仿生爬壁機器人的研究現狀

黃偉

摘 要：本文首先闡述了爬壁機器人的發展前景，然后對國內外仿生爬壁機器人研究現狀進行了分析，通過分析發現小型仿生爬壁機器人的研究在構型設計、步態分離設計等方面仍存在局限性，提出動步態攀爬的爬壁機器人，其具有較小的能耗和較高的爬行速度。另外現有小型仿生爬壁機器人多采用吊繩措施輔助保護，抗跌落性能差，完成作業后的回收速度慢，因此，具有滑翔功能的多運動模式的仿生爬壁機器人將是今后發展的主要趨勢。

關鍵詞：仿生；爬壁機器人；滑翔；多運動模式

爬壁機器人是移動機器人中的一類，在特種作業中有著廣泛的應用，近年來隨著機器人技術的不斷進步，爬壁機器人也成為機器人學研究的重要論題之一。[1]相對于加速發展的機器人技術，社會發展中生產、服務、環保等方面對于爬壁機器人的需求也越來越迫切。與工業機器人和地面移動機器人不同，爬壁機器人一般受重力影響較大，因此其工作環境復雜性、結構設計原則和控制方法等更為特殊，這也給該類機器人的廣泛應用帶來了諸多的難點和挑戰。盡管如此，研究一種具有小型化、低功耗、可無纜工作、對各種結構適應性強等特點的爬壁機器人一直以來都是科學研究和工程研究工作不斷積極探索的目標，在將來建筑物檢測、壁面清洗、管道維護、極限環境偵測、災害救援等領域爬壁類機器人有著廣闊的應用前景。[2]

1 仿生爬壁機器人的研究現狀

仿生設計、結構的模塊化和輕量化設計是近年來小型爬壁機器人當前的研究趨勢。其中仿生設計主要包括構型仿生、步態仿生和附著方式仿生；輕量化實現途徑包括（1）欠驅動或運動耦合設計；（2）提高非金屬輕質材料使用比例；（3）柔性結構一體化設計。近年來，有代表性的仿生爬壁機器人樣機如下：

2005年和2008年，美國Daltorio等人分別設計了兩款MiniWhegs，第一代MiniWhegs長寬分別為8.9×5.4cm，重87g，四個輪式足部安裝有仿壁虎足端附著材料，能夠在豎直光滑壁面和光滑頂面上行走，攀爬速度為5.8cm/s，第二代MiniWhegs采用仿生結構設計，根據蟑螂的胸腹結構采用了基于兩個模塊的輪足式結構，重166.4g，能夠由垂直壁面經90度角爬上水平面。

2006年，美國的Asbeck等人設計的Spinybot，質量為0.4kg，體長58cm，足端同樣采用柔性的微刺結構，6個足端由7個電機驅動，攀爬速度為2.3cm/s。

2008年，美國Spenko等研制的RiSE，采用模塊化設計、柔性微刺足端附著、腿部電機差動驅動等方式，在3.8Kg的載體結構上集成了12個腿部自由度，其載重能力量為1.5kg，續航時間為45min，靠其獨特的柔性微刺足端，RiSE可在不同的粗糙建筑壁面上爬行，其攀爬速度最大為4cm/s。

2010年，美國的Luther等研制了一款具有18個自由度的模塊化六足爬壁機器人DIGBot，采用了模仿鳥類指端的柔性倒鉤形足端，能夠攀爬口距較大（約1cm）的絲網面，DIGBot總質量為1.8kg。

2011年，以色列的Sintov等研制的爬壁機器人CLIBO也采用了模塊化構型和微刺附著方式，采用四肢結構，每肢有4個自由度，CLIBO重2kg，長0.75m，攀爬速度為12cm/min。

2012年，美國Paul Birkmeyer等人研制的CLASH，質量19g，體長10cm，采用六足結構，應用仿生吸附材料，在與水平面70度夾角的有機玻璃面上攀爬速度可達10cm/s，對于豎直粗糙布面該速度可達15cm/s。

北京航空航天大學研制的仿生毛蟲機器人采用振動吸附和模塊化構型，利用自重0.05kg的模塊可構造多自由度構型。但是，鏈式結構決定了其只能采用蠕動步態，爬行速度低。[3]

國內南京航空航天大學戴振東等人[4]對大壁虎的運動體態及步態，關節角及質心運動規律，足端接觸力等進行了長期的仿生研究，并在此基礎之上研制出多代仿壁虎機器人樣機IBSS。樣機每個足上有3個自由度，共有12個電機驅動。IBSS采用剛性構件，沒有考慮壁虎的脊椎變形。

2 結論

現有小型仿生爬壁機器人在結構、驅動、步態分離設計以及剛度設計局限于足端，沒有從步態需求出發綜合考慮結構和驅動器的動態性能，較之以前的傳統靜步態攀爬方式，具動步態攀爬將是爬壁機器人的發展趨勢，有較小的能耗和較高的爬行速度，同時也為機器人結構設計和運動穩定性的提高等提供了新的研究思路；現有小型仿生爬壁機器人多采用吊繩措施輔助保護，抗跌落性能差，完成作業后的回收速度慢，因此，具有滑翔功能的多運動模式的仿生爬壁機器人將是今后發展的主要趨勢。

參考文獻：

[1]P Szynkarczyk，R Czupryniak，M Trojnacki，et al.Current State and Development Tendency in Mobile Robots for Special Applications[J].International Conference Weisic，2008，2526.

[2]K Autumn，M Buehler，AA Rizzi，et al.Robotics in scansorial environments[J].International Society for Optics and Photonics，2005，5804 （5804）：291302.

[3]Wei Wang～（a，*），Kun Wang～a，et al.Crawling gait realization of the minimodular climbing caterpillar robot[J].Progress in Natural Science，2009，（12）：18211829.

[4]成佳偉.大壁虎運動步態與體態特征研究[D].南京：南京航空航天大學，2007.