3.3　“摧毁者”子系统总体架构设计

在讲述“摧毁者”子系统总体架构设计之前，我们先来介绍一下相关的技术背景，然后逐一讲述吸附方法、吸附探测器、爬行方法以及摧毁方法的技术讨论和技术选型。

3.3.1　背景技术介绍

作为“摧毁者”，它必须具有吸附能力和进行具体“摧毁”操作的能力，因此良好的技术方案原型就是壁虎机器人。

做壁虎机器人的机构比较多，目前比较成熟的是斯坦福大学的Stickybot III以及波士顿动力的RiSE。Stickybot III是在Stickybot平台上发展起来的，它有4条腿，每条腿有4个自由度，其中包括在垂直墙上进行攀爬的主要部位——腕部。

由于壁虎可以沿着垂直墙面进行爬行，也自然被拿来作为仿生的对象。壁虎机器人能吸附在墙上的主要原理是，在每个吸力手上，都有数百万根由人造橡胶制造的毛发，每根毛发的直径大约只有500 nm左右，长度则不到2 μm，毛发和垂直表面分子之间会产生分子弱电磁引力，也叫范德瓦尔斯力，这个力可以使壁虎机器人吸附到垂直面上。

Stickybot III体长36 cm，速度5 cm/s；RiSE体长25 cm，速度30 cm/s。壁虎机器人可以吸附在墙上行走，因此可代替人类来执行反恐侦查、地震搜救等高难度的任务。

3.3.2　吸附方法的技术选型

对于不同的故障机器人表面，我们将采用不同的吸附方法，具体如表3-3所示。

实际上，可以做成接插组件，机器人可以接插毛刺吸附触手，或者接插吸盘吸附触手。

粗糙表面的吸附原理如图3-4所示。

通过对粗糙表面进行放大观察，我们会发现粗糙表面存在很多细微区域，如图3-5所示。这些细微区域有不同的大小颗粒、倾斜角度，当我们使用不同大小的毛刺去刺向这个粗糙表面时，就会有不同的结果。

试验证明，只要毛刺尖端的大小和粗糙表面细微区域的大小接近，就能提供良好的支撑作用。

我们采用坚硬的金属制造毛刺。图3-6所示为一个单根毛刺，具有极高的支撑能力。其中，左图是一个毛刺的结构；中图是毛刺的弹簧阻尼器连接模型，其中1、2为结构件，弹簧3和4平行于墙体，弹簧5垂直于墙体，标号为6的是支点，用以支撑整个机器人；右图还是这个毛刺，只是使用了不同的材质和尺寸。

经过测试发现，使用10根类似毛刺，就可以支撑起一个成年人，如图3-7所示。

为了操作这些毛刺，我们设计了以下控制机制。

一般来说，利用真空吸盘抓取制品是最廉价的一种方法。真空吸盘品种多样，橡胶制成的吸盘可在高温下进行操作，由硅橡胶制成的吸盘非常适于抓住表面粗糙的制品；由聚氨酯制成的吸盘则很耐用。另外，在实际生产中，如果要求吸盘具有耐油性，则可以考虑使用聚氨酯、丁腈橡胶或含乙烯基的聚合物等材料来制造吸盘，如图3-8所示。通常，为避免制品的表面被划伤，最好选择由丁腈橡胶或硅橡胶制成的带有波纹管的吸盘。其具有较大的扯断力，因而广泛应用于各种真空吸持设备上。

平直型真空吸盘的工作原理为：首先将真空吸盘通过接管与真空设备接通，然后与待提升物如玻璃、纸张等接触，起动真空设备抽吸，使吸盘内产生负气压，从而将待提升物吸牢，开始搬送提升物。当提升物被搬送到目的地时，向真空吸盘内平稳地充气，使真空吸盘内由负气压变成零气压或稍为正的气压，真空吸盘脱离提升物，从而完成提升搬送重物的任务。

它的特点如下。

□　易损耗。由于它一般用橡胶制造，直接接触物体，磨损严重，所以损耗很快。

□　易使用。不管被吸物体由什么材料制成，只要能密封，不漏气，均能使用。电磁吸盘则达不到此要求，它只能用在钢材上，其他材料的板材或者物体是不能吸附的。

□　无污染。真空吸盘特别环保，不会污染环境，没有光、热、电磁辐射等产生。

□　不损伤工件。真空吸盘由于是橡胶材料所造，吸取或者放下工件不会对工件造成任何损伤。而挂钩式吊具和钢缆式吊具则不然。

3.3.3　吸附探测的技术选型

为了感知是否触碰到故障机器人表面，我们需要传感技术。尤其是通过“观察者”下放缆绳，“摧毁者”需要通过触碰探测来执行一系列快速操作。因此，我们使用“顶针”来作为吸附判断，具体方法如图3-9所示。

图3-9中，“按钮帽”一旦触碰到故障机器人表面，就会接通开关，引发GPIO中断。因此，我们的芯片需要设计GPIO来进行吸附探测。

3.3.4　爬行方法的技术选型

我们将按照爬行机器人的方式，设计6个脚，具体如图3-10所示。

这些脚可以上下运行，即开合操作。通过开合操作可以找到适合触点（力度足够牢固地支撑自己），然后稳稳地形成着力点。再加上一个前后运行的身体，即可交替把触手伸向前方，如图3-11所示。

图3-12所示为一个身体骨干的前后运动模式，即身体不断地往前探，然后把处于身体后端的触手张开并运送到身体前段，再做闭合动作。

动作次序如表3-4所示。

当处于后端闭合的触手张开并运送到前端，就可以形成连贯的爬行动作。

3.3.5　摧毁方法的技术选型

作为摧毁故障机器人的手段，我们的优选方案如表3-5所示。

以上实施手段做成可选项，依据具体故障机器人型号，可以现场装配。 dKTs+/uq2DIaMi/ArwHAtB9yZ715GpRmvar3EEduM3AR8pABLuYRQ0VsCv2EoEb7