仿生爬壁滑翔机器人的构型、步态及滑翔控制方法研究

To improve the climbing speed and working efficiency of the climbing robot, this project will research and develop a bionic climbing and gliding robot based on the research results of the bionics and aero dynamics. The research work will include developing a compliant mechnism to combine the climbing and gliding functions into one robotic platform, building up multi degree of freedoms legs based on compliant joints and spinule foot, designing a leg and membrane wing compound mechanism, and researching a bionic dynamic climbing gait and rapid directional gliding control method. The results of this project will include a kind of meso scale climbing robot being able to dynamically climb on natural walls as well as freely glide down. A rapid dynamic bionic climbing gait will be ensured by a comprehensive design method, which optimizes the driver, structure and gait to realize a resonance gait. A controllable gliding will be yielded by a multi functional leg and membrane wing driving mechanism. This project will feature in the fusion of multi disciplines, including bionics, complinant mechanism, aero dynamics and climbing robot. That endowes this project with a novel research methodology.

项目针对目前小型爬壁机器人爬行速率低、回收困难等问题，以飞蜥、飞鼠等自然界四足爬壁滑翔动物为原型,开展柔性仿生爬壁滑翔机器人研究，探索兼具四足动步态攀爬和肢控翼膜滑翔的多模式运动实现方法：（1）以结构参数-摆动步态的谐振控制作为攀爬运动的设计目标，结合足端微刺附着方式，以减小爬壁机器人的能耗；（2）参考四足滑翔生物运动过程和姿态调整策略，采用波动滑行步态克服失稳，实现定向滑翔控制；（3）采用背向滑翔形式实现由攀爬到滑翔的运动模式转换。该项目将研究小型爬壁滑翔机器人柔性机构的一体化设计方法，构造适应复合功能的多自由腿和基于柔性张紧机构的翼膜，建立机器人爬壁、滑翔的运动控制模型。本项目具有多学科交叉融合的特点，是小型爬壁机器人研究的拓展和延伸，研究成果有望获得一类具有多运动模式的高效爬壁滑翔机器人。

项目针对目前小型爬壁机器人爬行速率低、回收困难等问题，以飞蜥、飞鼠等自然界四足爬壁滑翔动物为原型,开展柔性仿生爬壁滑翔机器人研究，探索兼具四足动步态攀爬和肢控翼膜滑翔的多模式运动实现方法：（1）提取爬壁类生物的体态运动特征，进行匍匐式动爬壁步态动力学分析和建模，以结构参数—摆动步态的谐振控制作为攀爬运动的设计目标，结合足端微刺附着方式，以减小爬壁机器人的能耗；（2）建立滑翔类生物的翼膜形变与肢体运动映射关系，参考四足滑翔生物运动过程和姿态调整策略，采用波动滑行步态克服失稳，实现定向滑翔控制；（3）基于翼肢融合体的一体化仿生爬壁滑翔机器人构型设计，实现爬壁滑翔不同模式下的肢体伸展机构复用，探究不同环境下爬壁—滑翔的运动模式切换方法。该项目提出了含有被动弹性腰关节的仿生四足爬壁构型，以驱动效率为优化目标进行构形参数优化和轨迹规划，样机攀爬实验证实了被动腰关节弹性可以有效的降低爬壁机器人足端力，进而实现每秒0.2倍体长的快速低功耗动态攀爬；提出了以柔性翼膜为特征的仿生滑翔机器人，基于四肢尾部协调运动的滑翔控制策略，将速度参数引入滑翔运动的全过程；CFD仿真和风洞试验表明合理的翼膜形变和尾部摆动有利于气动力/力矩的调节，样机外场滑翔实验证实了滑翔控制策略的有效性，可实现稳定滑翔和姿态快速调节，滑翔比可达到2.85m/s。完成了基于翼肢融合体的柔性仿生一体化机器人方案，实现了柔性肢体在爬壁和滑翔模式下的机构复用；针对不同应用场景，提出了两种爬壁—滑翔运动模式切换方案，为后续多模式机器人的模态转换提供参考。该项目研究了小型爬壁滑翔机器人柔性机构的一体化设计方法，构造适应复合功能的多自由腿和基于柔性张紧机构的翼膜，建立机器人爬壁、滑翔的运动控制模型，实现了具有多运动模式机器人的高效动态攀爬和空中稳定滑翔。