摘要:本文将从壁虎爬墙原理入手,介绍仿生壁虎爬墙机器人的运动原理和系统构成,
并着重介绍爬墙机器人实现爬墙功能的关键技术,同时针对目前爬墙机器人存在的问题介绍
爬墙机器人未来发展的方向。
关键词: 壁虎; 爬墙机器人; 原理
一、综述
机器人是一门高度交叉的综合性学科,涉及到机械学、生物学、控制论与控制工程学、
计算机科学与工程、信息科学、光学、电子工程学、传感技术、人工智能、人类学、社会学
等诸多学科。自从 1959 年美国制造世界上第一台工业机器人起,机器人的发展经历了示教
(工业)机器人、感知(遥控)机器人、智能机器人三个阶段,仿生机器人也可以作为其中较为
独特的一支。仿生机器人以仿生学为核心的相关学科进行研究,运动仿生、感知仿生、控制
仿生、能量仿生、材料仿生等诸多基础仿生技术的深入研究为仿生机器人的发展提供了一定
的理论基础和技术支持。
根据仿生机器人的运动方式可以将机器人分为爬行机器人、飞行机器人、跳跃机器人以
及水下机器人等,这些机器人在人类的生活、生产和军事中发挥了许多独特的作用。因爬行
机器人多在陆地上运动,方便控制,所以爬行机器人的研究最为广泛。仿生爬行机器人根据
仿生类型的不同,又可以具体分为爬壁机器人、仿蛇机器人、仿蜘蛛机器人、仿蚯蚓机器人、
仿昆虫机器人等,本文介绍的仿壁虎爬行机器人即属于爬壁机器人的一种。
爬壁机器人的诞生是科学研究与实际生产的双重需要。就科学研究而言,对爬壁机器人
的研究可以有力的促进仿生机械学的发展。对动物来说,运动是其捕食、逃逸、生殖、繁衍
等行为的基础。而对机器人来说,运动也是现代机器人实现各种功能的基础。其中能够在光
滑或粗糙的各种表面上自如运动的可控移动系统,即三维空间无障碍机器人(简称 3DoF-3
dimensional-terrain obstacle free 机器人即我们称作的爬壁机器人)是这类机器人的重要分支,
其研究和研制水平已成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一。就实际生产生活而言,人
们也迫切要求爬壁机器人的出现。我们在实际生产过程中经常会碰到一些需要人们在危险陡
峭的竖直面上作业的情况,比如大厦外壁清洗、船舶检测、航天舱外维修等等情况,此时就
到了爬壁机器人大显身手的时候了。而在反恐、救援、首脑保卫、特种侦察等公共和国家安
全领域以及狭小空间检测等在特殊环境下的作业,则更需要爬壁机器人的帮忙。
二、壁虎的工作原理
几个世纪以来,人们一直惊讶一些动物如壁虎、蚊子、苍蝇等超强的吸、脱附能力。譬
如:壁虎可以在各种基底上自由地爬行,即便是在很光滑的天花板上也可以1mPs 的速度迅速
地移动。这些独特的粘附作用源自于自然界长期的进化,研究它们吸、脱附机理对仿制与之
类似的生物材料有巨大的启示作用。古希腊哲学家亚里士多德把这种吸附力归结为一种超自
然力。Cartier、Braun等分别在1872年和1878 年开始研究壁虎脚掌不同寻常的微结构,但囿
于当时的科研条件,他们只能大致地推测壁虎可能具有很精细的脚掌结构。Schmidt在1904
年用光学显微镜对壁虎脚掌进行观察,Ruibal 和Ernst在1965年利用电子显微镜对壁虎脚掌
的微结构进行观察,他们均观察到壁虎脚掌是由刚毛和绒毛组成,每根刚毛又由100—1000根
绒毛组成,每根绒毛的半径大约在012 —014μm 之间。对壁虎微结构的观察打开了对壁虎的
超强吸、脱附机理研究的大门。Autumn于2000年在
Nature
发表的一篇关于壁虎微结构及吸
附机理的文章掀起了全世界对壁虎研究的热潮。