仿壁虎爬壁机器人的研制

中国科学技术大学

硕士学位论文

仿壁虎爬壁机器人的研制

姓名：孙丽红

申请学位级别：硕士

专业：检测技术与自动化装置

指导教师：汪小华

20070601

摘要

传统爬壁机器人在吸附结构、移动功能及驱动方式等方面存在着诸多不足之处，如对壁面的材料和形状适应性不强，越障能力弱，体积大，质量重等，使其无法真正地代替人类实现极限场合的作业。壁虎是自然界中具有高效率攀爬能力的动物，它能够在树干、墙壁、天花板纹丝不动地停留或轻松行走。开发类似壁虎运动机构的爬壁机器人较传统爬壁机器人，具有更高的实用价值。本研究是国家自然科学基金项目“仿生微纳米粘附阵列的ＳＯＣ控制机理与集成方法”下开展的子课题，目的是开发一种能像壁虎一样可以适应多种材质和形状的表面的爬壁机器人。

本文首先简要介绍了本实验室对粘附阵列的研究情况，并针对粗糙度较大情况采用粘弹性理论对粘附阵列的粘附特性进行了分析，得到了与实验较为吻合的结果。在此基础上进行了机器人结构的设计及步态规划，并利用动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ建立了机器人的虚拟样机，豺其爬壁行为进行了动力学仿真，为物理样机的研制提供了依据。接着针对传动驱动装置难于适用于小型的爬壁机器人的问题，设计了基于形状记忆合金驱动器的本体结构，并对各关节处的ＳＩＩＡ驱动器进行了设计，最后完成了物理样机不同步态的测试，并针对测试中机器人的运动速度较低，越障能力较弱的问题，提出了解决途径。最终研制出的仿壁虎爬壁机器人具有结构轻巧、低压驱动、灵活性好，功能可靠等优点。本文的研究工作为具有广泛适应性的仿壁虎爬壁机器人的实用化奠定了基础。

工作中的创新点主要体现在：①在机器人机构设计方面：本文提出了用四根连杆铰接，具有三个自由度的对称的躯干结构形式，它具有结构轻巧、灵活性好，功能可靠等优点，克服了卡酎基梅隆大学研制的仿壁虎爬壁机器人机构中存在的不稳定性问题。②在仿壁虎粘附阵列粘附特性的分析方面：针对以往在粗糙度较大情况下采用弹性建模带来的理论分析结果与实验不一致的情况，本文运用了粘弹性材料的三参量固体模型对系统进行了建模和分析，并把计算结果与实验结果进行了比较，与实验结果吻合得较好，表明粘弹性特性在粘附阵列的粘附脱离过程中占有重要的地位。关键词：爬壁机器入；仿壁虎；粘附阵列；仿真；ＳＭＡ驱动器

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中国科学技术大学学位论文相关声明

本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究

【作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。

本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

保密的学位论文在解密后也遵守此规定。

作者签名：：虹纽ｆ三

年占月１日

第一章绪论

第一章绪论

随着科技的发展，机器人在各个领域中得到了广泛的应用，以机器人代替人类从事各种危险、繁重、重复、单调及有毒害的工作已经成为社会发展的一种趋势。爬壁机器人是指能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限作业的一种自动机械装置，在故障检测、抢险救灾、高楼清洗、空间安全等方面都具有良好的应用前景“１。目前，国内外对爬壁机器人的研究已取得丰硕成果，甚至许多已经进入了实用化阶段。

１．１传统爬壁机器人的结构特性以及存在的问题

爬壁机器人必须具有两个基本功能：在壁面上的吸附功能和移动功能。传统爬壁机器人的吸附结构主要采用磁力吸附、真空吸附、静电吸附和化学粘附四种方式“１”。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导磁材料；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，由于静电力十分微小，往往不能提供足够的粘附力；化学粘附时粘胶容易挥发、固化，使得粘胶迅速被消耗而影响粘附。所有这些粘附方式都无法适用于布满灰尘且崎岖不平的表面。

传统爬壁机器人按移动功能分主要是吸盘式、车轮式和履带式【“。吸盘式能跨越很小的障碍，但移动速度慢；车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难；履带式对壁面适应性强，着地面积大，但不易转弯。而这三种移动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气缸驱动和电动机驱动两种方式“１．气缸和电机不仅质量大，增加机器人本体的重量，而且效率很低，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、简约的控制系统等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机器人的研究近年来受到更多的重视。１．２仿生学及仿生机器人介绍

仿壁虎爬壁机器人的研制

２０世纪６０年代初诞生的仿生学（Ｂｉｏｎｉｃｓ），是生物科学和工程技术相结合的一门边缘学科，通过学习、模仿、复制和再造生物系统的机构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造新的机械、仪器、建筑和工艺过程嘲。现代仿生学已经延伸到很多领域，机器人学是其主要的结合和应用领域之一，这方面的研究引起研究人员和专家的极大兴趣和关注，已取得了众多成果。

仿生学的研究范围主要包括“”；①结构仿生（Ｂｉｏｎｉｃｓｍｌｃｍｒｅ）：通过研究生物肌体的构造，建造类似生物体或其中一部分的机械装置，通过结构相似实现功能相近；②材科仿生（Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ）：从生物功能的角度来考虑材料的设计和制作，通过对生物体材料构造与形成过程的研究及仿生，使材料具有特殊的强度、韧性以及一些类似生物特性；③功能仿生（Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｂｉｏｎｉｃｓ）；目的是使人造的机械具有或能够部分地实现高级动物丰富的功能，如思维、感知、运动、操作等，功能仿生主要包括大脑功能仿生、感知仿生、运动仿生三个方面：④控制仿生（Ｂｉｏｎｉｃｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｆｉｔｈｍ）：研究与模拟感觉器宫、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。比如利用遗传算法，人工神经网络等，目的是使人造的机械能够部分实现高级动物丰富的功能，如思维、感知、运动、操作等。⑤群体仿生（Ｓｏｃｉａｌｂｉｏｎｉｃｓ）：群体仿生的目的在于：通过群体行为增强个体智能，提高系统整体工作效率，减少局部故障对整体的影响。

自然界中生物体的精巧结构、运动原理和行为方式等，已经成了机器人学有意模仿的对象．科学家们向生物学习，创造出了众多高性能的仿生机器人．仿生机器入就是模仿自然界中生物的精巧结构、运动原理和行为方式等的机器人系统。仿生机器人类型很多，见图卜ｉ，其中，仿人手臂型主要研究７自由度和多自由度的关节型机器入操作手臂、多指灵巧手及手臂和灵巧手的组合；仿人双足型主要是研究双足步行机器人机构；宏型仿非人生物机器人主要是研究多足步行机器人（四足、六足、八足），蛇形机器入，水下鱼形机器人等，其体积结构较大；微型仿非人生物机器人主要是研究各类昆虫型机器人，如微型机器狗、蟑螂微型机器人，蝗虫微型机器人等。仿生机器人的主要特点：一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人，机构复杂；二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人，采用绳索或人造肌肉驱动。仿生学在机器人科学中的应用，推动了机器人的适应能力向非结构化、未知的环境方向发展“”。２

第一章绪论

图１－１仿生机器人类型ｎ２】

仿生机器人研究的发展方向㈨：

（１）特种仿生机器人；自然界中各种生物千姿百态，根据各种生物各自的特点，研制出更多种类的能适应特定自然环境的特种仿生机器人，是未来仿生机器入进一步的发展方向。

（２）仿生机器人的微型化：仿生机器人的微型化的关键是实现机电系统的微型化，将驱动器、传动装置、传感器、控制器、电源等集成到一块硅片上，构成微机电系统。

（３）仿生机器人的仿形：仿生机器人的外形与所模仿的生物的相似性也是仿生机器人研究的热点之一。在军事侦察和间谍任务中，应用与生物外形完全一致的机器人，将能更隐蔽地、更安全地完成任务。

（４）生物机器人：即活体生物的人工控制，是生物学、信息学、测控技术、微机电系统技术高度发展并且相互结合的产物。

１．３仿壁虎爬壁机器人的研究现状

壁虎能够在墙壁、天花板等任何表面做无障碍运动，成为研究爬墙机器人的理想模型““。２０００年美国科学家ＫｅｌｌａｒＡｕｔｔｍｍ等经过对壁虎脚掌的研究，认为壁虎能在光滑墙壁上自如行走，是因为壁虎脚底大量的细毛与物体表面分子之间产生的范德瓦尔斯力（ｖａｎｄｅｒＷａａｌｓｆｏｒｃｅｓ）累积作用“’蛔。

美国加州大学伯克利分校和ｉＲｏｂｏｔ公司等都在进行仿壁虎机器人的研究．其中加州大学伯克利分校ＲｏｂｅｒｔＦｕｌｌ等人研制出的能在干燥环境下实现壁面爬行的仿壁虎机器人的样机。

仿壁虎爬壁机器人的研制

２００６年美国斯坦福大学教授马克・库特科斯基的研究小组开发出被称为“粘虫”（ＳｔｉｃｋｙｂｏＯ的“壁虎机器人”，见图１－２，足底长着人造毛（由人造橡胶制成）。这些微小的聚合体毛垫能确保足底和墙壁接触面积大，进而使范德瓦尔斯粘性达到最大化。“粘虫”式机器人可作为行星探测器或救援装置使用‘”】。

图卜２美国斯坦福大学开发的壁虎机器人“”

美国卡耐基梅隆大学在仿壁虎爬壁机器人方面也做了大量研究，先后开发出以下几种形式的试验样机：

（１）车轮式仿壁虎爬壁机器人（见图１－３）

性能参数：驱动电压２～６Ｖ；重量ｌＯＯｇｓ长度１００ｍ，宽度７０ｍｍ，高

度５０ｍ，尾长９０ｍ。

第一章绪论

图１－３车轮式仿壁虎爬壁机器人‘棚

（左侧为ＣＡＤ绘制的三维模型，右侧为物理样机）

（２）履带式仿壁虎爬壁机器人（见图１－４）

性能参数：驱动电压：２～６ｖ；重量９０９；长度６０哪，宽度８０姗，高度６０ｍ，尾长９０ｚｍ。

图１－４履带式仿壁虎爬壁机器人ｎ町

（３）刚性仿壁虎爬壁机器人（见图Ｉ－５）

性能参数：重量８０９）长度ｌＯＯｍ，宽度１００妯）速度２０衄／ｓ，驱动功率３６０Ｍｗ：爬行坡度６５。。

图卜５刚性仿壁虎爬壁机器人““

需要指出的是这种刚性结构为机器人的运动带来了许多问题，图Ｉ－６是机

５

仿壁虎爬壁机器人的研制

器人的虚拟模型和仿真数据，从右侧图中可以看出在０．２２ｓ和０．２５ｓ之间数据呈现出不稳定。主要原因是躯干的后半部采用刚性连接，缺少一个相对转动的自由度，当躯干中央的旋转副由电机转矩控制时，其他的三个被动旋转副就会受到动态负载的影响，从而使机构的运动出现不稳定。他们通过对该机器人机构运动学分析后，认为这种不稳定性结构可以用以下方式解决：

①增加前腿的长度；

②减少后腿的长度；

◎改变电机的位置；

④减少躯干中央转动关节的转角范围。

由于机器人的对称结构是设计者的首选，他们选择了第四个解决方案，但是限制躯干中央关节的转动角度，无疑会影响机体运动的灵活性和机动性，从而降低机器人的爬壁性能。

图ｌ咱左侧为刚性仿壁虎机器人模型，右侧为足部受力情况的仿真数据“”（４）适应性仿壁虎爬壁机器人（见图Ｉ－７）

性能参数：重量１０９；长度ｉＯＯｍ，宽度１００珊，爬行坡度６５。

６

第一章绪论

图Ｉ－７适应性仿壁虎爬壁机器人㈨

国内的南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所也在进行与仿壁虎机器人相关的研究，他们研究了壁虎脚掌的结构、材料以及运动行为，已经取得了一些进展。

目前世界上关于仿壁虎爬壁机器人的研制还处在初步阶段，真正实现类似壁虎的全空间无障碍运动的机器人还需要时间。

１．４仿壁虎爬壁机器人研究的主要问题‘””：

（１）吸附机构问题：在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用机理的基础上，运用类比、模拟和模型方法，通过高分子材料化学、工程材料科学、力学和机械学的交叉研究，寻找出一种与壁虎脚趾表面结构相似的、经物理改性的极性高分子材料（人造仿生壁虎脚干性粘合剂），并应用精密微机械加工的手段，设计并制作出模拟壁虎脚趾的吸附装置。

（２）机构设计问题：合理的机构设计是仿壁虎爬壁机器人实现的基础。壁虎机器人要适应各种不同的环境，需要其具有高度的机动性和灵活性，因此，需要充分研究壁虎生物肌体结构和运动特性，提取其精髓并加以简化，以开发出全方位关节机构和简单关节组成高灵活性的机器人机构。

（３）驱动问题：传统的驱动装置质量较大，且效率较低，无法适用于形体娇小的仿壁虎爬壁机器人。因此需要探索新型的驱动装置，如压电陶瓷（ＰＺＴ）、超声电机、形状记忆合金（ＳｈａｐｅＭｅｍｏｒｙＡｌｌｏｙ，ＳＭＡ）等。

７

仿壁虎爬壁机器人的研制

１．５仿壁虎爬壁机器人的发展方向乜ｔ，：

（１）机器人机构设计应使机器人充分利用摩擦力的效应，达到提高稳定粘附、高机动性和高可靠性的目的，与该功能相适应。要求机器人的控制和感受具有对冗余内聚力的处理能力．

（２）智能驱动材料的研制，特别是ＩＰＭＣ（ｉｏｎ－ｅｘｃｈ雒ｇｅｐｏｌｙｍｅｒｍｅｔａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）材料的发明，为仿生机器人新型驱动方式和机构的创新提供了可能。

（３）壁虎脚掌粘附机制的确认将为仿生壁虎机器人脚掌的研究提供新的原始创新的契机。

“）仿生壁虎刚毛群的研制在具有工业化的制各技术和工艺研究方面还没有实质性的突破，这一领域的研究具有广阔的应用空间和发展前景。

（５）生物信息学是当今生物技术和信息科学交叉领域的研究热点，但目前对遗传信息的研究关注较多，而对神经信息的研究相对较少，近年来国外在该领域开展了一些卓有成效的研究为壁虎的生物运动干预提供了很好的借鉴。１．６本文研究内容

本文是在国家自然科学基金重点项目“仿生微纳米粘附阵列的ＳＯＣ控制机理与集成方法”下开展的子课题，目的是从创造性、新颖性、实用性的角度出发，开发一种能像壁虎一样适应于不同材质和任意形状的表面，具有较高的移动能力和机动性的爬壁机器人。其中，仿壁虎爬壁机器人物理样机的主要性能指标如下：

（１）具备适应多种材质和各种形状壁面的移动性能；

（２）驱动形式：形状记忆合金丝作为驱动器；

（３）外形尺寸：长度１０５衄，宽度１０７ｍｍ，高度３０ｍ；

（４）自重；１５０９；

④移动速度：卜３哪／ｓ；

本文的创新点主要有两个；①在机器人机构设计方面：本文提出了用四根连杆铰接，具有三个自由度的对称的躯干结构形式，它具有结构轻巧、灵活性好，功能可靠等优点，克服了卡耐基梅隆大学研制的仿壁虎爬壁机器人机构中存在的不稳定性问题。②在仿壁虎粘附阵列粘附特性的分析方面：针对以往在粗糙度较大情况下采用弹性建模带来的理论分析结果与实验不一致的问题，本文运用了粘弹性材料的三参量固体模型对系统进行了建模和分析，并把计算结８

第一章绪论

果与实验结果进行了比较，与实验结果吻合得较好。这表明：高分子材料制备的粘附阵列中，粘弹性特性在粘附脱离过程中不可忽略；粘弹性材料制备的粘附阵列的粘附力对相应的弹性材料要大；最大粘附力会随着脱离速度的增大而减小，随着粘性系数的增大而减小。９

仿壁虎爬壁机器人的研制

本文主要内容包括：

第一章绪论。介绍了传统爬壁机器人的结构特点及存在的问题，仿生学及仿生机器人的概念，以及仿壁虎爬壁机器人的研究现状、研究的主要问题和发展方向，提出了本文的研究目标。

第二章仿壁虎粘附阵列粘附特性。简单介绍了粘附阵列的制备与测试、分析，针对以前在粗糙度较大情况下采用弹性建模带来的理论分析结果与实验不一致的情况，本章运用了粘弹性材料的麦克斯韦模型对系统进行了建模和分析，并把计算结果与实验结果进行了比较，与实验结果吻合得较好．

第三章基于虚拟样机技术的仿壁虎爬壁机器入的设计及仿真。简单介绍了虚拟样机技术及ＡＤＡ惦；提出了用四根连杆铰接，具有三个自由度的对称的躯干结构形式，它具有结构轻巧、灵活性好，功能可靠等优点，克服了卡耐萋梅隆大学研制的仿壁虎爬壁机器人机构中存在的不稳定性问题。并依据生物壁虎的爬行步态，对机器人的步态做了规趔；接着在动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ的基础上，建立了机器人的虚拟样机，对其垂直爬壁行为进行了仿真，并分析了仿真数据，结果表明：该机器人模型是科学的、合理的，这为物理样机的研制提供了参考依据。

第四章基于形状记忆合金的仿壁虎爬壁机器人物理样机的设计。简单介绍了形状记忆合金及ＳＭＡ驱动器；针对传动驱动装置存在的功重比低，传动机构复杂，难于适用于小型的爬壁机器人等问题，提出了基于ＳＭＡ驱动器的本体结构形式，并对各关节处的ＳＭＡ驱动器进行了设计，建立其力学模型，推导出各关节臂的结构尺寸与输出特性之间的关系，对各个ＳＭＡ驱动器的控制进行了阐述；完成了物理样机的躯干移动、抬足和落足的测试，并将测试结果与理论结果进行了分析比较，最后针对测试中机器人的运动速度较低，越障能力较弱等问题，进行了初步探讨。

第五章总结和展望。总结全文，提出了本研究中存在的问题、本文的创新点以及今后工作蠹ｑ方向。

第二章仿壁虎粘附阵列桔附特性

第二章仿壁虎粘附阵列粘附特性

本实验室在近年对壁虎进行了大量的研究制作，制备了不同的粘附阵列，并对其进行了理论分析和试验测试。为仿壁虎机器人的移动机构的研制奠定了基础，本章将简要介绍本实验室对粘附阵列的研究情况，并针对以往理论分析中的某些不足进行改进。在以往的分析中，粘附阵列采用了弹性假设，使粘附力随被粘附表面粗糙度的增大而急剧减小，与实验情况明显不符。本章将利用粘弹性理论对粘附阵列的粘附特性进行了分析，得到了与实验较为吻合的结果，表明粘弹性特性在粘附阵列的粘附脱离过程中占有重要的地位．

２．１粘附阵列的制备与测试、分析简介

采用模版法制备阵列时选用美国ＤｏｗＣｏｍｉｎｇ公司的Ｓｙｌｇａｒｄ１８４有机硅胶。这种硅胶具有高黏度、高弹性、易浇注、易剥离，渗漏性能良好，且在真空固化时没有开裂等特点，并具有优异的机械、化学和电学性能，弹性模量约为２．５３ＭＰａ。加工得到图２・ｌ和２－２所示的两种不同参数的纤毛阵列，使用美国ＦＥＩ公司的Ｓｉｒｉｏｎ２００场发射扫描电子显微镜ＳＥＭ来观察纤毛阵列的表面形貌。

图２－１直径２ｔｉｍ间距６９ｍ长５ｐｍ的纤毛阵列

仿壁虎爬璧机器人的研稠

图２－２直径５ｐｍ阗距２０ｐｍ长１５ｐｍ的纤毛阵列

通过图２－３所示的实验装置，测量不同参数的纤毛阵列与不同壁面间的粘附效果，作为与分析结果对比的依据。将图２．１和２－２所示的纤毛阵列切割成不同面积的小阵列，作为测试样本Ａ和Ｂ：利用粘结剂把测试样本无纤毛结构的一面粘贴在支撑台上，对支撑台施加预压力使样本有纤毛结构的一面粘附于载玻片上。在支撑台下逐渐增大负载砝码直至样本阵列与载玻片脱离，最大负载值就认为是阵列与壁面间的粘附力。测试ｌｃｍ２１Ｅ方形样本阵列与不同表面间的粘附效果，实验结异哪事・

图２－３测量阵列粘附力的实验装置

第二章仿壁虎粘附阵列牯附特性

表２－１样本与不同表面的粘附效果

硅片

Ａ（曲２２０玻璃１８０

２０５

１０木质２０１５铝５０６０油漆墙面８０９０Ｂ国粗糙度（ＩｌＩｎ）２∞２ｌｏｏ３０２０

纸

Ａ（力６０潮湿表面１５

５纸皮６０４０大理石４０３０陶瓷６０５５Ｂ（曲８０

５０粗糙度（脚＞２０３０２５

当采用弹性理论分析时，对硅片：样本Ａ理论分析的粘附力约为Ｏ．０５Ｎ，实验测试结果为２．２Ｎｔ样本Ｂ理论分析的粘附力约为０．２Ｎ，实验测试结果为２Ｎ；对玻璃：样本Ａ理论分析的粘附力约为０．０２Ｎ，实验测试结果为１．８Ｎ；样本Ｂ理论分析的粘附力小于０．０ＩＮ，实验测试结果为２．０５Ｎ。均有极大的误差。２。２基于粘弹性模型的粘附分析

实验中用于制各阵列的Ｓｙｌｇａｒｄ１８４有机硅胶是一种高分子材料，具有较强的粘弹性特性，若采用弹性理论进行建模会带来较大的误差，需要采用粘弹性理论进行建模。

２．２．１粘弹性对ＪＫＲ模型阴影啊

在以往的研究中，绒毛末端与被粘附表面采用的是ＪＫＲ模型，然而ＪＫＲ模型是建立在线弹性基础上的。对粘弹性材料的粘附特性，ＧＨａｉａｔ等人进行了研究阎，得到了粘附力的无量纲方程：

Ｐ＝三｛ｆｄ形。一ｆ）善（地的）－争

＋詈Ａ‘了蚕ｉｉｉ；；三ｉ雨‘一号ｃ３（ｆ）一ｊ１彳３０）＋彳（，）ｃ２（ｆ）｝＋ｔ争∽，鲁∽∽’昙

仿壁虎爬壁机器人的研制

…～ｘ霄箕』堡安｛丝些丛堕型丛一Ｃ：∽｝】）√ｃ２（ｆ’）一一２（ｆ，）‘３（２。１）

方程中各变量的物理意义请参见文献【２２】。

当粘附接触表面很小，而且应力松弛的速度很快时，粘附力可以近似表示成

，ｍ矿（棚）４（ｆ）３一垢ＡＣｔ）３”（２－２）

式中，Ａ是无量纲化接触半径，痧是无量纲化松弛函数。从上式中，可以求出最大粘附力为

ＰＩＥ＝丽１ｉ３＝丽Ｉ‰

并非一个常数，最大粘附力可以修正为（２．３）矿（＋∞）＜１，表明粘弹性会引起最大粘附力的增大。由于粘弹性材料的松弛函数

‰：去一３‘一妒（栩）２

其中鬈＜Ｉ（２－４）…７

２．２．２单根绒毛粘附力分析

对

图２４三参量固体模型

假设材料满足三参量固体模型

盯＋煮疗＝器外最舌

其松弛函数协ｓ，

∥（ｆ）２丽ＥＩＥ２＝－＋（岛一ｉＥ。＋ＩＥ乜２）ｅ－．ｒ＝郫＋（１一矽７７】（２－６）¨

第二章仿壁虎粘附阵列粘附特性

其中松弛时问ｆ＝，７，（互＋易），无量纲化形式的矿（删＝五＝‘雨Ｅｔ

●

Ｚ三

—Ｊ‘・、畚一墨

制备的粘附阵列与基底垂直，绒毛只受拉压作用，由于粘弹性材料的作用力与加载历史有关，设绒毛的变形量匀速变化，为８（０＝磊＋ｖｔ，根据粘弹性本构方程

Ｐ＝磊缈ｏ）』４，三＋４，￡ｆ矽（ｆ一孝）彦（孝）ｄ参

＝Ｅ２上ＡＩ，ｏ［。３，＋０一咖劬】＋Ｅ２三ＡＶ。［，ａ．ｔ＋（１一句ｆ（１一，７’）】（２－７）

当Ｐ＝Ｐｍ，时，绒毛达到最大粘附力，然后与被粘附表面脱离，对应的临界变形

菇：壶兰：竺：！：竺：１２

２．２．３粘附阵列分析％２——■磊再丽石一

．协。，旺诺’为简化起见，设粗糙表面粗糙度满足正态分布ｇ（ｈ）＝古口２”，粗糙表

ｑ２Ａ６上

面的轮廓面与粘附阵列的基底间距为Ｚ，根据几何关系，有

万＝Ｚ—Ｌ—ｈ

磊＝Ｚｏ—Ｌ－ｈ、根据粘附脱离的临界条件，有当＾≥ＪｌＤ时，绒毛与表面粘附，反之，脱离

仿壁虎爬壁机器人的研制

‰：ｚｊ一三一ｊｉ；！：：：；；；尝ｃ２．９，

为了分析的简便，假设在初始状态下，每根绒毛都与粗糙表面粘附。可以求出单位面积粘附阵列上的粘附力为．

Ｆ＝ＮＩ尸ｇ（＾）砌

＝－－等Ｈ（ｚｏ一工）阻＋（１一∞ｅ刮７】＋１，【刀＋（１一∞ｒ（１一ｅ“ｆ）】）【ｌ一万弓鼍）】

一面２０＂Ｍ＋（１一矿７７∥＾２一’】（２－１０）

其中，Ｎ是单位面积上绒毛的根数。

从上式中可以看到，粘弹性粘附阵列的粘附力与加载的历史有关。

在实验中，选取的Ｓｙｌｇａｒｄｌ８４有机硅胶，其表面能约为，，卸，１Ｊ／ｍ２，杨氏模量易＝２．５３ＭＰａ，ｒ／＝Ｏ．５Ｍｐａｓ，五＝０．０２，Ｊｒ＝０．０４。对样本Ａ，绒毛半径ｒ２１岬。，尖端半径置＝２ｌｔｍ，长度￡＝５１ａｍ，间距为６．ｍ，对应的每平方厘米上根数Ⅳ２２．７８ｘ１０６；对样本Ｂ，绒毛半径，＝２．５蛐１，尖端半径Ｒ＝１０岬，长度Ｌ＝１５１埘ａ，间距为２０１ｍａ，对应的每平方厘米上根数Ⅳ＝２．５ｘ１０’首先，计算粗糙表面的粗糙废为２ｐｍ时，粘附力随时间变化关系

第二章仿壁虎粘附阵列粘附特性

４

２…ｊ一一一÷：，

／

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ｌ

ｊ－一一■一一一＋一一一一■一一一●一一一■一一一Ｉ

’

ＪＩ●ＩＩｔ‘

（ａ）样品Ａ

（ｂ）样品Ｂ

图２＂５粘附力随时间变化关系

从计算结果中可以看到，最大粘附力会随着脱离速度的增大而减小，对不同的脱速度，粘弹性阵列的粘附力都比弹性阵列的粘附力大得多。当脱离速度逐步减小到趋于零时，最大粘附力趋于最大值。由于在实验中，采用了砝码加载的方式，加载速度相对较慢。以后的分析中采用脱离速度ｖ＝ｌＯ岬体作为参考脱离速度。１７

仿壁虎爬壁机器人的研制

Ｃａ）样品Ａ

（ｂ）样品Ｂ

图２．７最大粘附力随表面粗糙度的变化关系

然后，计算在不同的表面粗糙度下的最大粘附力并与实验结果进行比较。从图中可以看到，当采用粘弹性理论对粘附阵列进行建模时，最大粘附力随表面粗糙度的变化曲线与实验吻合得较好，表明粘弹性是粘附阵列的粘附脱离过程中不可忽略的因素。１８

第二章仿壁虎粘附阵列粘附特性

图２－８不同的粘性系数下的粘附力变化

选定样本Ａ的参数，但使其粘性系数印发生变化，计算粗糙表面的粗糙度为２ｐａｎ时，脱离速度为ｌＯｐ．ｍ／ｓ时，粘附力的变化情况。结果发现最大粘附力随粘性系数的增大而减小。当粘性系数趋于无穷大时，粘弹性模型退化成弹性模型。由此粘弹性对提高系统的粘性性能有利。

２．３小结

本章简要介绍了本实验室的粘附阵列研制工作，并针对以前采用弹性建模带来的理论分析结果与实验不一致的情况，本章运用了粘弹性材料的三参量固体模型对系统进行了建模和分析，并把计算结果与实验结果进行了比较，与实验结果吻合得较好。本章的研究表明：

高分子材料制备的粘附阵列中，粘弹性特性在粘附脱离过程中不可忽略；粘弹性材料制备的粘附阵列的粘附力对相应的弹性材料要大；最大粘附力会随着脱离速度的增大而减小，随着粘性系数的增大而减小。

第三章基于虚拟样机技术的仿壁虎爬壁机器人的设计及仿真

第三章基于虚拟样机技术的仿壁虎爬壁机器人的设计及仿真

随着计算机科学的迅速发展，ＡＤＡＭＳ、ＤＡＤＳ等动力学仿真软件在机械系统仿真领域逐渐受到高度的重视。这些软件集成了最新的多体系统动力学理论成果、各种方便的建模工具、高效的求解器、功能强大的后处理模块以及可视化界面等，用它们来建立机械系统的仿真模型，用户可以将注意力放在改进模型设计上，而不必关心建立方程、求解方程这些在过去要耗费大量精力的工作，从而大大提高了机械系统仿真的效率。

本章将在ＡＤＡＭＳ的基础上，完成仿壁虎爬壁机器人虚拟样机的建模，并对其沿垂直壁面爬行的运动特性进行仿真，获得机构运动的动力学和运动学参数，为物理样机的研制提供参考依据。

３．１、虚拟样机技术及ＡＤＡＭＳ简介咖

３．１．１、虚拟样机技术

虚拟样机技术（ⅥｒｔｌＩａｌＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖＦｒ）是一门综合多学科的技术，是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术（指在某单一系统中零部件的ＣＡＤ和ＦＥＡ技术）糅合在一起，在计算机上创建出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。

虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及相关问题的角度出发，解决传统设计与制造过程弊端的高新技术。在该技术中，工程设计人员可以直接利用ＣＡＤ系统所提供的各零部件的物理信息及其几何信息，在计算机上定义零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机。使用系统仿真软件可以在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析。观察并试验各组成部件的相互运动情况；还可以在计算机上方便地修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断地改进，直至获得最优设计方案后，再做出物理样机。用虚拟样机代替物理样机验证设计，不但可以缩短开发周期，而且设计质量和效率都得到了提高。

虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商业化虚拟样机软件实现的。国外虚拟样机相关技术软件的商业化过程已经完成。

仿壁虎爬壁机器人的研制

目前有二十多家公司在这个日益增长的市场上竞争，比较有影响的有美国ＭＳＣ公司的ＡＤＡＭＳ、比利时ＬＭＳ公司的ＤＡＤＳ以及德国航天局的ＳＩＭＰＡＣＫ。其中美国ＭＳＣ公司的ＡＤＡＭＳ占据了市场的５０％以上。其它的软件还有ＷｏｒｋｉｎｇＭｏｄｅｌ、Ｆｏｌｗ３Ｄ、ＩＤＥＡＳ、Ｐｈｏｎｉｃｓ、ＡＮＳＹＳ、Ｐａｍｃｒａｓｈ等等．由于机械系统仿真提供的分析技术能够满足真实系统并行工程设计要求，通过建立机械系统的模拟样机，使得在物理样机建造前便可分析出它们的工作性能，因而其日益受到国内外机械领域的重视。

虚拟样机技术已经广泛地应用在汽车制造业、工程机械制造业、航天航空业、国防工业及通用机械制造业等各个领域里，所涉及到的产品从庞大的卡车到照相机的快门，天上的火箭到轮船的锚机。在各个领域里，针对各种产品，虚拟样机技术都为用户节省了开支、时间并提供了满意的设计方案。

总之，虚拟样机技术是一门新兴的技术，它有着广阔的发展前景和市场空闻。

３．１．２ＡＤＡＭＳ软件

Ｄｙｌ：ｌａｍｉｏＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡＤＡＭＳ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＳｙｓｔｅｍ）软件是美国

ＭＳＣ公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ＡＤＡＭＳ软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。

ＡＤＡＭＳ软件包括核心模块ＡＤＡＭＳ，Ｖｉｅｗ和ＡＤＡＭＳ／Ｓｏｌｖｅｒ，以及其他扩展模块。

ＡＤＡＭｓ，、＾ｅ、）ｌｒ（界面模块）是以用户为中心的交互式图形环境，它提供丰富的零件几何图形库、约束库和力库，将便捷的图标操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、Ｘ＿Ｙ曲线图处理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。

ＡＤＡＭｓ／Ｓｏｌｖｅｒ（求解器）是ＡＤＡＭＳ软件的仿真“发动机”，它自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。ＡＤＡＭＳ／Ｓｏｌｖｅｒ有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程问题。

ＡＤＡＭＳ／ＰｏｓｔＰｒｏｃｅｓｓｏｒ（后处理模块）是一个具有完整的绘图和动画模拟功能的工具模块，可以实现快速查看ＡＤＡＭＳ结果，使用户更容易了解模型的运２ｌ

第三章基于虚拟样机技术的仿壁虎爬壁机器人的设计及仿真

动。ＡＤＡＭＳ／ＰｏｓｔＰｒｏｃ船ｓｏｒ在整个模型的设计周期中发挥着重要的辅助作用。

ＡＤＡＭＳ／Ｃｏｎｔｒｏｌ（控制模块）可以通过简单的继电器、逻辑与非门、阻尼线圈等建立简单的控制机构，或利用在通用的控制系统软件（如Ｍ枷，ＡＢ、ＭＡｌ［１１．Ⅸ、勘峪ＹＳ）中建立的控制系统框图来建立包括控制系统，液压系统，气动系统和运动机械系统的仿真模型。

ＡＤＡＭＳ／Ｉ．．，ｉｎｅａｒ（系统模态分析模块）可以在进行系统仿真时将系统非线性的运动学或动力学方程进行线性化处理，以便快速计算系统的固有频率（特征值）、特征向量和状态空间矩阵，使用户更快更全面地了解系统的固有特征。

ＡＤＡＭＳ／Ｆｌｅｘ（柔性分析模块）提供ＡＤＡＭＳ软件与有限元分析软件之间的双向数据交换接口。利用它与ＡＮＳＹＳ、ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ、ＡＢＡＱＵＳ、Ｉ－ＤＥＡＳ等软件的接口，可以方便地考虑零件的弹性特征，建立多体动力学模型，以提高系统的仿真精度．

ＭＥＣＨＡＮＩＳＭ／Ｐｒｏ（Ｐｍ／Ｅ接口）是连接Ｐｍ／Ｅ与ＡＤＡＭＳ之间的桥梁，二者采用无缝连接。

此外还有ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ（轿车模块），ＡＤＡＭＳ／Ｄｒｉｖｅｒ（驾驶员模块）、越）ＡＭＳ瓜ａｉｌ（铁道模块）。

ＡＤＡＭＳ的机构分析核心被广泛集成到一些ＣＡＸ软件中（或以二次开发的形式，或以插件的形式），如ＵＣ＿ｋＩｄｅａｓ，Ｐｒｏ／Ｅ，Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ等等。

３．２仿壁虎爬壁机器人的结构设计

３．２．１理论模型

爬壁机器人是一个多刚体系统，满足牛顿一欧拉方程刚：

Ｈ

％蜉＝野一∑ｓＦ畔＋巧）

１＝１

ｎ

正・由＋ｍ，×（Ｊ』・ｑ）；Ｍｆ—Ｚ［ｓＦ（Ｍ；＋Ｍ；）＋ｃＦ×孵＋彤）】（３２１）

卜Ｉ

其中ｊ＝１，…，靠，Ｆ，Ｍ是力和力矩，Ｓ是关联矩阵，Ｃ表示质心位置，上标白岛一分别表示外力作用，铰链处的相互作用和铰链处的理想作用。当仿壁虎爬壁机器人沿竖直的壁面爬行时，足部的吸附装置将提供用于克服

仿壁虎爬壁机器人的研制

在粗糙壁切线方向运动的粘附力。无量纲化后，粘附力与切线方向的位移之间的关系如图３－１所示。

图３一ｌ阵列沿切线方向脱离时的垂直和切线方向的抵抗力嗍＋

可以看到，沿切线方向脱离时，切线方向的粘附力先逐步达到最大，然后略为降低，在某个水平上维持，这与最大静摩擦力与动摩擦力的情况十分类似。同时可以发现，与脱离方向垂直的方向上的粘附力比脱离方向上的粘附力小很多，所以我们比较关，ｆｉ，的是脱离方向上的粘附力圆。

在以前的研究工作中还发现在一定的范围内，粘附力会随着预压力的增大而增大，如图３．２．

／；

／ｉｉ｜－＝罗～．菇埠褥｝一

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图３－２竖直脱离时最大粘附力随预压力的变化曲线【２５】

第三章基于虚拟样机技术的仿壁虎爬壁机器人的设计及仿真

可以看到，随着预压力的增大，竖直脱离时的最大粘附力会随之增大，当预压力增大到一定程度，阵列所有绒毛与壁面均达到接触状态，最大粘附力就保持不变，这些变化趋势与摩擦力的变化趋势相类似阅。

因此为简化分析，足部与粗糙壁之间的切向粘附力可以表示成：

／＝／４Ｎｏ＋＾ｎ（３－２）其中“０是由于粘附作用引起的预压力，由材料性质和尺寸所决定，在本文所采用的粘附阵列中，－Ｎ０２７Ｎ，／ｚ是摩擦系数，Ⅳ是压力。

３．２．２结构设计

本文设计了图３—３所示模型，它采用对称式结构，由前腿、后腿、躯干、足构成，其中躯干由四根连杆铰接而成，腿和躯干间采用圆柱副连接，腿和足固接在一起。机构共有１１个自由度，其中，每条腿有２个自由度，躯干有３个自由度。分别在机器人躯干的前部和后部安装驱动元件ｍｏｔｏｒｌ和ｍｏｔｏｒ２，使构成躯干的各连杆间相对转动，以实现机器入的前进和后退行为。在腿和躯干的连接处也安装驱动元件，以实现机器人足的提起和落下。这种设计将很好地克服卡耐基梅隆大学研制的仿壁虎机器人机构中存在的不稳定性问题。

ｈｉｎｄｆｅｅｔ

图３．３仿壁虎爬壁机器人的结构示意图

在机器人的足部将安装仿壁虎粘附阵列，以使机器人能在不同粗糙壁上爬行。

３．３步态设计阑步态规划是研究足式爬壁机器人的一个重要方面，所谓步态（ｇａｉｔ）就是各腿

仿壁虎爬壁机器人的研制

的抬腿和放腿的顺序。下面先介绍几个重要的概念：

足的相位磊，就是指腿ｉ触地时刻相对于参考腿的延时在一个周期Ｔ中所占的比例。

叠。：！凸“ｒ其中，ｆｆ表示腿ｉ的触地时刻，ｔ，为参考腿的延时。

０≤识≤ｌ

针对四足的爬壁机器人而言，左腿和右腿的相位差为０．５时，称为对称步态，其它为不对称步态。机器人在低速时取对称步态，高速时取不对称步态。

占空系数Ｂ，就是足ｉ支撑在地面上的时间占整个周期的比例。

岛２丽丽丽丽丽

当ｌ＞Ｂ２０．７５为静步行：０．７５＞Ｂ＞Ｏ．５为准动步行；卢ｓ０．５为动步行步态。机。腿ｉ的支撑时间器人步态的设计应能保持机器人的平衡与稳定，减少占空时间可以增加机器人的稳定性，但也会使运动速度明显降低。

本设计中的爬壁机器人模拟壁虎的爬行步态（图３－４），采用如图３—５所示对称的动步行（∥＝０．５）步态，该步态是一对对角足为支撑足，另一对对角足为非支撑足，并且支撑足与非支撑足是在半周期进行交换的动步行。腿的运动可分为两个过程：

①支撑腿在支撑过程中，机体向前移动，足部相对机体向后移动。

②在提腿过程中，足部的运动是随机体的向前运动和足部相对机体向上提腿运动的合成。

机器人开始运动时，左侧后腿和右侧前腿准备抬起向前运动，另外两条腿处于支撑状态，在驱动机构和传动元件的作用下使机器入本体向前移动了半个步长ｓ。在机器人机体移动到位时，左侧后腿和右侧前腿放下呈支撑状态，左侧前腿和右侧后腿准备抬起向前移动，同样在支撑腿的作用下使机器人本体移动了半个步长Ｓ。不断重复上述过程，周而复始的使机器人不断向前移动。机器人的足部必须具有提腿、摆腿、着地等动作，且提腿的力能够克服粘附阵列粘附力的作用。机器人的移动过程可以简单概括为“腿提起—腿摆动—脚落下”的运动序列。

第三章基于虚拟样机技术的仿壁虎爬壁机器人的设计及仿真

图３＿４壁虎的爬行步态

础巧唾ⅡⅡ玛

∞

蝣鼢

●支撑腿Ｏ摆动腿Ｓ：半步长

图３－５仿壁虎爬壁机器人的步态示意图嗍

这种步态规划使机器人的重心在整个移动过程中都处于由各足组成的支撑平面的中心位置，从而确保了运动的平衡和稳定性。

３．４仿壁虎爬壁机器人机械系统仿真‘”１

机械系统仿真是指利用仿真软件建立机械系统的计算机模型并对其进行仿真分析，然后通过图形和表格等方式显示该系统在各种条件下的运动特性，从而修改并优化原始设计方案。

一般机械系统的仿真步骤为：

ａ、运动分析：对机构进行必要的运动分析，大致了解其运动规律；ｂ、环境设置：设置仿真环境并定义各部件的材料性能等参数：Ｃ、约束定义：施加约束，并定义各约束的属性：

ｄ、定义激励：建立驱动及力，即计算系统在给定位置上对给定激励的各种响应

包括位移、角位移、速度和加速度响应等，并计算有激励产生的约束力：

仿壁虎爬壁机器人的研制

ｅ、结果处理：显示、处理并输出仿真结果。３．４．１仿真模型的建立

利用ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ的建模功能直接进行交互式图形建模，这种方法建立的模型虽然无法追求每个物体的真实外形，但是它们的特征点、质心位置、转动惯量等要素均可以在模型上体现出来，不影响运动学和动力学分析的准确性．

另外，由于ＡＤＡＭＳ软件强大的参数化系统建模功能，便于优化设计。由于机

器人在运动时，各部件的惯性质量负载对机器人整体运动参数影响比较大，因此应用ＡＤＡＭＳ软件仿真机器人在整个工作空间内作连续运动的动力学分析，用来修正和优化设计参数，以便重构模拟样机模型。

本文根据仿壁虎爬壁机器人的主要性能参数（长１００ｒａｍ，宽１００ｒａｍ）、物理特性以及约束条件，设计出机器人的三维“虚拟样机”，如图３－６所示。

图３—６在朋）ＡＭｓ，ｖｉｅｗ下建立的仿壁虎爬壁机器人模型（材质选择铝合金）模型的属性列表如下：

质量Ｍ（没有加电机）

１８５．４９

重心位置Ｌ（０ｍｍ，．５０ｍｍ，．１９ｍｍ）

ＤⅨ（惯性矩）

１０３１ｋｇ－ｍｍ‘‘２ＩＹＹ（惯性矩）

４５７ｋｇ－ｍｍ’’２ＩＺＺ（惯性矩）

１２９１

ｋｇ—ｍｉＤ．＋＋２

第三章基于虚拟样机技术的仿壁虎爬壁机嚣人的设计及仿真

３．４．２对各部件施加约束

利用建好的虚拟样机模型，定义各构件之间的约束关系。根据模型的实际运动情况，在刚体之间创建约束副，保证有相对运动的刚体按照要求的轨迹进行运动。机器人的足部与大地（ｇｒｏｕｎｄ）之间用接触力属性（ｃｏｎｔａｃｔ）定义，四条腿与躯干之间用圆柱副（ＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＪｏｉｎｔ）连接，而躯干由四条连杆通过两个转动副（ＲｃｖｏｌｕｔｅＪｏｉｎｔ）和一个移动副（ＴｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌＪｏｉｎｔ）连接而成，移动副用于协调机器人机构的运动。

模型的动力学属性列表如下：

表３－２模型自由度、添加副

模型各个关节的动力学信息

自由度（位置）

ＪＯＤｒｒｌ

添加副（类型）

ＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＪｏｉｎｔ

添加力（类型）

ＭＯＴＩＯＮ＿Ｉ

（ＴｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌＭｏｔｉｏｎ）

ＪＯＤ盯２

ＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＩｏｉｎｔ

ＭＯＴＩＯＮ＿４

（ＴｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌＭｏｔｉｏｎ）

ＭＯＴＩＯＮ

７０Ｄｒｒ３

ＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＪｏｉｎｔ

３

（ＴｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌＭｏｔｉｏｎ）

ＪｏＩＮＴ４

ＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＪｏｉｎｔ

ＭＯＴＩＯＮ＿２

（ＴｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌＭｏｔｉｏｎ）

ＪｏＩＮＴ５

ＲｃｖｏｌｕｔｅＪｏｉｎｔ

ＭＯＴＩＯＮ＿６

．

（ＲｏｔａｔｉｏｎａｌＭｏｔｉｏｎ）

ＪＯＩＮＴ６

ＭＯＴＩＯＮ＿５

ＲｃｖｏｌｕｔｅＪｏｉｎｔ

（ＲｏｔａｔｉｏｎａｌＭｏｔｉｏｎ）

Ｊ（）ⅡｉＴ７

ＴｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌＪｏｉｎｔ

接触力设置的相关属性如下表：

仿壁虎爬壁机器人的研制

表３１３足部接触力属性设置表

ＣｏｎｔａｃｔＰａｒａｍｅｔｅｒｓ

ＩｍｐａｃｔＦｏｒｃｅＰａｒａｍｅｔｅｒｓ

ＳｔｉｆｆｎｅｓｓＤａｍｐｉｎｇ

ＥｘｐｏｎｅｎｔＤｍａｘ

ＣｏｕｌｏｍｂＦｒｉｃｔｉｏｎ

１．０Ｅ＋００５Ｎ／ｍｍ１０．０Ｎ－ｓ∞／ｍｍ

２．２

０．１ｍｍ

ＭｕＳｔａｔｉｃ

Ｏ．１５

。０．１

Ｍｕｐｍ嘲ｉｃ

ＳｔｉｃｆｉｏｎＴｒａｎｓｉｔｏｎＶｅｌｏｃｉｔｙ

ＦｒｉｃｔｉｏｎＴｒａｎｓｉｔｏｎＶｅｌｏｃｉｔｙ

０．１ｍｍ／ｓｅｃ１０．０ｍｍ／￥ｃｃ

３．４．３运动仿真

根据各个关节问运动副情况，给各个关节运动副施加相关的运动约束，实现机器入的运动仿真。如图３＿７和图３－８所示，给ｊｏｉｎｔｌ＾ｊｏｉｎｔ４施加的运动约束（ｍｏｔｉｏｎ）都是简单的线性函数，实现机器人足的匀速提起和落下，可以看出在０－０Ａｓ间，左前足和右后足以７．５ｍｍ／ｓ的速度匀速向上提起，至距离地面３ｍｍ位置，保持４ｓ不动，继而再以相同的速度匀速落下，１．２ｓ时接触地面，完成落地动作。在０－－１．２ｓ闻，右前足和左后足作为支撑足，保持不动，１．２ｐ１．６ｓ问，左前足和右后足作为支撑足，右前足和左后足以７．５ｍｍ／ｓ的速度匀速向上提起，至距离地面３ｍｍ位置，保持４ｓ不动，继而再以相同的速度匀速落下，直至接触地面，如此周而复始，协调完成各足的提腿和着地动作。

ＭＯＴＩＯＮｌ和Ｍ０１１０Ｎ２的函数相同（如图３—７）

：

第三章基于虚拟样机技术的仿壁虎爬壁机器人的设计及仿真

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图３—７ＭＯＴＩＯＮ＿Ｉ和ＭＯＴＩＯＮ＿２的函数曲线Ｊ一■∞＇哪■＿●－＿Ｊ＿岫－瑚旺Ｉ

Ｆｔｍｅｔｉｏｎ：

ｌＰ（ｆｉｍｅ，Ｏ．４：７．５＋ｔｉｍｅ，３，ＩＦ（ｔｉｍｅ－０．８：３，３，

ＩＦ（ｔｉｍｅ－１．２：９・７．５’ｔｉｍｅ，０，Ｏ）））

Ｍ０１１０Ｎ＿３和ＭＯＴＩｏＮｊ的函数相同（如ｍ３—８）：

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图３．８ＭＯＴＩＯＮ．＿Ｂ和ＭＯＲＯＮ４的函数曲线

Ｆｕｎｃｔｉｏｎ：

ＩＦ（ｔｉｍｅ－１．２：０，０，

ＩＦ（ｔｉｍｅ—１．６：７．５＊ｔｉｍｅ－９，３，ＩＦ（ｔｉｍｅ－２：３，３，１８—７．５＋ｔｉｍｅ）））

对ｊｏｉｎｔ５和ｊｏｉｎｔ６分别施加关于时间的平滑的非线性函数，如图３—９示，可以看出，在Ｏ～０．４ｓ，ｍｏｔｏｒＩ和ｍｏｔｏｒ２保持静止，先让机器人的左前足和右后

仿壁虎爬壁机器人的研制

足脱离地面，在０．４ｓ～１．２ｓ间，ｍｏｔｏｒｌ顺时针转过３０＊，ｍｏｔｏｒ２逆时针转过３００，使机器人的左前腿和右后腿向前移动一定距离，在１．２ｓ～２ｓ间，左前足和右后足支撑机体，右前足和左后足脱离地面，ｍｏｔｏｒｌ逆时针转过３００，ｍｏｔｏｒ２顺时针转过３００，到２ｓ时回到初始位置，完成机身的一个移动周期。

由于ｍｏｔｏｒｌ和ｍｏｔｏｒ２的转矩是其输出角位移的二阶导数，为实现转矩的平稳性，ＭＯＴＩＯＮ５和ＭＯＴＩＯＮ＿６采用关于时间的平滑的非线性函数，其二阶

导数连续。

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图３－９

ＭＯＴＩＯＮ＿５和ＭＯＴＩＯＮ＿６的函数曲线

Ｍ０１１０Ｎ５的函数：

Ｆｕｎｃｔｉｏｎ

：

ＩＦ（ｔｉｍｅ－０：０ｄ，０ｄ，ＩＦ（ｔｉｍｅ－０．４：０ｄ，Ｏｄ，

ＩＦ（ｔｉｍｅｄ．２：１５ｄ＋ｓｉｎ（４５ｄ＋（５’ｔｉｍｅ－４））＋１５ｄ，３０ｄ，ＩＦ（ｔｉｍｅ－２：１５ｄ’ｓｉｎ（４５ｄ＋（５＋ｔｉｍｅ－４））＋１５ｄ，０ｄ，Ｏｄ））））ＭＯｎ０Ｎ６的函数：

Ｆｕｎｃｔｉｏｎ

：

ＩＦ（ｔｉｍｅ－Ｏ：Ｏｄ，Ｏｄ，ＩＦ（ｔｉｍｏ－Ｏ．４：０ｄ，０ｄ，

ＩＦ（ｔｉｍｅ－１．２：一１５ｄ＋ｓｉｎ（４５ｄ＋（５＋ｔｉｍｅ－４））－１５ｄ，－３０ｄ，ＩＦ（ｔｉｍｅ－２：一１５ｄ＋ｓｉｎ（４５ｄ＋（５＋ｔｉｍｅ－４））－１５ｄ，Ｏｄ，Ｏｄ））））

设定机器人沿垂直壁面爬行，重力与运动方向在一条直线上，在Ｏ～１．２ｓ间，分别给支撑足（右前足和左后足）施加以垂直接触面并指向接触面内部的大

第三章基于虚拟样机技术的仿壁虎爬壁机器人的设计及仿真

小为７Ｎ的预载荷，在１．２ｓ～２ｓ闻，左前足和右后足作为支撑足，分别给它们施加以垂直接触面并指向接触面内部的大小为７Ｎ的预载荷．

力函数如下：

ＳＦＯＲＣＥ＿Ｉ：ＩＦ（ｔｉｍｅ－Ｏ：Ｏ，０，

ＩＦ（ｔｉｍｅ，－Ｏ．４：０，０，ＩＦ（ｔｉｍｅ．－１．２：０，７，ＩＦ（ｔｉｍｅ－２：７，７，７））））

ＳＦＯＲＣＥ

２：ＩＦ（硒ｅ－Ｏ：Ｏ，Ｏ，

ＩＦ（矗ｍｅ－Ｏ．４：０，０，ＩＦ（ｔｉｍｅ－１．２：０，７，＇ＩＦ（ｔｉｍｅ－２：７，７，７））））

ＳＦＯＲＣＥ＿３：ＩＦ（ｔｉｍｅ－０：０，７，

ＩＦ（ｔｉｍｅ－０．４：７，７．ＩＦ（ｔｉｍｅ－１．２：７，ｏ，ＩＦ（ｔｉｎ∞－２：０，０，０））））

ＳＦＯＲＣＥ＿４：ＩＦ（ｔｉｍｅ－０：０，７，

Ｗ（ｔｉｍｅ－０．４：７，７’ＩＦ（ｔｉｎ∞－Ｉ．２：７，０，ＩＦ（ｔｉｍｅ－２：０，０，ｏ））））

ＳⅡｍⅡ，ＡＴ蔓ｍＹＮＡＭＩＣ，Ｄ①＝２．０，Ｓ砥弹Ｓ＝５０仿真运行后，Ａ】）ＡＭｓ，ｓｏｌｖｃｒ

模块自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果，并将结果以动画的形式显示出来，以便对所设计的系统进行验证。３．４．４仿真分析

仿真结柬后，调用ＡＤＡＭＳ／ＰｏｓｔＰｒｏｃｅｓｓｏｒ模块对仿真数据进行处理。以下对机器人在一个运动周期内的整体质心的位移、电机转矩以及足部与壁面之间的接触力三项指标进行了着重分析。ａ、整体质心位移的分析：

在ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅ、＾ｒ中建立整体质心的状态变量ＣＥｒＣｒＲＯｒＤ＿Ｘ，

ＣＥｍａｔｏｎ）Ｙ，ＣＥＮＴＲＯＩＤ＿Ｚ，仿真后通过后处理模块（ＡＤＡＭＳ／ＰｏｓｔＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）

测量出整体质心在ｘ’Ｙ，Ｚ三个方向上的位移变化曲线．

仿壁虎爬壁机器人的研制

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图３－１０整体质心在ｘ、Ｙ、ｚ三个方向的位移曲线

由图３－１０可知，质心在ｘ轴上的位移变化：最小值为－０．１９ｒａｍ，最大值为Ｏ．１９ｍｍ，左右波动不大。质心在Ｚ轴上的位移变化：最小值为．１５．９ｒａｍ，最大值为．１４．９ｒａｍ，上下波动不大。质心在Ｙ轴上的位移变化：最小值为－５０ｍｍ，最大值为１．６ｒａｍ。可见，Ｙ向是爬壁机器人的主要运动方向，由于质心在ｘ和ｚ向的位移不大，说明机构能够沿着预定的方向平稳地运动，平均运动速度约为２６ｍｍ／ｓ，不存在波动和偏离的问题，很好地克服了卡耐基梅隆大学研制的仿壁虎爬壁机器人机构中存在的不稳定性问题。ｂ、电机转矩的分析：

如图３—６所示，在机器人躯干的前、后方分别安装电机ｍｏｔｏｒｌ和ｍｏｔｏｒ２，通过控制电机的转矩来控制机器人的位移。图３－１１和图３－１２为仿真后输出的电机转矩随时间的变化曲线，从中可以看出，ｍｏｔｏｒｌ和ｍｏｔｏｒ２两个电机的输出转矩是比较平稳的，在５０Ｎ．ｎｌｎｌ和－５０Ｎ．ｍｍ这两条线上轻微波动，这说明在前述爬行步态作为输入的情况下，机器人的运动是平稳可靠的。

第三章基于虚拟样机技术的仿壁虎爬壁机器人的设计及仿真

输出转矩

图３－１２

ｍｏｔｏｒ２的输出转矩

．

ｃ、足部与壁面之间的接触力的分析

经ＡＤＡＭＳ仿真后，得到单个足部在运动方向上所受到的摩擦力约为０．９Ｎ

（ＭｕＤｙｎａｍｉ＝０．１）如图３－１３所示。在此机器人仿真模型中，单个足部与地面

的接触面积为６．２５ｃｍ２，那么该仿壁虎爬壁机器人的足部采用的粘附阵列所需要提供的粘附力为１．４４Ｎ／ｃｍ２，我所研制的微纳米粘附阵列２Ｎ／ｃｍ２，完全可以满足使用要求。

仿壁虎爬壁机器人的研制

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图３—１３单个足部在运动方向上所受的摩擦力

３．５小结

本文提出了用四根连杆铰接，具有三个自由度的对称的躯干结构形式，并依据生物壁虎的爬行步态，对机器人的步态做了规划。接着在动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ的基础上，建立了机器人的虚拟样机，对其垂直爬壁行为进行了仿真，并分析了仿真数据，结果表明：

①该机器人能够以约２６ｍｍ／ｓ的速度沿着垂直的壁面平稳地运动，不存在波动和偏离的状况，克服了卡耐基梅隆大学研制的仿壁虎爬壁机器人机构中存在的不稳定性问题；

②以本设计中的步态作为关节输入时，电机的输出转矩是比较平稳的；＠我所研制的微纳米粘附阵列能满足机器人的爬壁要求，系统能够可靠地

工作。

第四章基于Ｓ姒的仿壁虎爬壁机器人物理样机的设计

第四章基于形状记忆合金的仿壁虎爬壁机器人物理样机的设计传统的驱动装置多为伺服电机或电磁机构，其重量与其输出功率相比大，造成传动机构复杂，使得爬行机器人粗大、笨重。微小机器人的驱动器要满足功重比高、尺寸小的要求。常用的驱动器有微电磁铁、压电晶体（ＰＺＴ）、形状记忆合金（ＳＭＡ），微型电机。近年来，利用形状记忆合金的形状记忆效应原理制作的驱动器在机器人领域中得到越来越多的应用。形状记忆合金驱动器具有以下优点：首先，功率／质量比大，结构简单轻巧，无噪音、无污染，可以通过控制电压和通电时间来实现加热控制。其次，与传统机器人较复杂昂贵的驱动器件相比，记忆合金驱动器的价格相对低廉。这两点都使机器人更易于实现与维护，也使它更容易应用和推广咖．

本文在形状记忆合金的机械特性和形状记忆合金驱动器的基础上，将设计一台由形状记忆合金驱动的仿壁虎爬壁机器人样机，它具有低压驱动、结构简单、功能可靠等显著优点。

４．１形状记忆合金驱动器简介…”

４．１．１形状记忆合金

形状记忆合金（ＳｈａｐｅＭｅｍｏｒｙＡｌｌｏｙ，简称ＳＭＡ）是一种新型的功能材料，其主要特征是具有形状记忆效应（ＳｈａｐｅＭｅｍｏｒｙＥｆｆｅｃｔ，简称ＳＭＥ）．一般金属材料受到外力作用后，会发生弹性变形，达到屈服点后产生塑性变形，应力消除后，流下永久变形；而形状记忆合金在发生塑性变形后，经过加热到某一温度之上，能够回复到变形前的形状，这就是形状记忆效应。

形状记忆效应可以分为三种：

ａ单程记忆效应

形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。

ｂ双程记忆效应

某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。

ｃ全程记忆效应加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为

仿壁虎爬壁机器人的研翻

全程记忆效应。

目前已开发成功的形状记忆合金有Ｔｉ—Ｎｉ基形状记忆合金、锅基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。其中Ｔｉ－Ｎｉ形状记忆合金，延展性好、变形容易，电阻和耐腐蚀性好，具有较成熟的实用工程特性。

４．１．２ＳＭＡ驱动形式

ＳＭＡ驱动器是一种利用ＳＭＡ的形状记忆效应和室温马氏体相时柔弱，高温奥氏体相时强硬的机械特性对外作功的自动化装置。

按照驱动元件的不同，可将ＳＭＡ驱动器分为ＳＭＡ丝驱动器、ＳＭＡ弹簧驱动器、ＳＭＡ薄膜驱动器等。在微小型移动机器人中经常用到的是ＳＭＡ丝驱动器和ＳＭＡ弹簧驱动器。ＳＭＡ丝驱动器是指用ＳＭＡ丝做驱动元件的驱动器．当驱动元件为ＳＭＡ丝绕成的弹簧时则为ＳＭＡ弹簧驱动器。相同丝径的ＳＭＡ丝驱动器与ＳＭＡ弹簧驱动器相比，输出驱动力更大，动作速度更快，两者长度相同，ＳＭＡ弹簧驱动器输出位移要大得多。两者相比，ＳＭＡ丝驱动器还有制作简单，结构紧凑，容易固定等优点。

ＳＭＡ直线驱动器是指通过ＳＭＡ元件输出直线位移的装置；ＳＭＡ关节驱动器是通过ＳＭＡ元件输出角位移的装置，其形式一般是：

①直接通过ＳＭＡ元件输出角位移来实现；

②利用ＳＭＡ元件输出的直线位移经过机构转换为角位移输出，如图４－ｌ，一般有偏动式和差动式两种。本文采用的单程ＳＭＡ丝驱动器均是这种结构形式。

图４－Ｉ基于单程记忆效应的ＳＭＡ丝双程关节驱动器【卿

按照驱动器能否自动实现往复运动，可将驱动器分为单程驱动器和双程驱动器。单程ＳＭＡ驱动器是利用ＳＭＡ的单程形状记忆效应实现的，它只有在外力干预下，才能恢复到预备工作状态。单程ＳＭＡ驱动器的特点是结构简单、可靠性好。双程ＳＭＡ驱动器是指无需外力干预，系统自身可自动实现往复运动的

第四章基于ＳＭＡ的仿壁虎爬壁机器人物理样机的设计

ＳＭＡ驱动器。它的实现方式有两种：其一是直接利用ＳＭＡ的双程记忆效应，这虽然对驱动器的微小型化和简单化有利，但不易确定输出位移，不易控制温度滞后和输出力：其二是利用ＳＭＡ的单程形状记忆效应应并在其他偏动元件的辅助下实现的，如图４一ｌ所示。

要获得性能优良的ＳＭＡ驱动器，首先应选择具有性能优良的ＳＭＡ。ＳＭＡ性能的优劣一般从应力一应变性能、迟滞的大小、相变温度范围以及对热／应力循环的敏感性等几个方面评价。ＳＭＡ在加热一冷却循环中强弱转换的频率越快，驱动器的动作速度越快。ＳＭＡ对热／应力循环的敏感性是指ＳＭＡ的应力／应变—温度关系因热／应力循环而产生的变化。变化越小，合金的抗疲劳性能越好，驱动器的可重复性和可控制性越好，寿命越长。

４．１．３驱动和控制方法

ＳＭＡ驱动器是一种利用ＳＭＡ的形状记忆效应对外作功的动力部件．驱动器作功需要能量的驱动，驱动器要实现期望的动作和功能需要合理的控制。对ＳＭＡ驱动器的控制是指通过对ＳＭＡ驱动器中ＳＭＡ元件的动作幅度、动作力度和动作速度的有效控制，达到控制ＳＭＡ驱动器输出位移、输出力和响应速度的目的。

ＳＭＡ的相变过程和形状记忆效应与温度相关。图４－２所示为一个固定约束变形的ＳＭＡ试件在一个热循环过程中，应力随温度的变化曲线。图４－３所示为一个ＳＭＡ试件在室温下受力变形后撤除外力（Ｏ一１—２）、无约束状态下受热（２—３—Ｏ）、在有限约束状态下受热（２—３—４）、在固定约束状态下受热（２—３）的过程中，应力和应变变化的关系曲线。

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图４－２ＳＭＡ的应力—温度关系曲线嘲

仿壁虎爬壁机器人的研制

Ｓ静蛹ｎ

图４－３ＳＭＡ的形状记忆效应及应力—应变关系曲线嘲

ＳＭＡ元件的动作幅度、动作力度和动作速度是由相变过程中ＳＭＡ的应力、应变的大小及相变速度决定的。由图４－２和图４＿３可知，ＳＭＡ的应力和应变随温度而变化，并与ＳＭＡ元件的约束条件有关。通过对不同驱动器所对应的特定约束条件下ＳＭＡ元件的加热和冷却过程的控制，实现对ＳＭＡ元件的动作幅度、动作力度和动作速度的控制。

ＳＭＡ相变受温度控制，可通过对ＳＭＡ加热实施对ＳＭＡ的驱动。ＳＭＡ的加热分为外部加热和内部加热。常用的外部加热方法有环境自然加热、介质（包括液体、固体和气体）强迫加热、半导体加热、辐射加热、激光加热等，外部加热时供热装置庞大，对机构的微小型化不利。内部加热主要是电加热，电加热设备简单且便于控制，是目前常用的一种加热方法。

由于Ｎｉ－Ｔｉ合金的电阻率较高（见表４－１），可以对ＳＭＡ元件直接通电加热。ＳＭＡ电加热驱动符合焦耳定律：

Ｑ＝１２Ｒｔ（４－１）通过控制流经ＳＭＡ电流的大小及通电时间的长短，可以控制输入ＳＭＡ的热量的大小和速率，实现控制ＳＭＡ相变速度、输出力和输出位移的耳的。

由于ＳＭＡ驱动器是一个热惯性元件，所以可以模仿电机的脉冲调宽（ＰＷｌＶｉ）的方法加热。这种电流控制器只有“开”“关”两种状态，既便于计算机控制又不容易受到干扰和漂移的影响。常采用图４－４所示电路对ＳＭＡ驱动器进行控制。图中◇为ＳＭＡ的电气符号，ＰＩＣｌ６Ｃ７１是Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司开发的一种微型单片机，该单片机封装小、功耗低，便于实现机器人的无缆自主运动。ＵＬＮ２８０３是一个内含偏置电阻的三极管阵列，起开关和放大作用。

第四章基于Ｓ姒的仿壁虎爬壁机器人物理样机的设计

图４－４机器人控制电路原理图

采用脉冲电流加热与持续直流电加热相比的，便于控制，采用脉宽调制法（ＰＷＭ）控制脉冲电流的宽度，可达到控制输入热量大小和速率的目的。而且对ＳＦｔＡ丝的加热很均匀，使驱动器的动作平稳，更好地达到技术要求．

ＳＭＡ的冷却最常采用的是自然冷却，其他还有强迫风冷，强追液冷等冷却方式。ＳＭＡ自然冷却不需要任何散热设备，对ＳＭＡ驱动器的微小型化有利，也不需要额外的能量损耗，可以维持ＳＭＡ驱动器的高功重比。它的缺点是散热效率低，散热速率无法控制．

总之，采用电阻加热一自然冷却韵方式，具有加热速度快，可控性好，冷却系统本身不需要消耗能量，系统功重比高等显著优点，非常适用于小型的机器人系统中。

４．２物理样机本体设计

在第三章中建立的虚拟样机模型在结构上是物理样机的简化，文章利用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件强大的建模功能完善了仿壁虎爬壁机器人模型的设计，见图４－５。该模型主要有四肢、躯干和足部组成，其中躯干的设计由四根连杆（①、②、③、④）铰接而成，具有三个自由度，分别用四根ＳＭＡ丝驱动，并加以控制，可实现各连杆间的相对转动，使机器人具备前进与后退的移动功能。躯干与腿部、腿部与足部之问也采用连杆铰接，足底粘贴仿壁虎秸附阵列，每只移动足具有两个自由度，在足部和腿部间用一根双程的ＳＭＡ丝驱动，可实现足部的上下伸缩运动，足与接触面的脱离过程类似于胶带的剥离，通过控制ＳＭＡ丝

仿壁虎爬壁机器人的研铜

驱动器即可使机器人在地面不平坦的情况照样行走自如。

图４＿５用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ建立的机器人模型

模型尺寸图：

图４＿６仿壁虎爬壁机器人的平面图

第四章基于ｓ姒的仿壁虎爬壁机器人物理样机的设计

４．３ＳＭＡ驱动器的设计与控制姗ｍ１

４．３．１驱动元件的材料和形式：

本设计中选用新型驱动材料髓－Ｎｉ形状记忆合金作为机器人驱动器的材料，因为它延展性好、变形容易，电阻和耐腐蚀性好，具有较成熟的实用工程特性。Ｎｉ－Ｔｉ形状记忆合金的主要性能参数如下表：

合金特点单位数值

密度ｇ／ｃｍ３６．４－－－６．５

熔点℃１３１０

电阻率１００ｆ２．ｃｍ５０—１００

弹性模量

马氏体ＧＰａ２８－－４１

奥氏体ＧＰａ８３

硬度

马氏体Ｈｖ１８０—ｔＯＯ

奥氏体Ｈｖ２００—－３５０

抗拉强度

退火态Ｍ田ａ８５０

加工态ｂ伊ａ１９００

屈服强度

马氏体ｈ口ａ７小一１４０

奥氏体Ｍ呼ａ１９５—嗡９０

延伸率

退火态％２５—５０

加工态％５＿一１０

相变温度℃．１００＿一１００

温度滞后℃２—００

最大回复应变％８

最大回复应力胁６００

仿壁虎爬壁机器人的研制

续表４．１

在驱动元件的形式上，采用ＳＭＡ丝作为驱动器的驱动元件和执行机构。因为它具有输出驱动力较大，动作速度快，制作简单，结构紧凑，容易固定等优点。

４．３．２ＳＭＡ丝驱动器的设计

（１）丝径ｄ；

根据载荷和Ｓ／ｄＡ许用应力获得ＳＭＡ丝径ｄ的算式。取高温奥氏体状态时８ＭＡ所受应力等于其许用应力，对于Ｎｉ＿Ｔｉ形状记忆合金，以为６００ＭＰａ，根据ＳＭＡ丝许用应力的计算公式，

吼２寺（４－２）

其中Ｐ为ＳＭＡ丝载荷，根据设计的需要，采用丝径ｄ为０．８ｒａｍ的Ｎｉ—Ｔｉ形状记忆合金丝。

（２）各个关节的ＳＭＡ丝的设计

根据ＳＭＡ丝驱动器的动作原理，我们可对连接各个关节的ＳＭＡ丝进行设计，设计过程中主要考虑行程及输出力的问题。

①躯干上各连杆间ＳＭＡ丝的设计

由ＳＭＡ驱动的构成躯干的四根连杆为推挽式结构，以连杆１和连杆２（如图４－６）为例，它们构成的关节力学模型如图４－７所示，由此可以建立驱动器的力学特性、关节臂的结构尺寸及输出特性之间的关系。

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图４－７对称布置的推挽式形状记忆合金驱动器力学模型

注：彳Ｄ和∞的长度都为乙，ＤＣ和粥的长度相同为厶，彳Ｃ和蜀Ｃ的长度都为厶

第四章基于ｓ姒的仿壁虎爬壁机器人物理样机的设计

加热记忆合金丝ＢＣ，Ｃ点绕０点转到ｃＩ位置，转过的角度ＬＣＯＣｌ＝口，Ａｃ伸长的Ａｃ。长度，２，并产生作用力厶，Ｂｃ缩短到ＢＣ。长度‘，并产生作用力呒，ＺＡＢＣ＝ｑｏ，／＿＿Ａｑｏ＝办，ＺＢＣＩＯ＝佩・

为简便记，设形状记忆合金本构关系由形状记忆特性和线弹性关系叠加而成，惯性、摩擦和外载统一表示成外载荷Ｍ，则系统的力矩平衡方程可以表示成

Ｍ＝五Ｌｓｉｎ朔一＾‘ｓｉｎ＠２

当‘升温时，本构方程可以写成

ｚ＝脚。＋毕

五＝尉半

彳为记忆合金丝的横截面积，彳＝三ｄ２・ｄ＝ｏ．８ｒａｍ

根据几何关系，有‘＝Ｆ历币厶＝Ｆ五巧

进一步，由于驱动器的转角０“１，则上述方程可以线性化成

＾＝Ｌ（１一Ｏｓｉｎ＠ｃｏｓ∞咖吼＝ＣＯＳ烈ｌ＋ｇｓｉｎｑ，ｃｏｓ力

１２＝三（１＋ｇｓｉｎ＠ｃｏｓ力ｓｉｎｇ＇２＝ｃｏｓｔｓ－ｅｓｉｎｇｃｏｓ力

肘＝丢龇州２硝岛一口ｓｉｎ（２・ｐ）（１一争】（４．３）由此可以得到

仿壁虎爬壁机器人的研制

‰２瓦币６丽ｏＭｍ＝丢龇ｓｉｎ（２们岛（４－４）

（４－５）

由此可见，当矿＝石／４时，能获得最大的驱动力矩；当妒趋于零，或趋于，ｒ／２时，能获得最大的转动角度。根据所需要的转角和驱动力矩，可以计算出合适的矿，也就是乙与厶的合适比值。

在本研究中岛取８％，要求Ｂ一＝８０，计算得，９＝１８．矿，等＝上ｔａｕｌ８．４。＝吾，０取３６ｌｎ】鸥毛取１２衄・当ｏ＝０。时，Ｍ最大，虬。＝３８Ｎ．ｍ

②连接腿足的ｓＭＡ丝的设计

机器入的足部为两连杆铰接机构，它们构成的关节力学模型如图４－８所示，由此可以建立驱动器的力学特性、关节臂的结构尺寸及输出特性之间的关系。注：上肢ＡＢ长度为ｚ。，足部Ｂｃ长度为‘，足长ｔ＝１１．５聊鸭足高ｆａ＝Ｓｒｍｎ，记忆合金丝ＡＣ长，，加热Ａｃ缩短到Ａｃ。长度‘，并产生作用力ｆ，使ｃ点饶Ｂ点转过角度。到ｃｌ位置，Ｚ．ＢｉｌＣ＝仍，Ｚ－．船ＣＩ＝妒。

Ｂ邋

图４＿８单自由度关节形状记忆合金驱动器力学模型设形状记忆合金本构关系由形状记忆特性和线弹性关系叠如而成，对Ｃ点