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原创作品:112727

系统分类: 机器人创想秀 - 梦想家

作品版权:112727 版权所有,禁止匿名转载;禁止个人使用。

112727

2016-6-16 17:59:40

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评委[创想秀_评委8]:想象中的机器人功能无亮点

评委[创想秀_评委5]:创意新颖,研究扎实, 结合仿生学研究, 解决无人机的降落停靠, 有实际的应用价值。

作品亮点:

一种基于壁虎脚趾结构的仿生可触壁停靠无人机,它能通过探测下方障碍物,判断侧面的墙壁情况,关闭旋翼、伸出附着人造刚毛的机械臂,利用数百万的微型人造刚毛与墙壁之间的范德华力,让无人的迅速停止坠落,停靠在墙壁上。

作品说明:

摘要
在自然界中,有很多动物能飞檐走壁、倒挂金钩,具有很好的环境适应性,是仿生材料的研究方向之一。壁虎的手指、脚趾端长有延展,掌中会有皮肤褶襞,分布有刚毛,有粘附能力,可以在屋顶上、垂直的墙壁等光滑的平壁上快速移动,具有重要研究价值。本文在介绍了壁虎脚趾的结构机理的基础上,设计了一种基于壁虎脚趾结构的仿生可触壁停靠无人机,它能通过探测下方障碍物,判断侧面的墙壁情况,关闭旋翼、伸出附着人造刚毛的机械臂,利用数百万的微型人造刚毛与墙壁之间的范德华力,让无人的迅速停止坠落,停靠在墙壁上。
关键词:壁虎脚,仿生,微制造,粘合,机械臂,无人机,智能
Key words:Gecko,bionic,microfabricationadhesionmechanical arm,Unmanned Aerial Vehicle(UAV)intelligence

目录
摘要        i
目录        ii
一、引言        1
1.1作品背景及创意来源        1
1.2壁虎脚趾的结构原理        2
1.3研究现状        3
二、设计思路        6
2.1创意产生过程        6
2.2功能概述        7
三、仿壁虎脚趾结构的研究        8
3.1仿壁虎刚毛阵列的制造技术        8
3.2仿壁虎脚趾结构的优势        9
四、无人机的可变形方案        10
4.1检测与判断        10
4.2可收回旋翼        13
4.3可变形机械臂        14
五、分析与评估        15
5.1技术可行性及难点        15
5.2应用前景        15
结论        16
参考文献        16



一、引言
1.1作品背景及创意来源
在科学技术飞速发展的21世纪,科幻大片中的飞檐走壁早已不是虚无缥缈秒的幻想。例如,在大家熟知《碟中谍4》中,汤姆克鲁斯用令人惊叹的壁虎手套,帅帅地独自在世界第一高楼上爬行,完成神秘的任务。
壁虎以神奇的脚上的功夫被称为“最会爬墙的动物”,它能够轻松地在光滑的墙壁上爬行,还能挂在天花板上自若地爬行,在大部分的材料上都能附着面,在水中和真空中都可以爬行自若,所经过的地方不留下任何的痕迹。
生物学家比安卡和队友在亚马孙河流域开展工作时,曾看到过这样一个神奇的现象:一只壁虎从大概30米高的树枝上跃起,向地面垂直坠落。在距地面大概7m的时候,它忽然朝临近的叶子伸出一只脚,牢牢地抓住一片树叶,然后快速地爬进茂密的树林中而消失不见了[1]。从10cm高处坠落的壁虎在叶子表面只滑动1.1cm的距离就能牢牢抓住一片树叶,如图1。
图片1.png
1  10cm高度降落的壁虎
于是我想,无人机在无法悬停或者不方便降落的情况下,也可以像壁虎一样应对——关闭旋翼并收回,伸出带有类似壁虎脚趾结构的机械臂,接触建筑物或其他物体的表面,迅速停止坠落,附着在壁上。这就是基于壁虎脚的仿生可停靠壁无人机。
1.2壁虎脚趾的结构原理
一直到近几年,美、俄、英等国的各研究组织才提出了壁虎能在墙壁上行走的奥秘。这个奥秘就是“分子间作用力”,就是壁虎的抓握力来自脚趾上的数百万根极细的绒毛(如图2)。壁虎的脚趾上大约有650万根次纳米级的细毛,每根细毛的直径约为人类毛发直径的十分之一,细发端有100-1000个树状的细微分叉(如图3),每个分枝前端都有细小的肉趾,它能和接触的物体表面产生微小的分子间作用力,即范德华力(Van der Vaals)。一根刚毛的吸引力很小,但是它们加起来产生的效果却很强大。科学家们估计,一只壁虎的脚趾上附着的刚毛,理论上来说能抓握113.4kg的东西。还有神奇的地方是,改变刚毛的方向后,壁虎脚趾的抓握力立刻就消失了,而且没有任何黏性残留物、没有分离的拉力,也没有必要的压力。
图片2.png
2  壁虎的脚掌
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3  壁虎脚上的细微分支
壁虎独特的多分级粘附的系统结构,尤其是最小粘附单元居然达到了次纳米量级,可以保证脚掌轻易地与各种材料近乎完美地贴合。壁虎最小粘附单元很精细(如图4),无论多粗糙的表面,微观上来看都接近理想光滑,所以二者能够形成理想化的接触,从而保证大量分子间作用力能产生很强的强粘附力。当壁虎脚趾上650万根细毛全部充分贴附在物体上时,分子间作用力可吸住质量为133kg的物体。
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4  壁虎脚上的细毛
1.3研究现状
关于壁虎脚的结构的仿生,目前国内外有多家科研机构进行了相关研究。
2001年的时候,美国和俄罗斯的科学家开始协同研制“壁虎胶带”。这是胶带史上的一次巨大的革命,因为这是真正的干性粘接。2003年成品问世,这甚至用了可以控制单个原子运动的原子力显微镜等各种精密仪器,半个指甲盖那么大就可以把一只蜘蛛玩偶粘在顶上。
诺贝尔奖获得者英国科学家Andre Geim等仿照壁虎脚趾刚毛的几何构造排列,用电子束、氧离子刻蚀结合的方法,在厚为5μm的聚酰亚胺制成的非常薄的膜上形成了长2μm左右、直径大概0.5μm、间距为1.6μm的高弹性纤维阵列。施加一定预压力后,每cm2可负重3N。他们用此胶带可以支持一个质量合适的“蜘蛛侠”玩偶,如图5所示,这个玩具重40克,掌心附有壁虎胶带,和与顶的接触面大小能达到0.5平方厘米,足以支撑大于一百克的质量。

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5  蜘蛛侠玩偶
Stanford University的一个研究组在2006年研制出一种仿生壁虎的机器人,叫做“粘虫”(Sticky bot)。和壁虎一样,仿壁虎机器人具有4个黏性脚掌,每只脚有4个脚趾,脚趾上覆盖着数百万计的直径约为0.5纳米的细小人造刚毛,借助刚毛与表面间的分子间作用力,机器人就能“飞檐走壁”。Stickybot从外形、运动形式和黏附原理上都非常接近真实的壁虎(如图6)。
图片6.png
6  美国Stickybot仿壁虎机器人
一个来自University of Massachusetts的研究团队已经研制出一种名为Geck skin(壁虎皮)的黏合剂,强度很高,一片卡片大小的此粘合剂的抓力最大能达到大约318kg。
南京航空航天大学的戴振东教授的课题组经过很多年的研究,在2011年也同样实现了机器人“大壁虎”在垂直九十度的面上的爬行(如图7)。机器人“大壁虎”整体由白色铝合金构成,不含尾巴长约150mm,重250g,并受邀参展国家十一五重大科技成就展。
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7  中国“大壁虎”机器人
仿生壁虎脚趾的研究虽然有一定的成就了,但是对于把仿壁虎脚趾的结构运用在无人机上,目前的研究较少。本文研究了一种装有附着人造刚毛的机械臂的无人机,可以利用数百万的微型人造刚毛与墙壁之间的范德华力触壁停靠。


二、设计思路
2.1创意产生过程
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8  创意产生过程
目前的旋翼无人机功能也越来越多,从事的工作越来越复杂,有时候会遇到复杂的情况无法着陆。同时,我之前了解到一种现已研制比较成熟的仿壁虎脚趾结构的胶带可以利用分子间作用力把重物轻松地挂在墙壁或者天花板上。于是我想,无人机在无法悬停或者不方便降落的情况下,可不可以利用和仿生壁虎胶带类似的原理,把无人机悬挂在墙壁上,防止坠毁。
据了解,利用现有技术可以制造出仿壁虎脚趾的微纳米刚毛阵列,通过累积分子间作用力来吸附物体,甚至不不需要压力就能紧紧黏住。这样就可以生产出仿壁虎脚趾结构的粘性胶带了。然后我开始思考把这种胶带运用在无人机上的具体实现方法。
首先无人机需要作出判断,判断下方地形是否适合降落,以及侧面是否有适合悬停的墙壁,这就需要障碍物检测技术。其次,由于旋翼可能会蹭到墙壁,所以我们需要可以收回的旋翼。如果直接把壁虎胶带附在机身上然后拿机身直接碰撞接触墙壁的话,可能会给给机身造成损伤或者导致机身破裂,使无人机坠毁,得不偿失,所以我们需要一个可以伸出的机械臂,再把仿生壁虎胶带附在机械臂上。具有以上基本功能之后,无人机就能在判断出需要触壁停靠的时候,关闭旋翼并收回,伸出带有类似壁虎脚趾结构的机械臂,接触建筑物或其他物体的表面,迅速停止坠落,附着在壁上。这就是基于壁虎脚的仿生可停靠壁无人机。
2.2功能概述
基于壁虎脚的仿生可触壁停靠无人机最大的功能特点是仿生壁虎胶带可以提供强大的范德华力而且可以重复使用,不会沾染灰尘等杂物。本设计的主体是传感器部分和附有人造刚毛的机械臂。首先,通过传感器感应下方的障碍物判断是否有触壁停靠的需要;然后通过传感器提供的信息判断侧面的墙壁情况是否适合停靠;如果适合,则关闭旋翼并伸出附着人造刚毛的机械臂,利用数百万的微型人造刚毛与墙壁之间的范德华力,让无人的迅速停止坠落停靠在墙壁上。
图片9.png
9  工作原理图


三、仿壁虎脚趾结构的研究
3.1仿壁虎刚毛阵列的制造技术
仿照壁虎脚掌刚毛的构造与几何排列,在机械臂表面植上数百万根直径约为0.5nm的细小人造刚毛,借助这些绒毛和物体的表面之间的分子间作用力无人机就可以停靠在墙壁上。以下是四种可以进行制造仿生壁虎(微纳米)刚毛阵列的制造技术:
1.纳模塑法
纳模塑法是用原子力显微镜(Atomic Force MicroscopeAFM)尖细探针的尖端在光滑的蜡的表面戳一系列微凹口,以这些微凹口为模板,浇铸聚合物。这样,成型的聚合物的表面就有了和壁虎脚趾上的刚毛的细分叉结构类似且尺寸几乎相同的微突起。
2.反应性等离子体干刻蚀法
反应性等离子体干刻蚀法是先在硅片上制备一片聚合物薄膜(微米级厚度),然后用电子束对厚150纳米左右的铝膜进行刻蚀,让它得到微结构的阵列。然后用聚合物与氧化铝对氧等离子体的蚀刻速度的非常大的不同,使用氧等离子体的干蚀刻,就能把铝膜上的微结构阵列都移到聚合物的薄膜上。
3.静电诱导刻蚀法
静电诱导刻蚀法是用溶液甩膜法在极其光滑的硅片上制备一层微米级厚度的聚合物薄膜,并作为电容器下方的电极。另取一片硅片作为上方的电极,在聚合物表面和上方电极之间保留有100至1000纳米的空气间隙,加热此聚合物直至玻璃化温度以上,然后给上述电容器加直流电压二十至五十伏特。由于间距很小,因此能产生107-108V/m的电场强度。薄膜厚度局部的波动会产生静电压力的梯度,且突出的部分在电场力的影响下会更为突出,最终会跨接电容电极两端,成为比较整齐的微结构。再冷却至室温,就可以形成需要的聚合物。如果采用本来就具有微结构的上电极,就能让聚合物更精准地复制出相同的突出微结构,如图10所示。
图片10.png
10  静电诱导刻蚀法
4.软刻蚀法
软刻蚀法的微制造技术也给仿生干型全分子间作用力为原理的粘合提供了可能。壁虎脚趾上一平方毫米有大约五千根刚毛,也就是每毫米要刻蚀上140条7微米宽的微突起,按现有比较成熟的技术,刻制7微米的微条纹突起应该不成问题。在1平方毫米上纵横都刻上140条突起微条纹,就会有4900多个突起。以此类推,若每根微条纹突起都是3微米宽,那么1平方毫米应该就会有27000多个微突起。如果还能用组分方面的可能的差别(用共混物或者共聚物)和物理性能上的不同(比如结晶性能和因此造成的的溶解性能的不同)就很可能把每一个微突起再变成成几十甚至几百个小分支,如图11就是软刻蚀法制造的壁虎脚趾刚毛的人工模拟[2]。
图片11.png
11  软刻蚀法制成的结构
3.2仿壁虎脚趾结构的优势
仿壁虎脚趾结构利用的是范德华力,与其他粘性材料相比有一个突出的优点:能重复利用,不会使用一次就失效,剥离次数多,耐用性好。壁虎把刚毛的方向变成相反的之后,抓力就消失了,没有黏性残留物没有分离时的拉力,也没有必要的压力。仿壁虎脚的材料剥离时可以利用壁虎抬脚的原理,改变刚毛方向,不造成接触面的损伤。另一方面,壁虎还能在有灰尘的墙壁上爬行,黏附力依然强劲,而且能做到“百花丛中过,片叶不沾身”。英国的奥特姆教授对壁虎进行了直接的试验,发现壁虎脚趾的表面有类似于“荷花效应”的自洁能力,使得壁虎能在有灰尘的墙壁上爬行。壁虎这种自洁能力的黏附原理,是仿生壁虎材料必须解决的重要问题,目前这方面的研究还比较少。


四、无人机的可变形方案
4.1检测与判断
无人机首先需要判断下方地形是否适合降落,以及侧面是否有适合悬停的墙壁,这就需要障碍物检测技术。
1、基于3D视觉的检测方法。基于3D视觉的障碍物检测方法是通过两个或以上的拍摄机器拍摄出来的同一时刻从不同角度看到的场景图像,再利用图形匹配算法察觉并确定屏障的信息。这个方法是现在用于障碍物的检测的常用方法。理查德·摩尔等人利用双目立体视觉系统完成了无人驾驶飞机航向指引中障碍物的检测系统。英国的Gao Y等人利用立体摄像机生成深度信息和视差图形来实现障碍物的检测。法国的Kramm S等人还提出了一种基于稀疏的3D视觉和聚类的障碍物检测算法。中国的张博翰等人采用双目立体视觉引导电动垂直起降飞行器(Vertical Take-Off and Landing,VTOL在陌生的户内环境中发现和避开屏障。基于3D视觉的检测方法的长处在于不用障碍物的先验信息,而且对于动静态障碍物都有效,但是对于摄像机标定的要求比较高,还对摄像机的参数变化极其敏感,且算法复杂度很高[6]。上述的方法可以在多种特定环境下实现有效的障碍物检测,但是在实际应用中,复杂的环境下对障碍物进行碰撞威胁估测能够为避障系统供应有效参数。同时,对小型旋翼无人机而言,既要考虑到其负重、动力系统等方面的局限性,又要快捷有效检测出障碍物的方位,所以,此处使用单目视觉来测距和检测障碍物比较具有实际意义。
2、基于反射式红外传感器的障碍物检测方法。红外传感器在单片机系统中有广泛的采用,一个完整的红外传感器模块会有发射模块和接收模块。如果传感器的前方有障碍物,发射模块向外发射的红外线信号就会被反射回来。然后接收模块收到反射的红外信号就会输出端输出低电平,没有收到红外信号时就会输出端输出高电平。
图片12.png
12  发射模块电路图
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13  红外接收模块电路图
然而在现实中,为了让红外线传感器检测障碍物的工作更可靠,还需要对发射模块发射的红外信号进行调制:发射模块发射一定量的连续红外线脉冲串,接收模块记录下收到的脉冲的数目,再根据记录的下来的数目判断传感器前方是否有障碍物。比如说发射模块一次连续发射50个脉冲,接收模块收到超过30个脉冲就可以基本确认前方存在障碍物。
障碍检测流程:
图片14.png
14  红外传感器检测障碍物的流程
程序示例:
     ORG    0000H
MAIN:CLR    P3.2       ;关闭发射模块
     MOV    R0,#10     ;设定发送10个脉冲
     MOV    R1,#00     ;接收寄存器清零
   LOOP0:SETB   P3.2       ;发射模块起动
     LCALL  DEL160US   ;延时160US
     JB     P1.3,LOOP1 ;判断是否有信号,当为0电平时有反射。
     INC    R1         ;脉冲数目加1
   LOOP1:CLR    P3.2       ;发射停止
     LCALL  DEL160US
     DJNZ   R0,LOOP0     ;判断是否10个脉冲发送结束
     CJNE   R1,#06,LOOP2 ;判断收到的脉冲个数是否大于6
   LOOP2:JC     LOOP3
     SETB   P1.0     ;Dl亮表示有障碍物
     SJMP   MAIN
   LOOP3:CLR    P1.0     ;收到的总数小于6个,表示无障碍,则D1熄灭
     SJMP   MAIN
DEL160US:……       ;延时160us的延时子程序
     END[9]
4.2可收回旋翼
可以利用类似液压杆的一些可伸缩的机械装置,使得无人机可以迅速收回旋翼,防止旋翼在无人机靠壁时碰撞墙壁,造成刮擦。这类机械装置较简单,研究比较成熟,不再赘述。将其运用在旋翼上的情况不常见,但还是有应用的。如:“赛羚”旋翼式汽车是一种可以飞行的汽车,它的螺旋桨、动力臂可以自动收藏也可以自动放出,具备垂直起降、悬停、偏航等多项飞行性能。它的旋翼系统可以收放,展开时有6副旋翼,在路上行驶时,6个旋翼可以收回车内,变身为炫酷跑车。动力臂系统可以连接旋翼系统和车身;车在地上行驶时动力臂系统收回在车身内,在空中飞行时可以自动伸出,把旋翼系统的受力传到车体。我们可以将此项技术运用在无人机上,打造可收回的旋翼。
4.3可变形机械臂
利用空间连杆机构,将附着特殊材料的可变形机械臂迅速伸出黏住墙壁,产生巨大的阻力使无人机以较大的加速度减速并停下。
图片15.png
15  常用空间四杆机构的组成
机械臂的运动包含两个模块,即正运动学的分析与逆运动学的分析。由己知机械臂的关节变量通过坐标系间的关系求机械臂末端位置和姿态称为机械臂的正运动学;相反的,由已知机械臂末端位置和姿态求机械臂的关节变量称为机械臂的逆运动学。机械臂的运动学分析就是通过建立运动学的数学模型,来得到机械臂的关节变量和机械臂末端之间的坐标变化公式。机械臂的运动学分析是机械臂的轨迹规划和控制的第一步。
机械臂动力学分析机械臂的运动与受力,主要包含有两个问题:一是动力学的正问题,由已知的关节驱动力矩或力,计算机械臂关节的位移、速度以及加速度;二是动力学的逆问题,由己知的机械臂运动情况,计算机械臂各关节所需要的驱动力或力矩。机械臂的动力学系统十分复杂,它由很多个连杆用关节连接起来,力与运动的输入输出很多,是个极其繁杂的非线性系统。机械臂动力学在不一样的情况下研究的目的也不同。动力学正问题大部分出现在机械臂的仿真研究,逆问题一般与机械臂的实时控制有关;进行数学建模,争取最优控制,以达到实际中必需的动态性能以及最优的性能指标[11]。
运用现有技术,进行动力学建模,利用传感器输出的信号来控制机械臂的运动,就能制造出能伸出和收回的,面向空间各个角度的可变形机械臂,让无人机悬停在侧面的墙壁上。


五、分析与评估5.1技术可行性及难点
“壁虎胶带”是一项相对比较成熟的技术,将其置于机械臂上应该困难不大,一旦应用其中将会使机械臂获得巨大的范德华力来平衡无人机自身的重力。但伸出机械臂可能比较脆弱,易折断,所以要使用有足够的强度的材料使之能承受无人机的重力。同时,无人机关闭旋翼后若未及时附着到壁上,就很可能坠毁,所以机械臂伸出的速度须足够快,应使用优良的动力。再者,仿壁虎脚趾结构可能误触到其他东西,影响无人机飞行,所以传感器须判断准确,机械臂的伸出须足够精准,可以用功能强大且体型小巧的控制单位来代替,且这些传感器会被更轻巧便携、灵敏快速的传感器代替。
5.2应用前景
现今世界对于无人机的要求越来越高,无人机的功能也越来越多,从事的工作越来越复杂,难免遇到复杂的情况无法着陆。而基于壁虎脚的仿生可触壁停靠无人机可以实现在垂直面上悬停,本作品一旦突破了技术瓶颈,本未来不可限量。但是此创意的实施及投入市场还依赖于各种硬件的提升,并且实现这种提升的路还很长,还需要研究人员的更多努力。


结论
仿生壁虎胶带的研究虽然有一定的成就了但没有运用在无人机上,本文在介绍了壁虎脚趾的结构机理的基础上,设计了一种基于壁虎脚趾结构的仿生可触壁停靠无人机,它能通过探测下方障碍物,判断侧面的墙壁情况,关闭旋翼、伸出附着人造刚毛的机械臂,利用数百万的微型人造刚毛与墙壁之间的范德华力,让无人的迅速停止坠落停靠在墙壁上。
通过对基于壁虎脚趾结构的仿生可触壁停靠无人机进行研究,我对仿生学有了更深的理解,了解了仿生到应用的设计思路及设计方法。同时,我对于机械臂的构造设计及控制方式有了更广泛的认识和了解,对于如机械原理、机械设计、现代控制理论、传感器信号处理、单片机、数学建模等方面的知识有了一个较为系统的学习,对于今后的科研工作奠定了很好的基础。
对于基于壁虎脚趾结构的仿生可触壁停靠无人机的研究仍然存在若干细节问题,有待于进一步研究。
参考文献
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[11]张魁仓.基于预定轨迹的机械臂最优关节加速度研究[D].合肥工业大学.2015
[12]Nikolaos Kofinas, Emmanouil Orfanoudakis, Michail G. Lagoudakis. Complete Analytical Forward and Inverse Kinematics for the NAO Humanoid Robot. Journal of Intelligent & Robotic Systems, 2015, Vol.77 (2)
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