| 标题 | 仿生爬壁机器人的研究现状 |
| 范文 | 黄伟 摘 要：本文首先阐述了爬壁机器人的发展前景，然后对国内外仿生爬壁机器人研究现状进行了分析，通过分析发现小型仿生爬壁机器人的研究在构型设计、步态分离设计等方面仍存在局限性，提出动步态攀爬的爬壁机器人，其具有较小的能耗和较高的爬行速度。另外现有小型仿生爬壁机器人多采用吊绳措施辅助保护，抗跌落性能差，完成作业后的回收速度慢，因此，具有滑翔功能的多运动模式的仿生爬壁机器人将是今后发展的主要趋势。 关键词：仿生；爬壁机器人；滑翔；多运动模式 爬壁机器人是移动机器人中的一类，在特种作业中有着广泛的应用，近年来随着机器人技术的不断进步，爬壁机器人也成为机器人学研究的重要论题之一。[1]相对于加速发展的机器人技术，社会发展中生产、服务、环保等方面对于爬壁机器人的需求也越来越迫切。与工业机器人和地面移动机器人不同，爬壁机器人一般受重力影响较大，因此其工作环境复杂性、结构设计原则和控制方法等更为特殊，这也给该类机器人的广泛应用带来了诸多的难点和挑战。尽管如此，研究一种具有小型化、低功耗、可无缆工作、对各种结构适应性强等特点的爬壁机器人一直以来都是科学研究和工程研究工作不断积极探索的目标，在将来建筑物检测、壁面清洗、管道维护、极限环境侦测、灾害救援等领域爬壁类机器人有着广阔的应用前景。[2] 1 仿生爬壁机器人的研究现状 仿生设计、结构的模块化和轻量化设计是近年来小型爬壁机器人当前的研究趋势。其中仿生设计主要包括构型仿生、步态仿生和附着方式仿生；轻量化实现途径包括（1）欠驱动或运动耦合设计；（2）提高非金属轻质材料使用比例；（3）柔性结构一体化设计。近年来，有代表性的仿生爬壁机器人样机如下： 2005年和2008年，美国Daltorio等人分别设计了两款MiniWhegs，第一代MiniWhegs长宽分别为8.9×5.4cm，重87g，四个轮式足部安装有仿壁虎足端附着材料，能够在竖直光滑壁面和光滑顶面上行走，攀爬速度为5.8cm/s，第二代MiniWhegs采用仿生结构设计，根据蟑螂的胸腹结构采用了基于两个模块的轮足式结构，重166.4g，能够由垂直壁面经90度角爬上水平面。 2006年，美国的Asbeck等人设计的Spinybot，质量为0.4kg，体长58cm，足端同样采用柔性的微刺结构，6个足端由7个电机驱动，攀爬速度为2.3cm/s。 2008年，美国Spenko等研制的RiSE，采用模块化设计、柔性微刺足端附着、腿部电机差动驱动等方式，在3.8Kg的载体结构上集成了12个腿部自由度，其载重能力量为1.5kg，续航时间为45min，靠其独特的柔性微刺足端，RiSE可在不同的粗糙建筑壁面上爬行，其攀爬速度最大为4cm/s。 2010年，美国的Luther等研制了一款具有18个自由度的模块化六足爬壁机器人DIGBot，采用了模仿鸟类指端的柔性倒钩形足端，能够攀爬口距较大（约1cm）的丝网面，DIGBot总质量为1.8kg。 2011年，以色列的Sintov等研制的爬壁机器人CLIBO也采用了模块化构型和微刺附着方式，采用四肢结构，每肢有4个自由度，CLIBO重2kg，长0.75m，攀爬速度为12cm/min。 2012年，美国Paul Birkmeyer等人研制的CLASH，质量19g，体长10cm，采用六足结构，应用仿生吸附材料，在与水平面70度夹角的有机玻璃面上攀爬速度可达10cm/s，对于竖直粗糙布面该速度可达15cm/s。 北京航空航天大学研制的仿生毛虫机器人采用振动吸附和模块化构型，利用自重0.05kg的模块可构造多自由度构型。但是，链式结构决定了其只能采用蠕动步态，爬行速度低。[3] 国内南京航空航天大学戴振东等人[4]对大壁虎的运动体态及步态，关节角及质心运动规律，足端接触力等进行了长期的仿生研究，并在此基础之上研制出多代仿壁虎机器人样机IBSS。样机每个足上有3个自由度，共有12个电机驱动。IBSS采用刚性构件，没有考虑壁虎的脊椎变形。 2 结论 现有小型仿生爬壁机器人在结构、驱动、步态分离设计以及刚度设计局限于足端，没有从步态需求出发综合考虑结构和驱动器的动态性能，较之以前的传统静步态攀爬方式，具动步态攀爬将是爬壁机器人的发展趋势，有较小的能耗和较高的爬行速度，同时也为机器人结构设计和运动稳定性的提高等提供了新的研究思路；现有小型仿生爬壁机器人多采用吊绳措施辅助保护，抗跌落性能差，完成作业后的回收速度慢，因此，具有滑翔功能的多运动模式的仿生爬壁机器人将是今后发展的主要趋势。 参考文献： [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.大壁虎运动步态与体态特征研究[D].南京：南京航空航天大学，2007. |
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