lái)的機(jī)器人不需要笨重的輔助馬達(dá)和傳感器來(lái)阻礙它的攀爬行動(dòng)。在這里，被提議的設(shè)計(jì)假設(shè)了攀爬時(shí)是在沒(méi)有任何障礙的相對(duì)平坦表面上。 2.機(jī)器人設(shè)計(jì) 壁虎主要在三個(gè)方面上不同于其它爬行動(dòng)物：干燥的黏性肉墊、幾何特征的腳和步態(tài)。為此，要設(shè)計(jì)出一種模擬壁虎的機(jī)器人，這三個(gè)方面顯然被研究過(guò)了，在本節(jié)中，就對(duì)此介紹并討論開(kāi)發(fā)攀爬機(jī)器人模型的方案。 3.1 黏性肉墊 許多工作主要是為攀爬機(jī)器人開(kāi)發(fā)黏合機(jī)械裝置，抽吸黏合就需要機(jī)器人攜帶一個(gè)隨身泵，這樣就能創(chuàng)造出一個(gè)能貼在墻上或天花板上的內(nèi)部真空杯，許多小組主要都是使用真空吸引器開(kāi)發(fā)出了爬壁機(jī)器人。然而，一個(gè)抽吸機(jī)械裝置會(huì)消耗很高的功率，并且在拆卸時(shí)相對(duì)比較慢，除此之外，在密封條件下出現(xiàn)任何隙縫都可能導(dǎo)致機(jī)器人墜落。最后，抽吸黏合的機(jī)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(gè)裝置不能應(yīng)用到太空中去。另外一種常見(jiàn)類型的黏附裝置就是帶有磁性的，磁性黏合已經(jīng)被投入到爬壁機(jī)器人中去用來(lái)執(zhí)行一些特殊的任務(wù)，例如核設(shè)施的檢測(cè)。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(chǎn)生利用價(jià)值，因此把它投入到大部分應(yīng)用中的方案也是不可取的。 另外一個(gè)方案是研究被動(dòng)吸附的機(jī)械裝置，和那些經(jīng)常被攀爬動(dòng)物使用的相似。舉個(gè)例子說(shuō)，當(dāng)蛤蚧壁虎承受300g的重量并移動(dòng)35cm的距離時(shí)，它仍然能夠緊抓光滑的墻壁逆向跑，獨(dú)特的黏性肉墊給壁虎帶來(lái)難以置信的移動(dòng)和攀爬性能。最近，納米技術(shù)已經(jīng)為模擬壁虎進(jìn)行設(shè)計(jì)的干燥黏合劑成立了新的制造技術(shù)，壁虎有了微觀上納米級(jí)的長(zhǎng)寬高比屈從β角結(jié)構(gòu)的腳掌，它便能夠用一個(gè)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(chǎn)生，腳毛有一個(gè)從微米級(jí)（花柄）到納米級(jí)（刮鏟花柄）的分支結(jié)構(gòu)，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(xué)對(duì)它就沒(méi)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(huì)起作用，使用合成膠模擬壁虎的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被采用，預(yù)計(jì)它將會(huì)有一個(gè)理想的結(jié)果。如今，直徑為4nm，采用的是微成型技術(shù)的聚合物微纖維已經(jīng)上市，說(shuō)它具有高精確性也是可能的，然而開(kāi)發(fā)攀爬機(jī)器人的原型需要可靠的商用黏合劑，這樣才能應(yīng)用于大量的測(cè)試中。介于這個(gè)原因，有兩種商用黏合劑已經(jīng)投入試驗(yàn)：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(dāng)然前提是相同實(shí)用原則下），通過(guò)對(duì)靠在表面上的材料預(yù)加負(fù)載，使接觸面積最大化，進(jìn)而建立分子間的相互作用。 圖.1顯示了使用自定義測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)果，黏合劑有95 mm 2的大小，它們被75mN的負(fù)載裝在玻璃表面上，一個(gè)接近0.08mm/s的速度和0.4mm/s的撤銷速度，接觸時(shí)間為1s。圖.1同時(shí)也說(shuō)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(yīng)用到機(jī)器人中去。 附件2：外文原文（復(fù)印件）