基于钢结构环境下的仿生机器人设计分析

许飞

摘要：通过对现有钢结构类型、结构要素分析，采用仿生学的方法对自然界中相似的结构体系进行比对分析，得出尺蠖行走的树枝形结构环境与钢结构环境相似，并对尺蠖生存环境和爬行方式进行观测与研究，分析了尺蠖的爬行运动步态结构以及爬行环境，运用工业设计方法对尺蠖的功能一形态一结构进行仿生设计归纳，为钢结构环境下可携带检测装置的仿生机器人设计与实现提供理论依据与设计方法。

关键词：交互设计 仿生设计 设计分析

中图分类号：TB472文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2018）07-0117-03

引言

钢结构因自身的许多优点，在工业建筑和民用建筑中被广泛使用，为保证建筑物的寿命与建筑安全，需要对钢结构进行及时的检测。常用的检测方式为超声波无损检测，检测工人手持探测设备进行人工检测，使得工人的劳动强度大并伴随人身安全的问题，这些问题主要表现为：大跨度钢结构的空间、距离、角度等工作面上的高空作业问题，以及超声波探伤过程中的辐射问题，手持式仪器工作的疲劳问题等。为解决钢结构检测过程中对检测工人造成的安全健康等各种问题提出设计一种机器人，搭载超声检测装置对钢结构进行检测，用于代替人工手持超声波探头进行钢结构检测工作，避免因探伤检测工作中的环境、劳动强度等原因对工人产生健康危害。文章以设计程序与方法中的设计分析为主要论述点，通过设计分析为机器人的设计提供理一种方法和依据。

一、设计理论

在工业化时代，人对机器的性能要求越高越好机器对使用它的人的要求也伴随着提高，人们在追求机器高性能的道路上人与人的生理和心理的要求渐行渐远，追求的高性能的机器已经不能满足实际的需要。究竟是人应该去适应机器还是机器适应人？

设计有其本身的逻辑和价值。在一个真实物质世界，设计价值目标指向“人-物-环境”相互适应的合理性。表现在：设计协调人在使用工具时相互适应，千百年来人们致力探讨人与工具之间这种良好关系，积淀为设计逻辑和价值意义正向能量。在工业化时代，设计将其发挥到一个历史性高度，其代表理论“设计为人”（Bauhaus，1919），明确提出人与物的关系是以人为本的适应性关系。人的需求是设计的终极目标，也是设计所奉行的最高级原则。

人机工程学理论认为，通过研究组成人机系统的机器与人之间的关系，以提高整个系统工效。利用人的行为方式、工作能力、作业限制等特点，通过对工具、系统、任务和环境进行合理设计，以提高人使用工具（机器）的安全性、舒适性和有效性。

二、仿生设计方法

仿生设计是基于仿生学与设计学理论的一种设计方法。通过探究大自然中各种生物的特征和原理，然后对这些特征原理加以归纳、设计与应用，借助自然力量进行设计的方法。对仿生的研究和使用往往能够为设计提供一种独特的解决方案。

自然生物经过数万年甚至数千万年的进化来应对环境的变化，以保证不被环境所毁灭，进化出了完美的适应环境的功能、形态、结构。这些适应环境的功能、形态与结构使得一些生物能够在人类无法适应的环境中生存，跨越人类不能通过的障碍，到达人类不能涉及的空间，能够通过自身特征来应对发生的灾难。

设计是人类不被毁灭的第三种智慧，通过对自然生物的观察研究与学习，对生物的功能一形态一结构进行研究分析，获取解决人-环境的办法。在人与自然和谐发展的情境下，以现代科学技术为主导，以功能实现为目标，用于为人类生存的真实的世界而设计，达到人-物-环境最优的协调和适应。

三、环境分析

（一）钢结构环境分析

钢结构除了常用于工业建筑和民用建筑之外，在桥梁、船舶、大型机械架构、设备基础、大型支架等方面也被广泛运用。常用的钢结构类型为梁式结构，桁架结构、框架结构、拱式结构、索式结构，各个结构体系相互配合使用，构建起稳固的钢结构。主要分析了：1.桁架结构，由各个杆件承担拉力、压力，通过杆件的布置使得各个杆件受力合理，钢网架、网壳属于空间桁架。2.框架结构，由钢梁和钢柱组成的结构，能承受垂直力与水平力的荷载，为承重骨架。

（二）检测设备分析

超声检测也称为超声波无损探伤，无损检测的一种发展与应用，其用途是检测铸件缩孔、气泡、裂纹、夹渣、等缺陷及厚度测定。超声波无损探伤检测方法在钢结构领域运用广泛，它能非破坏性地探测材料内部和表面缺陷的大小、形成和分布情况，具有灵敏度高、穿透力强、检测速度快和设备简单、成本低等特点。

超声波束由探头通往工件内部，遇到缺陷与工件底面时就分别发回反射波，探伤仪显示屏上形成脉冲波形，检测人员通过这些脉冲波形的判断来确定缺陷位置和大小，工作原理图。

根据探伤检测类别的不同，可选择不同的探头，直探头、斜探头、小角度探头。在工程中常常见到的超声波探伤行为是在进行钢结构探伤檢测时，具有资质的探伤员一手持探伤仪，一手持探头在钢材表面进行检测，探头把数据传输到探伤检测仪，由探伤员进行数据分析得出结果。其行为及其耗时耗人力，且有危险性。

（三）传统人工检测方式分析

检测人员对进行超声波无损检测时，有以下步骤：

1.无损检测任务后，看图纸了解检测要求，验收标准。

2.准备好设备，使用标准试块对仪器进行校准。通过对被测物及标准的了解，选择好探头，对探伤仪综合性能，曲线进校准。

3.探测面清理，清除被测物表面的锈蚀、氧化皮等，使探测面符合探测光滑度要求。在清理过程中，检测人员用刚刷等工具清除需要检测区域的铁屑、焊渣、灰尘等污物。

4.涂刷耦合剂，检测人员用刷子将耦合剂涂刷在需要检测的位置上，刷一段耦合剂，检测一段的方式。

5.检测人员手持探头在钢材上扫查。

6.观察探伤仪上的数据、波形，发现缺陷后，判断出缺陷的位置、缺陷的种类并做记录。

针对探伤检测的六个步骤调研发现，探测面清理、涂刷耦合剂、探头扫查，这三个方面操作相对简单，但是又耗费探伤检测人员的工作时间与精力，可以由机器人进行替代。根据人机工程学理论“人机功能分配”的原则，从人机优势互补的角度出发，机器人负责劳动力的提供与执行部分任务，把复杂和重复的工作让计算机去处理，人处于监管的定位。

（四）以仿生学的角度进行相似环境分析

分析了钢结构的类型与组成元素，对比自然界中的一些结构复杂的形式多为树枝、枝权状，各个树枝之间相互交叉支撑，自然形成的相互穿插相交的结构体系。观察自然界中能够在树干、树枝、树叶散布的架构中灵活爬行的多为小体形的昆虫。松毛虫与尺蠖能够在错综复杂的树干、树枝、树叶之间通过独特的纵向弓背、延展来进行灵活穿行，跨越不同的平面、角度，而且能够在狭窄、细小的不规则平面与曲面上跨障碍爬行，其爬行环境类似于复杂的多种体系型钢结构。

（五）毛松虫与尺蠖爬行步态对比分析

松毛虫的爬行步态，尾部向上抬起，尾部肌肉进行收缩，使得尾部可以前进一定的距离，然后放下尾部。抬起靠近尾部末端軀干上的假足，收缩躯干肌肉，放下假足，假足按一定节奏与序列抬起和落下，即可将波形沿着毛虫躯干向头部传，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。

尺蠖的爬行步态，尾部向上抬起，尾部及躯干肌肉收缩，使得躯干形成一个拱形，放下尾部，尾足抓附。然后，首足放松，头部抬起，躯干肌肉伸展，拱形拉伸。然后，放下头部，躯干处于持平状态。一个运动周期完成，尺蠖向前爬行一个步距。尺蠖没有腹部的假足，所以步态比起松毛虫简单。

对松毛虫与尺蠖的运动步态进行对比分析发现：①松毛虫多足，所以运动步态比尺蠖安全；②尺蠖运动步态简单、爬行快、高效；③尺蠖结构比松毛虫简单。松毛虫的步态为沿波形蠕动为，比起尺蠖，步态复杂，控制也比较复杂。

对比了比较典型的毛松虫爬行构型和尺蠖的爬行构型，松毛虫的构型在运动时存在冗余驱动，导致吸盘出现侧滑力。尺蠖构型具有3个自由度，运动中它始终处于开链状态，由于没有冗余驱动和内力的影响腔制相对简单，所以选择尺蠖进行下一步研究。

四、尺蠖的研究

尺蠖是一种无脊椎动物，属昆虫，身体细长，因吃树叶，经常损坏树木，在农业和林业上认为有害。尺蠖爬行时躯干成拱形状，在无脊椎爬行昆虫中引人注目。

尺蠖的步态是通过前后腿的交替释放一抓取承受物体和身体弯曲为拱形-伸直循环延伸长度来实现步态移动。尺蠖的弓形形状使得尺蠖运动以屈-伸-屈反复的形式出现形成弹力曲线，曲线中的弯矩与曲率成正比。当尺蠖运动为弓形时，头部和尾部为保持平直，以身体中部为中心分别到尾部与头部形成两个斜坡，尺蠖在水平位置X，垂直位置Y范围进行运动。

（一）尺蠖步态研究

对尺蠖进行观测研究后发现，尺蠖的爬行能力惊人，能够在平滑、粗糙等复杂平面及非平面自由爬行，能够跨越障碍、跨越不相连接的路径，能够判断爬行路径的状况以及爬行时足部抓合的受力面是否能承载自身重量。

尺蠖的五对足部分别位于身体前段与末端（前段三对足，末端两对足），身体中间部分很长的一段无任何支撑地面的肢体结构。爬行步态为（a）平行平面的身体在探知路况的情况下前端三对足部对路面进行抓附受力支撑整个躯干，末端两对足部松开抓附物；（b）尺蠖躯干肌肉开始进行反作用于路面的方向收缩弯曲使得末端两对足部在不受力的情况下随着尺蠖躯干向前移动，直到前3对足部与后面2对足部最小距离接近；（c）尺蠖后2对足部抓附地面承受整个身体的重量，前3对足部松开抓附物，头部抬起寻找落脚点，同时拱形弯曲的躯干开始伸展开，整个躯干伸展为直线状态；（d）尺蠖头部与躯干向下，前3对足部接触物体进行抓附，整个躯干平于地面；尺蠖通过4个动作来完成一个步距。

（二）尺蠖结构研究

尺蠖的五对足部前后分开，分别位于躯干前端与躯干尾端，其中尾足跟腹足位于尾部用于抓附物体支撑躯干及头部向上抬起，尾足与腹足的配合完美地解决了支撑与平衡的问题。

尺蠖的结构特点在于尺蠖进行爬行时，头、尾两个受力点A、B，用来承担整体的重量以及附着力。中间很长的一段空间躯干部分L用于收缩与伸展来控制位移距离。两个受力点A、B与躯干部分L相互协调配合来实现尺蠖本身的爬行，减少了受力面积，有利于跨越障碍。

通过观察分析尺蠖的攀爬原理、运动步态，并进行模仿，确立爬行机器人的爬行原理与运动步态。分析尺蠖的足部，观察起足与落足时的足部变化，以及足部的抓取方式，把分析与研究结果用于仿生爬行机器人的运动形态上。

五、仿生机器人设计

运用结构仿生方法、功能仿生方法，研究生物体和自然界物质存在的内部结构原理，自然生物客观存在的功能原理与特征。把仿生学原理运用到工业设计中，通过对尺蠖的功能、形态、结构的研究总结出尺蠖的运动方式的特点，为爬行机器人设计提供新的概念与思路，并用这些原理与思路进行新的设计。

经过钢结构的结构形式一组成要素分析以及尺蠖的功能、形态、结构研究后，提出仿生爬行机器人的设计概念。一种以两个足部受力，爬行时相互交替为受力支点的爬行机器人，能够克服重力的影响在垂面上负重爬行。适合于在各种钢材表面以及复大型杂构件上爬行的机器人，通过远程操作与控制能够携带检测装置进行钢结构检测。

（一）结构形态设计

通过对尺蠖的结构形态分析来为机器人的结构与形态提供思路。尺蠖的运动步态是靠前后的足部为支撑点受力，靠中间的躯干收缩与伸展完成爬行。尺蠖在收缩时，躯干并没有完全成卷曲状，只有三个区域的卷曲使得躯干收缩成了拱形，头部与尾部始终保持与爬行面平行，尺蠖的脚分别在尺蠖的尾部与首部，在爬行时始终保持有一个区域的足部抓附于爬行面，保证尺蠖不在爬行时掉下来。尺蠖收缩成拱形时，躯干部分收缩幅度较大的三个区域，归纳为三个关节点。尺蠖的躯干刚好被三个关节点分为四段，首、尾两个足部区域归纳为两个附着于爬行面点，同时也是支撑整个尺蠖受力与平衡的两个点。根据尺蠖爬行时的结构与形态，推导出机器人的运动步态。

（二）机器人机身设计

根据尺蠖的结构形态研究，设计出了机器人的爬行运动步态，充分依据爬行机器人的运动步态，结合钢结构爬行环境和可携带装置的功能需求，提出机器人模块化的结构设计。

1.关节模块设计。尺蠖运动是靠躯干收缩与伸展完成的，属于蠕动式。在机器人的步态设计中采用三个关节相互配合活动来实现机器人的步态运动，把三个活动关节分別以模块的形式连接在一起形成机器人的机体。前后两个关节模块的延长部分对应前后两个吸附模块进行连接。

2.吸附模块设计。作为机器人爬行运动时与爬行面的接触点，机器人无法像尺蠖用足部尖端对树枝进行抓附一样抓附钢材。钢结构表面相对平整，机器人可以采用吸附的方式在钢结构上爬行。两个吸附模块位于机器人的头部与尾部，对应尺蠖的首足与尾足，是机器人的支撑点，用于支撑整个机器人机自身的重量和负载的重量。

（三）控制系统设计

在人机系统中，需要人_机配合来完成工作任务，这就需要对人机系统进行功能分配。人机功能分配是人机系统设计中的重要环节，决定了整个系统的性能。在人机分配中，充分发挥人和机的特长，优化效率。在机器人设计中明确了人机分工，人承担远程监控的任务，机器人承担搭载探头检测的任务。在整个系统中人处于主导作用，决策功能由人来完成。

结语

从设计为人的理论高度明确了人的需求是设计的目标也是最高原则。对钢结构对钢结构的常见结构形式进行了分析；分析结构检测常用的超声波无损检测茼搬备和人工进行钢结构检测工作的方式、流程，根据人机工程学理论中人机优势互补的原则进行人机功能分配，得出在超声波无损检测工作中可以用机器替代人工的部分和无法替代的部分，确定了人的主导作用；用仿生设计的方法进行分析研究：比对了钢结构环境与自然界中相似环境，得出钢结构环境与树枝形交叉环境相似；比对分析了善于在树枝形交叉环境下穿梭爬行的毛松虫与尺蠖，得出尺蠖的爬行方式与结构更稳定；通过功能仿生、结构仿生的方法对尺蠖的步态、结构、环境进行研究，得出尺蠖的结构完美地解决了支撑平衡问题。尺蠖的步态解决了在复杂的树枝一叶伏空间结构的灵活爬行问题。

通过仿生机器人设计分析可以进一步设计出机器人的控制系统、交互方式等，最终实现钢结构环境下可携带检测装置的仿生机器人来代替人类从事危险工作。