用于小型仿生湿吸机器人的喷液系统的设计

摘 要: 粘液分泌(即喷液)系统湿吸型动物形成吸附力的基础,也是仿生湿吸机器人的重要组成部分,优良的粘液分泌系统可为湿吸机器人实现攀爬奠定良好的基础。本文介绍了两种用于仿生湿吸机器人的喷液系统的设计,并分别对每种粘液分泌系统的优缺点进行了分析,并比较得出一种较优的粘液分泌系统的设计方案。

关键词: 仿生机器人 湿吸 粘液分泌系统

中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 01-083-02

1概述

生物体在亿万年的进化过程中所形成的灵活的功能和精巧的结构常常给科研人员以启发和灵感,仿生学正是基于对生物学的模仿和再现发展起来的。仿生学是生物学、数学和工程技术学相互渗透而结合成的一门新兴的边缘科学,近年来发展十分迅速,目前来自世界各地的科研人员已经研制出各式各样的具有优良性能的仿生结构和仿生机器人,如美国斯坦福大学通过模仿壁虎的生理结构和运动方式而研制的仿生壁虎机器人等。

许多昆虫可以在比较光滑的表面(如玻璃)进行附着或者爬行,如蚂蚁,蟋蟀,蝗虫等。这类动物会将粘液分泌到表面柔软的足垫上,从而产生很强的湿吸附力,使其可爬行于垂直的壁面上。我们称这类昆虫为湿吸昆虫。仿生湿吸机器人正是要模仿昆虫的湿吸吸附机制,使之能在比较光滑的平面进行附着和爬行等动作。而制作出具有和昆虫足垫类似的能按要求喷射出用以提高吸附力的粘液的粘液分泌系统,是实现仿生湿吸机器人攀爬功能的关键环节之一。

粘液分泌系统主要有粘液储存池,小型泵,粘液导管,单向阀和控制元件构成。对整体系统的性能主要要求为:小,轻,快,即体积小,重量轻,响应快。

本文针对上述的科研背景和性能要求,设计并分析对比了两种可以用于小型仿生湿吸机器人的粘液分泌系统。

2湿吸昆虫粘液分泌机理

2.1昆虫湿吸机制简介

湿吸昆虫通过将粘液分泌到具有特殊微观结构的足垫上(如图1所示),可以使昆虫的足部与攀附物体表面产生良好的接触和非常可观的吸附力,不论物体表面是光滑还是糙的。

图1蚂蚁足垫粘液分泌系统示意图

如图1所示,蚂蚁足垫内部充满粘液。当蚂蚁的足部附着到壁面上,由于挤压引起足部形变,由于在足垫靠近腿部的一侧有类似于单向阀的结构防止粘液回流,在压力的作用下粘液分泌到足垫外部。一定量的粘液可以有效提高蚂蚁在墙面的吸附能力。

吸附力主要来源于界面之间的表面力。表面力是两相分子间作用力,作用的范围比范德华力要大,是一种长程力。第二种力是范德华力,是2分子偶极之间排斥和吸引所产生的分子间作用力。另外,界面间所产生的真空也可以提供一定的吸附力。

图2 昆虫的湿吸吸附

将两个附着在一起的AB两个物体,分离到无穷远(如图3所示),所需要的能量,称为粘着能E:

图3 附着物体的分离

(1)

其中,,和分别为物体A的表面a的表面能,物体B的表面b的表面能和吸附面ab的表面能。将粘着能对分离位移进行微分,即可得到吸附力F:

(2)

其中L为将A,B分离至无穷远所需要的距离。由于在微观情况下,L通常小于10nm,所以吸附力是相当可观的。

2.2小型泵驱动方式简介

小型泵是粘液分泌系统的动力装置。小型泵的典型驱动方式主要有以下几种:压电驱动,SMA驱动,电磁驱动,和小型电机驱动。

压电驱动的优点在于响应快,但所需的驱动电压较高(一般在100V以上),并且产生的驱动力较低;形状记忆合金SMA可以在较低的电压下提供较高的驱动力,但响应频率较低(1Hz以下);电磁驱动最大的优势在于可以具有很高的驱动能力,但由于受到电磁线圈尺寸的限制,小型化和轻量化较难实现。而小型直流慢速电机,可以很好的在各种性能指标中取得平衡,因此,本文选用小型慢速直流电机作为小型泵的驱动装置。

2.3六足仿生机器人步态

图4六足仿生机器人结构简图

图4所示为六足仿生机器人的结构简图,A,B,C,D,E,F为机器人的六足,R为机器人躯干。机器人步态为三角步态,即奇数步是,B,C,F三足吸附于墙壁不动,A,D,E三足从墙壁剥离并向上动作,然后吸附于墙壁,偶数步时,A,D,E三足吸附于墙壁不动,B,C,F三足从墙壁剥离并向上动作,然后吸附于墙壁。

结合机器人的步态,粘液分泌系统的动作过程分为如下几步:

(1)向A,D,E三足喷射粘液,使机器人足垫与墙壁之间的粘液厚度增大,减小足垫与墙壁之间的界面吸附力,可以使A,D,E三足仅需较小的法向拉力便可从墙面剥离。

(2)A,D,E三足向前动作后,与墙壁贴合之前,再向A,D,E三足喷射少量粘液,以提高足垫与墙壁之间的界面吸附力。

(3)向B,C,F三足喷射粘液,使机器人足垫与墙壁之间的粘液厚度增大,减小足垫与墙壁之间的界面吸附力。

(4)B,C,F三足向前动作后,与墙壁贴合之前,再向B,C,F三足喷射少量粘液,以提高足垫与墙壁之间的界面吸附力。B,C,F三足与墙壁吸附贴合。

(5) 重复步骤1~4。

2.4粘液分泌系统驱动方案

2.4.1驱动方案一

如图5所示,P1和P2为两个几何尺寸相同的水泵,Q1和Q2为两个相同的粘液储存池,V1,V2,V3,V4为四个单向阀(导通方向如单向阀旁边箭头所指方向),J1,J2,J3,J4,J5和J6为向机器人六足足垫分泌粘液的六个喷嘴,A,B为传动连杆,C为滑环,D为具有内螺纹的空心管,M为小型直流慢速电机,I为带螺纹的电机旋转轴。

驱动原理:

(1)电机正向转动,I与D的螺纹匹配,由于电机位置固定,所以空心管D向左运动,并推动连杆B下端的滑环C,致使连杆A亦向左运动。水泵P2容积变大,内部气压下降,在大气压的作用下,粘液由Q2流经V2注入P2,P2完成蓄水。

(2)电机换向,改为逆向转动,致使连杆A向右运动,P2容积变小,粘液经由V4被喷射至J2,J4和J6(图中所示为示意图,由于机器人为三角步态,故J3和J4的物理位置互换);同时,P1容积变大,内部加压下降,粘液由Q1流经V1注入P1,P1完成蓄水。

(3)电机配合机器人的步态重复步骤1和2。

图5驱动方案一

优缺点分析:

优点:

重心贴近墙面。由于电机沿墙面的切向放置,故可使整个机器人的重心更贴近墙面,有利于提高机器人的带负载能力,分析如下:

图6 机器人受力分析示意图

如图6所示,N1为墙面对机器人上足的吸附力,由实验得知,N1为墙面对机器人吸附力的最主要来源。h机器人重心距离墙面的高度,2a为机器人上下足之间的距离,W为机器人的重量,因此有:

(3)

由公式3可见,h越小,所需要的N1越小。因此,机器人的重心相对于墙面越低,对墙面与机器人之间的吸附力的要求便越低;换言之,在可提供的吸附力一定的情况下,机器人带负载的能力得到提高。

缺点:

(1)由于电机需要换向,故存在一定的迟滞,并且提高了控制复杂度。

(2)电机转动轴转动一周所带来的连杆A的位移量很小,快速性得不到满足。

(3)由于电机放置位置的关系,粘液分泌的系统的对称性受到破坏,在将粘液分泌系统加装到机器人躯干之后,将会影响机器人的重心平衡。

2.4.2驱动方案二

如图7所示,T为等宽凸轮,A为连接P1和P2的传动连杆,其它部分的标示与方案一一致,电机沿墙面的法向放置(图中未标出)。

驱动原理:

设电机转动轴转过的角度为 ,旋转方向为顺时针。

(1) 0< ≤90凸轮T随电机以相同角速度旋转,致使P2压缩,连杆A向右运动,并带动P1扩张,P1容积变大,内部气压下降,在大气压的作用下,粘液由Q1流经V1注入P1,P1完成蓄水。

(2) 90< ≤180，P2复位,内部气压下降,粘液由Q2流经V2注入P2,P2完成蓄水。

(3)180 ≤270，P1压缩,粘液经由V3被喷射到喷嘴J1,J3和J5上。

(4)270< ≤360，P1复位,内部气压下降,粘液由Q1流经V1注入P1,P1完成蓄水。

(7)电机配合机器人的步态重复步骤1~4。

图7 驱动方案二

优缺点分析:

优点:

(1)粘液分泌系统布局左右对称,有利于提高机器人的稳定性。

(2)电机转动轴每旋转一个周期,连杆A亦完成一个周期的动作,快速性很好。

(3)在驱动过程中电机无需换向,减少了控制复杂度。

缺点:

由于电机沿法向放置,故粘液分泌系统的重心离墙面较方案一高,需要机器人的足垫提供相对较大的吸附力以保证机器人的稳定性。

方案一与方案二的对比如表1所示。由表可见,方案二既可以满足对快速性的要求,同时在控制复杂性和结构复杂性上均优于方案一,可以说,方案二是一种较优的设计方案。

表1方案一与方案二比较

3结论

综上所述,本文着重讨论了两种可以用于小型仿生湿吸机器人的粘液分泌系统的设计,并且进行了分析和比较,指出了在要求快速性的前提下,并且考虑整个系统的控制复杂性和结构复杂性,方案二为一种首要考虑和选用的设计方案。

(基金项目:国家自然科学基金资助项目(50405045);国家高技术研究发展计划资助项目(2007AA04Z253);上海市启明星资助项目(05QMX1455))

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