余淑榮，徐養(yǎng)峰，張來喜，吳明亮

(蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

近年來，在粗糙陡峭的壁面探測、橋梁安全檢測、摩天大樓幕墻清潔、礦坑內(nèi)壁探測等方面對爬壁機器人有重大需求[1]。為實現(xiàn)在豎直或者倒置壁面上攀爬，爬壁機器人必須同時具備附著和移動功能[2]。一般來說，爬壁機器人根據(jù)作業(yè)任務(wù)和使用環(huán)境來決定其移動方式和附著方式。爬壁機器人的附著方式主要有磁粘附、負壓粘附、仿生材料粘附以及鉤爪抓附等，移動方式主要有輪式、足式和履帶式移動等[3-4]。

目前，仿生學(xué)的熱潮正盛，仿生機器人的發(fā)展取得了豐碩的成果。仿生研究方法是在分析生物運動的功能原理和作用機理的基礎(chǔ)上，多學(xué)科交叉研究、探索，制造仿生機器人的研究方法[5-6]。學(xué)者對自然界中具有超強爬行能力的昆蟲進行研究，發(fā)現(xiàn)很多昆蟲為了應(yīng)對復(fù)雜的粗糙表面，通過鉤爪進行抓附。幾乎所有的成蟲在附節(jié)末端都有鉤爪結(jié)構(gòu)，其鉤爪與接觸表面的微凹谷或凸峰形成機械鎖合，或直接刺入接觸表面，確保昆蟲能夠在爬行表面上穩(wěn)定停留。通過對昆蟲的足部結(jié)構(gòu)和步態(tài)研究發(fā)現(xiàn)，附節(jié)和末端鉤爪之間的柔性連接是其可靠抓附的關(guān)鍵，而且昆蟲爪子與腿部倒刺之間的對抓模式能夠提供穩(wěn)定的抓附力[7-8]。本文對鉤爪式爬壁機器人的研究成果進行了詳細介紹，分析了爬壁機器人設(shè)計中的關(guān)鍵問題。

1 研究現(xiàn)狀

自然界中存在大量粗糙壁面，傳統(tǒng)的磁吸附和吸盤吸附都不適合用于這類壁面，而鉤爪抓附方式具有傳統(tǒng)吸附方式不具有的優(yōu)點，對粗糙壁面有很好的適應(yīng)性。下面從抓附方式、抓附機構(gòu)以及移動方式三方面介紹鉤爪式爬壁機器人研究現(xiàn)狀。

1.1 抓附方式

鉤爪式爬壁機器人利用尖鉤與粗糙壁面的機械鎖合提供吸附力。最初人們受攀巖者和昆蟲攀爬動作啟發(fā)，設(shè)計了勾附模式的攀爬機器人，此種方式采用的機械結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，但抓附力不封閉、抗干擾能力差。研究人員通過對昆蟲步態(tài)進一步研究發(fā)現(xiàn)，昆蟲的腿部倒刺與爪子對抓可以提供穩(wěn)定的抓附力，自此粗糙壁面爬壁機器人開始采用對抓模式。

1.1.1勾附模式

勾附是指機器人的鉤爪依靠重力作用勾附在墻壁的凸起或者凹坑表面，滿足機器人在粗糙壁面內(nèi)攀爬的附著方式。

Kim等[9]在2005年開發(fā)了第一臺鉤爪式爬壁機器人SpinyBotII，如圖1所示，該機器人使用柔性爪片作為抓附結(jié)構(gòu)，爪片上分布多個極細的鉤刺，可以提供多點抓附。2013年，賓夕法尼亞大學(xué)的Clark等采用類似SpinyBotⅡ的柔性爪片[10]研制了質(zhì)量只有200 g的兩足爬壁機器人BOB[11]，BOB可在粗糙堅硬的壁面上攀爬。受蟑螂腿部柔性連接啟發(fā)設(shè)計的柔性爪片，可以減少壁面的反作用力，同時使更多的爪片參與抓附，以改善機器人的抓附性能。

圖1 SpinyBotⅡ機器人

2012年P(guān)arness等[12]研制了爬壁機器人DROP，如圖2所示，DROP的柔性爪片呈圓周陣列分布于輪子周圍，該機器人具有較高的爬行速度且能從水平面攀爬到45°壁面，但是攀爬過程中爪片依靠暴力脫附，對機器人穩(wěn)定性和能耗都有影響。Jensen-Segal等[13]從提高機器人能耗效率的角度出發(fā)，研發(fā)了一臺類似倒立擺結(jié)構(gòu)的鉤爪爬壁機器人ROCR，如圖3所示，該機器人通過控制加有質(zhì)量塊的尾巴左右擺動，實現(xiàn)機器人左右足上兩個鉤爪交替勾附和脫附，使機器人向上攀爬。

圖2 DROP機器人

圖3 ROCR機器人

南京郵電大學(xué)的Xu等[14]提出了尖爪與微凸相互作用的力學(xué)模型，并提出了尖鉤的設(shè)計方法，開發(fā)了基于平行四桿機構(gòu)的八足爬壁機器人。陳東良等[15]深入分析了爪刺與壁面接觸時切入角對攀爬可靠性的影響，設(shè)計了主體為四桿機構(gòu)的六足鉤爪式爬壁機器人。Ji等[16]采用一種簡單的機械鎖合方式設(shè)計了柔性鉤爪腳掌結(jié)構(gòu)，采用對角爬行步態(tài)設(shè)計了四足爬壁機器人。西安理工大學(xué)的劉彥偉等[17]受昆蟲攀爬動作啟發(fā)，提出了一種基于切比雪夫連桿機構(gòu)的鉤爪式雙足爬壁機器人，由舵機驅(qū)動連桿機構(gòu)帶動雙足在壁面上交替爬升，具有一定的越障能力。Liu等[18]針對多壁任務(wù)需求，提出了爪刺抓附、特殊材料粘附以及吸盤吸附三重組合模式的爬壁機器人，在面對不同粗糙度壁面時采用不同的吸附結(jié)構(gòu)。

上述機器人在機體結(jié)構(gòu)上各不相同，研究人員模仿了昆蟲足部柔性附節(jié)結(jié)構(gòu)，在機器人設(shè)計中采用柔性爪片作為抓附結(jié)構(gòu)，改善了機器人的環(huán)境適應(yīng)性。勾附模式適用于豎直面或者小于90°的壁面，不適用于大于90°的壁面或者倒置壁面。

1.1.2對抓模式

研究人員發(fā)現(xiàn)昆蟲在堅硬的粗糙壁面攀爬時不僅足部柔性附節(jié)起重大作用，同時足部的對抓模式也是其穩(wěn)定攀爬的關(guān)鍵。

2005年美國波士頓動力公司研制出Rise系列爬壁機器人，RiseV1與RiseV2以柔性爪片作為抓附結(jié)構(gòu)，使用足間對抓模式，可以在粗糙的樹干上穩(wěn)定爬行[19-20]。RiseV3(圖4)在RiseV2的基礎(chǔ)上，增加了一個俯仰自由度，可實現(xiàn)豎直壁面到水平壁面的過渡[21]。

圖4 RiseV3機器人

凱斯西儲大學(xué)的Daltorio等受到蟑螂足間對抓模式的啟發(fā)，在Climbing Mini-whegs機器人[22]的基礎(chǔ)上，研發(fā)了爬壁機器人Screenbot[23]和Digbot[24]，實現(xiàn)了機器人在豎直和倒置鐵絲網(wǎng)上的攀爬。

Parness等[25]基于RiseV2所用柔性鉤爪結(jié)構(gòu)，設(shè)計了LEMUR IIB機器人(圖5)，可使機器人在更加傾斜的巖石表面攀爬。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的胡重陽等[26]設(shè)計了一種仿生六足爬壁機器人，采用足內(nèi)對抓模式，機器人在壁面內(nèi)運動時具有轉(zhuǎn)向能力。

圖5 LEMUR IIB 機器人

近年來，模仿尺蠖的機器人越來越多，廣東工業(yè)大學(xué)的李明軍等[27]受尺蠖勾爪啟發(fā)，提出了一種基于形狀記憶合金(SMA)的鉤爪式柔性末端夾持器，能產(chǎn)生9.1 N的夾持力，相當(dāng)于其自身重力的10倍。劉彥偉等[28]基于對尺蠖步態(tài)以及腹足對抓原理的研究，設(shè)計了對抓模式的兩足爬壁機器人，機器人通過舵機驅(qū)動軀體屈曲和伸展，前行或后退。江西理工大學(xué)的王文慧等[29]模仿尺蠖軀干結(jié)構(gòu)，采用形狀記憶合金彈簧設(shè)計了機器人軀體，通、斷電的時候會使得機器人軀體收縮或舒展，向前爬行，最高速度為4.1 mm/s。

國內(nèi)一些研究團隊還設(shè)計了許多類型的抓附手爪。管興偉等[30]通過對昆蟲跗節(jié)鏈運動機理的研究，設(shè)計了一種仿生柔性腳掌，由一根鋼索驅(qū)動直徑約為30 μm的鋼針實現(xiàn)抓附。王貝等[31-32]設(shè)計了一種“十字形”鉤爪抓取模塊，并提出了爪子與三維壁面相互作用的抓握辨別算法，提高了抓附模塊的抓附能力。江南[33]基于豎直粗糙面橫向作用球面接觸模型，設(shè)計了粗糙壁面對抓手爪結(jié)構(gòu)。

綜上所述，對抓模式可以提供封閉的抓附力，增強機器人的抓附穩(wěn)定性，使爬壁機器人在豎直壁面內(nèi)任意方向攀爬甚至在倒置頂面作業(yè)。

1.1.3密集刺抓附

密集刺抓附是Cutkosky等開發(fā)的一種攀爬水泥墻的新方法。該研究團隊設(shè)計了微刺陣列[34]，并討論了微刺與表面粗糙度相互作用的關(guān)系?；谪撦d共享理念將載荷均勻分布在每個微刺上，最大限度地提高了微刺的抓附能力。2016年，該團隊為噴氣推進實驗室的RoboSimian四足機器人設(shè)計了一種新的手爪，如圖6所示，該手爪采用密集的微刺陣列作為抓附機構(gòu)，密度為19根/cm2，大小為120 mm×100 mm，對混凝土砌塊的平均剪切附著力可達710 N(183 kPa)[35]，能夠在陡峭的巖石表面上行走。

圖6 RoboSimian手爪

2019年該團隊針對大型爬行機器人，提出了一種新型末端抓附手爪。手爪表面覆蓋著密集的微刺，如圖7所示，可在巖石表面產(chǎn)生較高的剪切應(yīng)力。手爪上增加了柔順的關(guān)節(jié)和微粒干擾墊，使末端執(zhí)行器在不需要復(fù)雜控制的情況下能夠適應(yīng)各種地形，當(dāng)施加250 N或更大的載荷時由于強有力的肌腱和手爪的真空應(yīng)用，整個柔性手爪剛性增大[36]，因此能可靠地抓附在粗糙壁面上。

圖7 微刺陣列手爪

鉤爪式爬壁機器人在粗糙壁面上穩(wěn)定抓附，需要同時克服重力及重力引起的顛覆力矩。勾附模式能提供向上的切向力，使機器人掛在墻壁上，但無法產(chǎn)生指向壁面的抓附力。對抓模式以及密集刺抓附能產(chǎn)生穩(wěn)定的抓附力，平衡重力及重力引起的顛覆力矩，是鉤爪式爬壁機器人采用的主要抓附方式。

1.2 抓附機構(gòu)研究

21世紀初開始了鉤爪式爬壁機器人的研究，目前已取得了重大突破。

1.2.1尖鉤及抓附條件研究

尖鉤是鉤爪式爬壁機器人的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計十分重要。為了使機器人的鉤爪具備昆蟲鉤爪的優(yōu)良性質(zhì)，有學(xué)者研究了機械鉤爪與粗糙表面特征的關(guān)系。文獻[14]基于球形微凸體的理想模型，建立了尖鉤尺寸與粗糙度表征參數(shù)之間的關(guān)系(圖8)，得到鉤爪尖端尺寸關(guān)系式：

(1)

式中：r為鉤爪尖端半徑；Ra為凸起顆粒的平均半徑；Sm為顆粒平均間距；θ為接觸角度。該研究考慮了作業(yè)壁面的表面特征對鉤爪尺寸設(shè)計的影響，使鉤爪有更好的抓附性能。

圖8 微凸體理想模型

文獻[37]提出鉤爪可穩(wěn)定抓附的θ角度范圍及條件：

θb≥θmin

(2)

θmin=θload+arccotu

(3)

式中：θb為圓心軌跡法向與壁面法向的夾角；θmin為最小可用角度；θload為載荷角；u為尖鉤與壁面之間的摩擦系數(shù)。當(dāng)θb≥θmin時，接觸點為可用接觸點，如圖9所示。文獻[37]還模擬了尖鉤截面在粗糙壁面輪廓上滑動的方式，測定了單位長度內(nèi)(1 cm)可用微凸體的數(shù)目。Provancher等[38]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)爪刺的方位角(爪刺軸向與壁面法向夾角)為45°～60°時爪刺的抓附性能最佳(圖10)。

圖9 尖鉤與粗糙壁面作用模型

圖10 粗糙壁面簡化模型

鉤爪尖端尺寸與壁面微凸體表征參數(shù)有直接關(guān)系，尖鉤半徑越小，抓附性能越好，但尖鉤半徑太小也會導(dǎo)致爪刺剛度不足，因此應(yīng)根據(jù)實際環(huán)境合理設(shè)計鉤爪尺寸。可抓附條件以及爪刺方位角的研究為鉤爪式爬壁機器人的前期設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，并且改善了機器的抓附性能。

1.2.2鉤爪抓附機理研究

建立鉤爪尖端在豎直粗糙面的作用模型，有利于分析接觸角、摩擦系數(shù)等對鉤爪抓附作用的影響。2002年，Dai等[39]將砂紙表面的顆粒和鉤爪尖端假設(shè)為均勻的球形表面，提出昆蟲鉤爪尖端與粗糙水平面作用模型，如圖11所示，簡化了鉤爪尖端與粗糙微凸起作用模型。

圖11 水平面作用模型

劉彥偉[40]基于鉤爪粗糙水平面模型假設(shè)設(shè)計了鉤爪尖端在豎直粗糙表面的作用模型，如圖12所示，分析了壁面法向力對抓附性能的影響。所建模型符合豎直壁面抓附環(huán)境，為爬壁機器人研究提供了可靠參考。

以上兩種模型揭示了鉤爪與粗糙面的抓附機理，為尖鉤結(jié)構(gòu)設(shè)計以及參數(shù)設(shè)計(尖端直徑、切入角度、彎曲角度等)提供了理論依據(jù)。

圖12 豎直面作用模型

1.2.3手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計

手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計包括柔性爪片設(shè)計以及抓附結(jié)構(gòu)設(shè)計。目前，柔性爪片結(jié)構(gòu)主要有兩種：1)Rise項目組研發(fā)的柔性爪刺足片[10]，如圖13所示；2)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的仿生柔性爪片[17]，如圖14所示。前者利用形狀沉積制造技術(shù)，將硬質(zhì)聚合物和軟質(zhì)聚合物結(jié)合起來制造爪片柔性連接結(jié)構(gòu)，后者利用S型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高柔順性，作用類似于昆蟲的柔性跗節(jié)鏈結(jié)構(gòu)。手爪結(jié)構(gòu)一般是多個柔性爪片陣列組合，盡可能把負載平均分配到多個尖鉤上，以增大柔性手爪的抓附力。

圖13 柔性爪刺足片

圖14 仿生柔性爪片

手爪抓附結(jié)構(gòu)最初采用單向勾附模式，結(jié)構(gòu)簡單、抓附率高，但抓附性能不穩(wěn)定，易受風(fēng)載荷及振動的影響?；趯ハx足部及運動步態(tài)的研究，人們設(shè)計了對抓結(jié)構(gòu)以提高機器人的穩(wěn)定性及負載能力。

1.2.4驅(qū)動控制方式

抓附手爪的驅(qū)動方式包括主動抓附和被動抓附。主動抓附是通過電機驅(qū)動手爪相向運動實現(xiàn)抓附，被動抓附是利用儲存在彈簧中的能量實現(xiàn)抓附。

劉彥偉[40]設(shè)計的爪刺式爬壁機器人，第一代和第二代抓附手爪采用主動抓附方式，利用電機驅(qū)動手爪抓附，第三代抓附手爪使用被動抓附方式，利用儲能裝備抓附。被動抓附方式抓附力由彈簧預(yù)變形決定，難以根據(jù)實際環(huán)境調(diào)整力的大小。對比發(fā)現(xiàn)，主動抓附控制利用力的反饋信息，結(jié)合一定的控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)柔順控制，是實現(xiàn)智能控制的首選方式。

抓附機理研究基于理想模型，已經(jīng)獲得了重要成果。在抓附機理分析的基礎(chǔ)上進行抓附機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及驅(qū)動控制，目前已經(jīng)開發(fā)了許多類型的抓附手爪，大多引入柔性部件，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。

1.3 移動方式

附著方式和移動方式是爬壁機器人研究的兩大熱點，鉤爪抓附主要配有以下3種移動方式。

1.3.1輪式

輪式結(jié)構(gòu)的特點是具有移動的高速性，其主要得益于輪式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，具有比其他結(jié)構(gòu)更高的移動速度，控制系統(tǒng)也比較簡單，現(xiàn)在已經(jīng)有了比較成熟的結(jié)構(gòu)形式。

2012年，美國國家航天局噴氣推進實驗室研制了第一臺輪式機構(gòu)的鉤爪式爬壁機器人DROP[12]，其抓附爪片呈圓周陣列分布，有較高的爬行速度。中國科學(xué)院物理科學(xué)研究所設(shè)計了類似的輪式爬墻機器人Tbot，將一種柔順的爪刺分布在車輪圓周內(nèi)，能夠以10 cm/s的速度攀爬磚墻并且可從水平表面穩(wěn)定地過渡到垂直表面[41]。

1.3.2足式

足式機器人對于壁面的適應(yīng)性更好，在結(jié)構(gòu)上有更多的類型。足式結(jié)構(gòu)利用孤立的地面支撐而不是輪式機器人所需的連續(xù)地面支撐，具有很強的環(huán)境適應(yīng)性和運動靈活性，能輕易跨越工作面上的凸起和溝槽。

現(xiàn)有的鉤爪式爬壁機器人多采用足式結(jié)構(gòu)，比如SpinyBotⅡ[9]、RiseV1[19]和RiseV2[20]等為六足機器人，RiseV3[21]是四足機器人，BOB[11]是兩足機器人。就目前的研究成果看，足式移動是鉤爪式爬壁機器人最主要的移動方式。

1.3.3履帶式

履帶式爬行機構(gòu)多用于磁吸附機器人或者負壓吸附機器人，具有較高的移動能力與越障性能，但目前僅有少數(shù)鉤爪式爬壁機器人使用過。2019年西安理工大學(xué)的劉彥偉等[42]設(shè)計的仿生爪刺對抓式爬壁機器人采用履帶式爬行機構(gòu)，履帶由數(shù)十個仿生爪刺對抓足通過鏈條結(jié)構(gòu)連接構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)在粗糙壁面上快速、穩(wěn)定爬行。相比足式結(jié)構(gòu)，履帶式結(jié)構(gòu)運動速度較快，抓附面積更大，在特定的規(guī)則面內(nèi)有較好的應(yīng)用前景。

綜上所述，輪式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是速度快，履帶式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是接觸面積大，但這兩者對凹凸不平的壁面適應(yīng)性較差。足式結(jié)構(gòu)運動時只需要離散的點接觸壁面，并且通過增加足式結(jié)構(gòu)自由度可以使機器人的運動更加靈活，對粗糙復(fù)雜的豎直壁面適應(yīng)性更強，是鉤爪式爬壁機器人的主要移動方式。

2 發(fā)展趨勢

基于對鉤爪式爬壁機器人研究現(xiàn)狀的分析，結(jié)合機器人技術(shù)發(fā)展的總體方向，爬壁機器人的發(fā)展趨勢如下。

2.1 剛?cè)嵋惑w化結(jié)構(gòu)

從生物的優(yōu)異結(jié)構(gòu)中受到啟發(fā)，研究人員更加注重柔性部件對爬壁機器人性能的影響。在機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計中，柔性材料可以賦予機器人自然柔順性，與剛性機器人相比，剛?cè)狁詈蠙C器人的適應(yīng)性以及抗干擾的能力更強，如SpinyBotⅡ[9]和Rise機器人[19-21]均采用柔性手爪作為抓附結(jié)構(gòu)。未來鉤爪式爬壁機器人將向著剛?cè)嵋惑w化結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。

2.2 新的能源供給方式

新形勢下，機器人朝著功能多元化和集成化方向發(fā)展，機器人工作需要消耗更多的能量[43-44]。針對特殊環(huán)境作業(yè)的機器人，傳統(tǒng)的有纜供電方式或者蓄電池供電方式都有一定的局限性，一種新的能源供給方式正在應(yīng)用到機器人領(lǐng)域，微波無線供電是一種利用磁耦合的能量傳輸方式，能遠距離動態(tài)傳輸能量，是未來爬壁機器人供能的理想方式[45-46]。

2.3 抓附機構(gòu)與移動機構(gòu)協(xié)同工作

附著方式和移動方式是爬壁機器人研究的主要方面，機器人移動機構(gòu)與抓附機構(gòu)之間相互協(xié)調(diào)，才能保證機器人在壁面上靈活移動。Haynes等人設(shè)計的RiseV3[21]機器人采用力反饋式的控制方法，根據(jù)外界環(huán)境對腿部作用力的反饋信號來改變腿部四桿機構(gòu)傳動比，使運動更加穩(wěn)定可靠。機器人能夠感知外部環(huán)境變化并協(xié)調(diào)各部分動作是爬壁機器人發(fā)展的趨勢。

3 結(jié)論

通過對鉤爪式爬壁機器人抓附方式與移動方式的研究，得到以下結(jié)論：

1)鉤爪式爬壁機器人的抓附方式包括勾附、對抓和密集刺抓附。利用柔性部件能夠提高機器人的抓附性能，是鉤爪式爬壁機器人研究的重大進步。模仿昆蟲足部設(shè)計的對抓結(jié)構(gòu)可以提供穩(wěn)定的抓附力，能滿足倒置面、受風(fēng)載荷以及其他環(huán)境干擾等復(fù)雜的壁面。

2)機器人的移動方式有足式、輪式以及履帶式，按現(xiàn)有研究成果看，足式結(jié)構(gòu)具有高靈活性以及對復(fù)雜地形較強的適應(yīng)性，是爬壁機器人主要的移動方式。

隨著爬壁機器人研究的日益深入，鉤爪式爬壁機器人對粗糙壁面的適應(yīng)性和移動靈活性方面的能力不斷提高，未來將能夠滿足復(fù)雜環(huán)境作業(yè)的需要。