爬壁蠕虫机器人构型初探

　　小型爬壁机器人具有轻巧、低功耗、低危险性等特点,因此被广泛应用于建筑检测、城市搜救以及对未知环境的探测等[1-4].但由于其工作表面大多为复杂曲面,并需要克服重力,已有的爬壁机器人很难兼顾结构轻巧和运动灵活.

　　前期工作中[1],在ZC-1爬壁蠕虫机器人中引入了模块化的概念.为了简化吸附机构, ZC-1采用了一种新的吸附方式———振动吸附.该蠕虫机器人的结构和步态与普通的地面蛇形模块化机器人类似,不同的是吸盘与吸附表面是固定约束.这使得该机器人的运动问题具有特殊性,应该在设计结构和控制中予以考虑.然而,由于蛇形机器人和蠕虫机器人与壁面的约束方式不同[5-7],它们之间又有如下主要不同点:驱动力不同.蛇形机器人在地面上爬行,靠身体与地面的摩擦力推动机器人前进.蠕虫机器人在竖直壁面上爬行,必须吸附在壁面上,否则会从壁面上脱落.因此蠕虫机器人的驱动力来自于固定约束.运动步态不同.蛇形机器人可以采用多种步态爬行,例如蜿蜒和翻转等,而蠕虫机器人只可采用蠕动方式前进.模块不同.蠕虫机器人需要吸附模块,而蛇形机器人不需要.

　　为了简化问题,本文在如何简化吸附模块上不作深入讨论,而重点分析如何从众多的蠕虫构型中抽象出蠕虫机器人的运动规律,并对其特点进行分析.此项研究具有开拓性,目前尚没有类似的可在壁面上蠕动爬行的机器人.

　　1　2种蠕虫构型的运动学分析

　　从运动学的角度看,蠕虫有2种运动构型,典型代表是尺蠖和松毛虫.引入模块化概念,这2种构型可以看成吸附模块和关节模块的组合,不同的数量和连接方式决定了不同的运动构型.为了分析其运动,将吸附模块简化成图示,关节模块简化成 2个吸附模块之间至少含有1个关节模块,否则2个吸附模块可简化为1个吸附模块.

　　1. 1　松毛虫及其运动构型

　　松毛虫主要由头部、尾部、躯干以及一些假足构成.爬行时头部与尾部协调保持整体的平衡,躯干起着推进器的作用,图1所示为松毛虫的照片及其构型.

　　松毛虫在爬行时,首先抬起尾部,收缩尾部肌肉,使尾部前进一定距离后放下尾部;紧接着,抬起与尾部相邻躯干上的假足,收缩躯干肌肉,放下假足.假足按一定序列抬起和落下,即可将波形沿着毛虫躯干向头部传递.当波形传递到头部,一个运动周期就完成了,毛虫向前爬行了一个步距.图2所示为上述运动过程及其运动构型.

　　如图2所示,松毛虫的运动特点包括以下2方面:运动中任一时刻都有2个以上吸附模块(假足)与壁面吸附;运动中有明显的波形传递过程.

　　1. 2　尺蠖及其运动构型