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。

1.原理：
第一，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，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。

第二，壁虎之所以能够从地面以90度角直接爬墙，在于其身体就有一定的柔软性。

所以机器人用普通的齿轮连杆机构来驱动前爪是不现实的。

2.联动
原理中提到如果使用齿轮传动会给机器人的运作带来不便，所以我们小组经过讨论采用液压传动。

液压传动以液体作为工作介质，利用液体压力能来进行能量传递的传动方式。

液压传动系统的组成有下面几个部分：动力元件；执行元件；控制元件；辅助元件；工作介质这五个部分。

液压传动的优点：在相同输出功率的情况下，液压传
动装置的重量轻，结构紧凑，惯性小。

满足我们的设计要求，满足壁虎的轻小，适合复杂地形的运动。

液压传动操纵方便，易于控制。

通过控制阀，可方便地改变油液的压力大小，流动方向及流量大小，来控制执行机构输出力大小，运动方向及其速度。

我们可以采用电、液联合应用时，易于实现复杂的自动工作循环。

这样可以使壁虎自行爬行。

并且液压元件易于实现系列、标准化和通用化，便于设计、制造、维修。

但是由于介质动力油性质敏感，油的粘度受影响较大。

不宜在高温或者低温下工作。

所以我们将设计壁虎外壳时将采用可以保温的材料，尽可能的保护内部的温度恒定。

虽然由于油液的可压缩性和泄露等因素影响，液压不能保证严格的传动比，但是不影响我们设计的运动。

液压传动还存在一些缺点，但是相比其他传动而言，液压比较适合我们的设计。

3.传动：
壁虎在爬行时，其传动机构我们采用凸轮机构。

凸轮作机构的原动件。

凸轮机构是一种由凸轮、从动件和机架组成的高副传动机构。

凸轮的是具有曲线轮廓形状的构件，其运动方式是连续等速回转。

我们将采用盘形凸轮，结构简单实用。

推程计算，当尖顶与凸轮轮廓上的A点（基圆与轮廓AB的连接点）相接触时，从动件处于上升的起始位置。

当凸轮以w等角速度逆时针方向回转Ψ时，从动件尖顶被凸轮轮廓推动，以一定的规律由距回转中心最近位置A到达Bˊ，这个过程即为推程。

行程:从动件在推程中所走的距离h。

从动件位移图：在直角坐标系中，以横坐标代表凸轮转角θ，以纵坐标代表从动
件位移S，下图即为从动件的位移S与凸轮转角θ之间的关系曲线。

因为一般凸轮作等速转动，所以横坐标同时也代表时间t。

我们设计成凸轮机构作为传动机构，只需要设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便。

虽然凸轮从动件行程不能过大，但是不影响我们的设计。

壁虎在运动时候的每次前进的距离都不是很大。

4.爬行：
我们通过柱塞泵使用柱塞与壁虎的前脚使用角链接通过柱塞的推动
使壁虎侧面抬起前脚。

柱塞泵是依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容积发生变化来实现吸油和压油的。

柱塞泵它工作压力高，易于变量，流量范围大。

柱塞泵按其柱塞排列方向不同，可分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵两大类。

我们此次仿生壁虎将采用轴向柱塞泵。

下图为斜盘式轴向柱塞泵的工作原理图。

斜盘式轴向柱塞泵由传动轴1、斜盘2、柱塞3、缸体4和配流盘5等零件组成。

传动轴带动缸体旋转，斜盘和陪流盘是固定不动的。

柱塞俊分布于缸体内，并且柱塞头部考机械装置或在低压油最用下紧压在斜盘上。

斜盘的法线和缸体轴线交角为斜盘倾角λ。

当传动角按图示方向旋转时，柱塞一方面随缸体转动，另一方面还在机械装置或低压油的作用下，在缸体内作往复运动，柱塞在其自下而上的半圆周内旋转时逐渐向外伸出，由此将推动前脚右倾。

缸体每转动一周，每个柱塞往复运动一次，完成吸油、压油一次。

还可以通过改变斜角λ的大小，从而改变柱塞行程的长度。

我们将壁虎的爬行分为四个周期即，抬起脚，脚向前伸，脚落地，脚与身
体做相对运动，将身体向前拉。

实现壁虎身体向前爬行。

当然壁虎的四肢不能同时悬空，所以我们可以改变推动壁虎柱塞的位置，使壁虎脚处于不同的位置，四肢的最初运动状态是不一样的。

在壁虎爬行的过程中只有两只脚着地，就是对角线的两只脚。

这样壁虎在运动时防止使壁虎的爬行变成拖动。

或者我们使用单片机，通过控制单片机发送四个不同的脉冲信号（0001,0010，0100，1000）来控制壁虎前脚的运动状态。

从而控制壁虎的爬行。

5.机构运动过程：
壁虎的后脚由凸轮机构进行控制。

利用凸轮机构的特点来使壁虎后脚的抬起落下。

壁虎前脚柱塞泵的推动，来实现前脚的伸缩。

我们使用液压马达的原理，对压力油输入液压马达时，分为进油腔的顶出，和出油腔的收缩。

当然，在壁虎运动的过程之中，这两个腔是来回变换的。

我们就是控制柱塞在两腔的位置，来改变仿生壁虎脚的初始状态。

因为对角线的两个前脚与后脚都是处于相同的工作状态的。

我们在每个脚上都安装小电机来驱动。

每个电机的电线都是由同一个单片机进行控制。

单片机将置于壁虎的腹部位置。

使用编辑好的程序通过单片机来控制壁虎脚的运动，从而实现壁虎的运动。

在整个壁虎结构中，需要保护油路，防止油路堵塞或者断路。

所以壁虎的外壳将采用保温，塑性，韧性良好的材料。

6.壁虎的头部：
壁虎的头部相对于壁虎的脚而言，设计起来就会简单了许多。

壁虎的头部和身体由万向联轴器相连头部可以在360度进行旋转。

壁
虎的两只眼睛将会由两个微型摄像探头所取代。

并且安装了夜视镜，可以全天候工作。

将拍摄到的图像全真的传送回去。

7壁虎的尾部：
我们设计的尾巴由四节组成，材料是塑性的，可以随着身体的摆动而摆动。

由于尾部在运动时是贴着地面的。

所以在尾部装了湿度传感器，温度传感器。

可以将地面的信息真实的反馈回去，对救援或者探索将有很大的帮助。

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