文|孤馆深深
编辑|孤馆深深
壁虎在墙体上附着-脱离运动是其攀爬动作中必不可少的一步，主要通过其附着器官（趾部）产生，并与运动器官（四肢）的运动状态密切相关，附着器官和运动器官之间的协调是研究附着-脱离运动的关键之一。
这两种运动在时间和空间上的变化需要被阐明，为此，对凤头壁虎的粘附攀爬运动进行了实验。
实验中使用的巨型凤头壁虎（Gekko gecko, 林奈）被放置在温度和湿度受控的温室中（26 ± 2 °C），选取了5只壁虎（n = 5），体重为60.5 ± 5.2克，体长为255.5 ± 12.2毫米，尾长为140.4 ± 8.3毫米（±表示标准差）。
实验设置包括3个主要部分：可旋转的运动表面和通道，运动捕捉系统，以及数据处理平台，运动捕捉系统由4台高速运动捕捉摄像机和Motive运动捕捉软件组成。
运动表面和通道采用丙烯酸板和型材构建，通道宽度设置为200毫米，以确保巨型凤头壁虎能自由移动，摄像机的帧率设置为250帧每秒。
在实验之前，在壁虎的肩膀/髋部、肘部/膝部以及手腕/踝部处贴上标记点，并在前爪和后爪的中间趾的后跟和尖端涂上白色指甲油作为标记点，运动平面的倾斜角度α分别设置为0°、45°和90°。
参数定义壁虎四肢的运动周期可以分为两个阶段：支撑期和摆动期，在支撑期，肢体末端（足掌）与运动基表面接触，主要负责产生推力。
在摆动期，肢体末端离开基表面，在空气中向前摆动，整个周期中支撑期（Pstance）和摆动期（Pswing）所占时间的百分比分别单独计算。
趾部的附着和脱离运动周期可以分为四个阶段：过度伸展、向内卷曲、回缩和向外卷曲，过度伸展阶段表示趾部保持展开状态以保持附着有效的时间段，向内卷曲阶段表示趾部向内卷曲的时间段，在此状态下附着能力减弱。
回缩阶段是趾部保持缩回以保持附着失效的时间段，向外卷曲阶段对应于趾部向外卷曲的时间段，在每个阶段中所花时间被计算为整个周期的百分比：Phe、Piw、Prt和Pow。
此外，建立了一个坐标系统，以足腕/踝关节为中心，足部和肢体的运动角度在矢状面（YOZ平面）中被定义：在足底与基面接触的瞬间，连接第三趾足尖和足跟的线的平面与运动方向（Y轴的正方向）之间的角度被定义为足部接触角θ。
小腿与运动方向之间的角度是接触角β，可用作确定支撑期和摆动期的依据。
附着-脱离运动的每个阶段的时间分配：足部的接触时间在不同坡度和运动方向下没有显著差异（χ2 = 5.11，自由度 = 4,60，P = 0.28，K–W），这意味着在不同的运动条件下，足部初次接触底物并完全接触底物所需的时间分配接近。
结果显示，壁虎的附着器官（趾部）和运动器官（四肢）不是按照顺序或同时运作的，实际上，它们具有特定的相位差协调行为，以帮助壁虎实现附着-脱离。
更具体地说，在脱离过程中，运动器官在附着器官完全脱离之前开始移动，相反，在附着过程中，趾部在接触攀爬表面之前开始向外卷曲，我们认为这种现象是附着和运动器官在时间序列中协调工作的结果。
壁虎和攀爬机器人的附着器官的附着-脱离过程需要特定的时间段才能达到所需的位置，不同于运动器官，后者几乎不需要额外的时间，为了使它们匹配，必须确定以下主要参数。
受到生物行为的启发，我们总结了一种基于时间相位的机器人足部和肢体协调策略，这与机器人的硬件和软件密切相关。
壁虎的极端机动性有很多原因，其中爪和趾部至关重要，壁虎的趾部具有表面适应性，可以使它们适应广泛的攀爬表面，更重要的是，其主动附着-脱离能力使运动更加稳定。
机器人要实现这样的行为很难，主要由于两个原因：（a）机器人足端缺乏主动附着-脱离机制；（b）附着-脱离行为与足部运动行为之间缺乏关联。
我们设计了一只带有软式气动夹持器的附着足部，以实现快速的双向驱动能力和表面适应性，三个趾分布在机器人的足部末端，底层具有粘附材料，足部的制造过程在之前的工作中已经介绍过。
此外，还设计了一种混合驱动机器人，将电机控制与气动附着控制相结合，机器人的气动系统压力源采用了单一的气泵方案，正/负气动通道的工作状态通过正/负压电磁阀的开关控制进行切换。
每只足部配备了2个正/负压电磁阀，以设置其正压/密封/负压状态，足部附近的位置配备了气压传感器，用于气压反馈控制，机器人机身内部布置了独立的正负气动通道，通过三维（3D）打印制成，用于气泵、电磁阀、压力传感器和足部的气体路径连接。
这种设计确保了机身的可靠性和气体路径的紧密性。
自由度（DOF）配置非常丰富，单个肢体配备了3个主动DOF，由3个舵机提供（这些舵机的角度分别为S1、S2和S3），附着足部上配备了一个被动DOF，由一个轴承提供。
舵机1和舵机2通过差动齿轮提供了臀部抬升和摆动关节的2个DOF，这种结构可以将抬腿和行走的结果力矩分配到舵机1和舵机2上，舵机3提供膝部的DOF，运动规划旋转角度与舵机角度之间的映射关系如公式所示：
为了确保传感和运动系统的实时性能，我的团队还设计了一块高性能低功耗的印刷电路板（PCB），主控制器为STM32H743VIT6，气动和运动控制系统在PCB上设计，实现同步实时控制，
压力传感器（CFsensor-XGZP6857A）用于测量每只气动足部的气压，气泵（Zhirong Huaguan-ZQ520-02PM）由MOSFET驱动。
因此，气泵的电压由触发信号的占空比决定，从而调节足部的气压，电磁阀（OST-T10）的状态确定了每只足部气体通道的开关，个人计算机用作人机界面，接收实时气压数据并在控制器中设置调制输入（MI），PCB控制板位于机器人的最上层，中央有一个孔供应所有组件的7.4V电池提供能量。
总之，机器人由12个电动DOF和4个气动DOF组成，机器人的机身尺寸为145毫米×65毫米×60毫米，质量为756克。
电子硬件设置和气动控制系统气动足部的迟滞性特征是机器人腿部和足部协调的关键因素，与足部结构和控制方法密切相关。
在这项研究中，我们采用了两种互补的控制模式，在模式1中，采用了PID控制器，通过调整脉宽调制占空比，有效降低和间接控制了足部形状的气压，这种方法减少了气动系统的能量消耗，提高了响应速度。
由于泵的电压不能同时满足所有足部的需求，它不允许不同足部同时向内或向外卷曲，为了解决模式1的问题，我们还建立了模式2，采用电磁阈值开关（泵以满功率运行），形成了类似于bang-bang控制的控制方法。
然而，电磁阀的响应速度较慢，可能导致气泵停机，因此，只有在模式1不适用时才采用该模式。
气动系统确定 Δ T 1 和 ΔT2，需要正/负压切换时间来测量和确定，机器人运动系统和气动系统之间的协调时间，根据不同压力下脚趾的变形，我们将50 kPa和-60 kPa设置为预期的向内和向外滚动压力。
通过对10个测量结果的统计分析，ΔT1为0.4 ± 0.04 s，ΔT2为0.3 ± 0.02 s，为了确保有足够的时间达到所需的压力，将Δ T 1和ΔT2分别设置为0.4 s和0.3 s作为粘附和脱落滞后时间。
混合动力驱动系统的协调经过长期的进化，壁虎的脚趾已经达到了极快的运动速度，壁虎可以在15到20毫秒的时间内完成粘附和分离行为。
然而，机器人的气动脚趾分别需要400毫秒和300毫秒才能完成粘附和分离行为，因此，机器人无法以与壁虎相匹配的速度直接施加粘附和分离，我们得出以下2个结论：
• 无论粘附脱离的速度如何，T sw 在 T n 和 T s 1 之间，T st 在 T p 和 T s2 之间，但具体位置不确定;
• 从 T S1 到 Tp 的时间与附着和分离时间成反比。
机器人在小跑时移动速度最快，ΔT 1，着陆时间（PCPG3信号从1到-1的时间）比步态短，根据第一个结论，T sw 不得超过 T s1，T st 不得超过 Tp，机器人在蹒跚时以最慢的速度移动，机器人的脚趾向内/向外滚动的时间比对角线步态要长。
根据第二个结论，从 T s1 到 T p 的时间应该是最小的（当它接近于零时最好），最重要的是，调整了每个PCPG模块的μ0、μ1和DL模块的td，i。
这次我的团队研究提出了一种新的NCS，以解决攀爬机器人肢体对肢体运动的协作和肢脚之间执行滞后的补偿问题。
记录并分析了壁虎在不同坡度角度下的足肢行为数据，总结了时间序列中的节律规律。
受不同功能器官相位差的启发，我们将模块化神经控制框架与可调节的滞后适应相结合，实现机器人四肢和脚的协调行为，一系列实验结果表明，使用NCS产生的粘附面积比传统顺序执行高285%。
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