摘要: 在我们的生产、生活环境中几乎所有的壁面都具有一定的粗糙度，比如说水泥桥梁、高架桥桥墩、建筑外墙以及地震等灾难后的废墟等，传统的磁吸附式、真空吸附式及干性粘附式爬壁机器人难以在这类壁面上长时间稳定爬行。自然界中甲虫等昆虫具有利用足部... 展开 在我们的生产、生活环境中几乎所有的壁面都具有一定的粗糙度，比如说水泥桥梁、高架桥桥墩、建筑外墙以及地震等灾难后的废墟等，传统的磁吸附式、真空吸附式及干性粘附式爬壁机器人难以在这类壁面上长时间稳定爬行。自然界中甲虫等昆虫具有利用足部和腿上的钩刺实现稳定的抓附在粗糙壁面上并自由爬行的功能特征，甲虫的这种抓附方式为设计适合攀爬粗糙壁面的机器人带来新的思路。现有的钩刺式爬壁机器入主要依靠重力使钩刺尖端与墙壁接触面产生压力，进而具有足够的摩擦力粘附在壁面上。当机器人重力与攀爬表面垂直（天花板上）或者受到垂直壁面的倾覆力较大时，钩刺尖端不能产生足够的摩擦力来阻止机器人倾覆，导致这类机器人不能在天花板上爬行，在垂直表面上很难实现转向运动，且易受外部环境中的振动、电磁等干扰，其运动稳定性较差。 本文模仿甲虫足部钩刺对抓的特征及尺蠖蠕动爬行运动特性介绍了一种可灵活转向的仿甲虫六足爬行机器人机构，重点研究了该机器人控制系统，探索了基于CPG仿生控制系统的设计方法，为突破仿生爬行机器人爬天花板、灵活转向等技术难点提供了新的启示。 本文的主要创新点如下: 1、传统的控制方法在非结构化环境下适应能力差，本文从仿生角度出发，模拟动物的节律运动设计了一种基于中枢模式发生器(CPG)的控制系统。该控制系统能自发的产生节律信号，易调节、适应性强。CPG振荡器之间相互耦合产生稳定的相位互锁关系，进而使机器人各关节协调运动。本文采用的CPG模型是在Kimura模型的基础上添加一个阈值，协助调节机器人各关节运动时序。CPG振荡器的输出频率、幅值等取决于模型参数，本文采用计算机仿真分析CPG网络中各参数变量与CPG信号之间的关系，保证CPG网络输出在期望范围内。 2、在基于ODE开源动力学仿真软件Webots中，建立仿甲虫六足爬行机器人模型，并完成CPG算法设计，仿真实验验证机器人前移、后退及避障运动，最后，采用STM32系列单片机作为主控制器，产生PWM波驱动舵机运动，利用超声波传感器及红外遥控器实现机器人避障及远程遥控功能。 3、研制出仿甲虫六足爬行机器人原理样机并开展功能验证实验，结果表明，仿甲虫六足爬行机器人能在粗糙壁面上稳定爬行并自如避障，前移平均速度约10.1mm/s，这为以后进一步研究钩爪式结构和CPG控制方法奠定了扎实的理论基础。 收起