来源:Frontiers of Mechanical Engineering 发布时间:2022/11/14 11:01:53
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FME | 前沿综述:仿生可逆附着在机器人领域的应用

论文标题:Learning from biological attachment devices: applications of bioinspired reversible adhesive methods in robotics(仿生可逆附着在机器人领域的应用)

期刊: Frontiers of Mechanical Engineering

作者:Kun Xu(徐坤), Peijin Zi(訾佩锦), Xilun Ding(丁希仑)

发表时间:02 Nov 2022

DOI:10.1007/s11465-022-0699-x

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从生物附着器官中汲取灵感:

仿生可逆附着方法在机器人中的应用

Learning from biological attachment devices:

applications of bioinspired reversible adhesive methods in robotics

作者列表

Kun Xu(徐坤), Peijin Zi(訾佩锦), Xilun Ding(丁希仑)

关 键 词

adhesion, bioinspired attachment, biomimetic gripper, climbing robot, dry adhesion, wet adhesion, mechanical adhesion, sub-ambient pressure adhesion

粘附,仿生附着,仿生机械爪,攀爬机器人,干粘附,湿粘附,机械力粘附,环境压差粘附

原文链接

https://journal.hep.com.cn/fme/EN/10.1007/s11465-022-0699-x

文 章 简 介

在轨维护、星球探测、建筑维修、人体医疗等特种作业环境中表面形貌复杂、介质多变、约束时变,严重制约着机器人的实际应用,如何实现可靠高效附着与稳定灵活攀爬,是亟待解决的难题,自然界中的生物攀附可以给我们很好的启示:

干黏附是一种基于范德华力的附着效应,研究人员模仿壁虎脚掌刚毛的微纳结构研制出了多种粘附垫,并将其应用于腿式、轮式及履带式攀爬机器人和机械爪中,实现了在光滑表面的可靠高效附着。湿粘附是一种基于毛细力和斯蒂芬粘滞力的附着效应,通过模仿树蛙、昆虫等动物的黏附垫结构,仿生黏附垫实现了在湿滑表面的附着,可应用于攀爬机器人、软体机器人与可穿戴装备中。除上述微观机理外,生物还可通过钩挂、互锁、夹持等宏观方式产生附着力,在此称为机械力粘附,机器人使用仿生钩爪和手爪可有效附着在岩石、树木等粗糙表面。一些动物还可通过肌肉驱动且具有特殊表面结构的吸盘与被附着面产生环境压差附着,研究人员成功研制了仿鮣鱼、章鱼、吸盘鱼等吸盘,实现了跨介质附着,提高了人工吸盘的表面适应性与密封能力。

基于对仿生可逆附着的调研,本文对仿生附着装置的设计方法与攀爬机器人的研制方法进行了总结,并对其应用前景与挑战进行了讨论。

文 章 亮 点

(1)本文从附着机理到仿生附着装置的研制再到实际应用对干粘附、湿粘附、机械力粘附与环境压差附着的最新进展进行了综述,首次系统地阐述了仿生可逆附着在机器人领域的应用,对仿生学、摩擦学、微纳制造、机器人等领域的研究具有参考价值。

(2)提出了基于均分负载、刚柔耦合、多层柔顺、定向粘附和附着力优化的仿生附着装置的通用设计方法。

(3)总结了包括附着系统设计、驱动与感知、控制策略在内的仿生攀爬机器人研制方法。

文章作者简介

丁希仑 北京航空航天大学机器人研究所教授、博士生导师,机械工程及自动化学院院长,英国伦敦大学国王学院机械工程系客座教授(2006–2009)。

2002年入选北京市科技新星计划,2007年获得第十届茅以升北京青年科技奖,2008年入选教育部新世纪优秀人才支持计划,2011年获国家杰出青年科学基金。“科技创新2030-重大项目”深空探测及空间飞行器在轨服务与维护系统专题技术论证专家、国家自然科学基金委共融机器人重大研究计划论证专家、国际机构与机器科学联合会IFToMM机器人学和机械电子技术委员委员等职务。

担任5个SCI期刊副主编、编委,并在ASME、IEEE等多个机器人领域国际会议担任主席。发表论文200余篇,授权发明专利80余项,专著/合著6部。获得国家技术发明奖二等奖1项(第1),省部级奖多项。

主要研究方向为空间机器人与空间机构学、仿生机器人、智能控制与自动化检测技术等。

徐坤 北京航空航天大学机器人研究所副教授,中国机械工程学会会员、中国自动化学会会员。

主持承担国家自然科学基金、北京市自然科学基金项目、航天类课题近20项,作为课题主要成员参与国防973项目、解放军总装备部陆装项目、北京市科技计划重点项目、国家自然科学基金委共融机器人重大研究计划重点项目各1项、国家重点研发计划项目2项。获国防技术发明奖二等奖1项,北京市技术发明奖三等奖1项。

长期从事足式机器人、复合移动机构机器人等多模式移动操作机器人研究,发表论文50余篇,授权发明专利40余项。代表作发表在Nature Astronomy、Progress in Aerospace Sciences、IEEE/ASME Transactions on Mechatronics、Frontiers of Mechanical Engineering等期刊上。获2012年ASME/IFToMM ReMAR与2018年IEEE ROBIO国际会议最佳论文提名奖、2019年《机械工程学报》优秀论文奖、2017-2020年《Chinese Journal of Aeronautics》高影响力论文。

摘要

Many organisms have attachment organs with excellent functions, such as adhesion, clinging, and grasping, as a result of biological evolution to adapt to complex living environments. From nanoscale to macroscale, each type of adhesive organ has its own underlying mechanisms. Many biological adhesive mechanisms have been studied and can be incorporated into robot designs. This paper presents a systematic review of reversible biological adhesive methods and the bioinspired attachment devices that can be used in robotics. The study discussed how biological adhesive methods, such as dry adhesion, wet adhesion, mechanical adhesion, and sub-ambient pressure adhesion, progress in research. The morphology of typical adhesive organs, as well as the corresponding attachment models, is highlighted. The current state of bioinspired attachment device design and fabrication is discussed. Then, the design principles of attachment devices are summarized in this article. The following section provides a systematic overview of climbing robots with bioinspired attachment devices. Finally, the current challenges and opportunities in bioinspired attachment research in robotics are discussed.

《前沿》系列英文学术期刊

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