DOI: 10.11991/yykj.202010023
网络出版地址：knski/kcms/detail/23.1191.U.20201202.1401.008.html
苏崇涛1，沙晗1，黄利春2，赵春霞1
1. 南京理工大学 计算机科学与工程学院，江苏 南京 210094
2. 北方信息控制研究院集团有限公司，江苏 南京 211153
摘 要：为了解决爬壁机器人越障性问题，本文根据爬壁机器人的吸附类型介绍了国内外足腿式、蠕动式以及飞吸式机器人越障能力的研究现状，以及本团队研制的3款越障式爬壁机器人的性能特点，对比了各类机器人越障性能的优劣性。在此基础上探讨了爬壁机器人设计时的重点问题，对未来设计越障爬壁机器人起到了一定的引导作用。 关键词：爬壁机器人；越障；爬壁；吸附；负压吸附；足腿式；蠕动式；飞吸式；越障式机器人；越障式爬壁机器人中图分类号：TP242.6 文献标志码：A 文章编号：1009−671X(2021)02−0042−08
The study and design of obstacle-surmounting wall climbing robots
SU Chongtao 1, SHA Han 1, HUANG Lichun 2, ZHAO Chunxia 1
1. School of Computer Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China
2. North Information Control Research Institute Group Co., Ltd., Nanjing 211153, Chiina
Abstract : In order to solve the obstacle-surmounting problems of climbing robots, this paper introduces the current research status of the obstacle-surmounting ability of legged, crawling and flying climbing robots, as well as the performances of three types of obstacle-surmounting wall-climbing robots created by our research group. The paper also compares the obstacle surmounting performances of aforesaid types of robots. On this basis, key points that should be considered in the design of wall-climbing robots are discussed, which is of great significance to guiding the design of obstacle-surmounting wall-climbing robots in the future.
Keywords: wall-climbing robot; obstacle surmounting; wall-climbing; adhesion; negative pressure absorption; legged robot; crawling robot; flying robot; obstacle-surmounting robot; obstacle-surmounting wall-climbing robot
爬壁机器人作为一种壁面移动机器人，结合了地面机器人的移动方式和壁面附着能力，将运动以及应用范围拓展至垂直立面空间。越障式爬壁机器人，则是针对凹凸的复杂性壁面开展的研究工作，其结构特点集成了壁面吸附能力、平面移动能力以及越障能力。
目前，越障式爬壁机器人广泛用于反恐侦察、楼宇壁面清洁等场合。虽然该类机器人的吸附能力和平面移动能力不断提升，但越障能力依然存在瓶颈。面对因煤气管道、空调和遮雨棚等各种设施变得错综复杂的壁面时，该类机器人便捉襟
见肘，因此越障能力是该类机器人当下研发的焦点。因移动与附着能力直接关系着爬壁机器人的越障性，这2种因素是突破该类机器人越障极限的难点。
根据爬壁机器人的移动模式，Chu 等[1]
将爬
壁机器人分为足式 (legged)[2−4]
、轮式 (wheel-dri-ven)[5−7]
、履带式 (tracked)
[8−10]
数据监测、转化式(translation)
图像拼接器[11−13]
、
柔索驱动式(cable-driven)
[14−16]
以及综合型(combi-
ned)
[17−19]
6大类。本文则根据移动模式的不同对
可越障碍的爬壁机器人进行了归纳总结，并将可越障的爬壁机器人分为足腿式、蠕动式与飞吸式3类。
1 国内外相关研究情况概述
表1对本文将要介绍的越障式爬壁机器人相关情况进行了归纳。
收稿日期：2020−10−30. 网络出版日期：2020−12−02.基金项目：国家自然科学基金面上项目(61773210).作者简介：苏崇涛，男，高级工程师.
通信作者：苏崇涛，E-mail ：*****************.
第 48 卷第 2 期应 用 科 技
Vol.48 No.22021 年 3 月
Applied Science and Technology
Mar. 2021
下面将具体介绍每一种越障式爬壁爬壁机器人的性能。
1.1 足腿式爬壁机器人
足腿式爬壁机器人不需要像轮式或履带式爬壁机器人一样在连续的路径上行驶，它可以避免不必要的立足点，因此对壁面的适应能力更强，可运用的场景也更复杂。
图1为1991年日本东京工业大学的Nagakubo 等早期设计出的四足爬壁机器人。该机器人为世界上第一台拥有越障性能的足腿式爬壁机器人，它使用阀调节式多管吸盘作为吸附装置，可以在粗糙的壁面上行走，也可以完成简单的交叉面过渡。该机器人自重达45 kg，最大速度为0.16 m/s，体型笨重，且步态迟缓。
吸附机构
(吸盘足)
移动及越障机构
(腿)
控制箱体
图1 四足机器人NINJA-I结构[20]
无线数据传输
2002年，美国密歇根州立大学Tummala等[21]研发出了机器人历史上第一种小型双足结构爬壁机器人。与当时最轻的4 kg重的双足爬壁机器人ROSTAM IV[22]相比，Tummala等的爬壁机器人只有350 g左右，如图2所示。该机器人可以完成交叉面的过渡。它的缺点是研究团队为了减轻机器人自重而减少了制动器，导致机器人只有4个自由度。
图2 双足机器人完成交叉面的过渡[21]
图3是2010年我国Zhu等[23]在Tummala的双足爬壁机器人基础上设计出的W-Climbot。与Tummala的爬壁机器人相比，W-Climbot自重达16.1 kg, 有5个自由度，由3个吸盘和1个支撑盘构成。为了产生足够的真空，该机器人运用了一个可以产生小于25 kPa真空的干式旋片真空泵。W-Climbot最长可跨越750 mm，最大速度可达2.2 m/min，拥有1.5 kg载荷能力。该机器人利用3个安装在吸附模块上的超声波传感器来检测吸附模块的相对位置，可以自主检测并调整吸附模块以实现可靠吸附[24]。W-Climbot
可以完成交叉面的过渡，也可以跨越最宽205 mm(高400 mm)或最高415 mm(宽80 mm)的盒状障碍物以及壁面上400 mm的裂痕。
图3 爬墙中的W-Climbot[23]
美国哈佛大学在2017年研发的机器人Flippy[25]，是受到双足式结构启发的软性机器人。与其他双足结构机器人不同，Flippy具有自主性且不需要
表1 越障式爬壁爬壁机器人性能对比
移动方式名称年份跨越障碍类型
足腿式
四足爬壁机器人1991交叉面过渡
小型双足结构爬壁机器人2002交叉面过渡
W-Climbot2010最宽205 mm(高400 m)或最高415 mm(宽80 mm)的盒状障碍物以及壁面上400 mm的裂痕爬壁机器人2015凸型障碍物以及直角墙壁
Fllipy2017交叉面过渡
AnyClimb-II2018最宽为22 mm的凸起障碍以及50 mm宽的凹型障碍
多腔吸附的轮腿式结合爬壁机器人2019凸型障碍物
蠕动式MultiTrack2015交叉面过渡、翻越薄墙LEeCH2019交叉面过渡、翻越薄墙
飞吸式飞行吸附两栖机器人2014通过飞行完成越障VertiGo2015交叉面过渡
SCAMP2016通过飞行完成越障EJBot201740 mm的障碍物
第 2 期苏崇涛，等：可越障爬壁机器人研究与设计·43·
外置旋转泵来提供负压吸附的能量。
快开阀芯
Flippy 的身体由软硬混合的材料组成，其中镶嵌了链接母板的电路线，通过翻转的步态实现表面之间的攀爬与过渡，如图4所示。当Flippy 的感应器发现斜面时，它柔软的身体使得足部的夹持器能够顺应斜面的角度，通过该夹持器与尼龙壁面完成附着，每一步前进或后退都经翻转身体完成，并可完成为60°、90°以及120°的交叉面过渡。缺点是只能在尼龙材质的墙壁上行走。
(a) 机器人完成120°交叉面过渡
(b) 机器人完成60°交叉面过渡
图4 Flippy 完成交叉面过渡
[25]
2018年，Liu 等
[26]
研究出了AnyClimb-II 。Any-
Climb-II 是一种依赖于范德华力吸附技术的连动式机器人，采用极简设计，由一个长方形身体与干粘附脚掌组成，长方形身体由四连杆机构连接的内骨架与外骨架构成，如图5和图6所示。该机器人通过四连杆机构带动内骨架与外骨架的转动与前移向前移动，在遇凹凸型障碍物时，机器人的身体将发生倾侧并转移自重至着力脚以跨越障碍物。它可以从平滑的墙面爬上一层最高达15 mm(机器人高度的30.6%)的阶梯，并从阶梯上爬下至墙面。影响AnyClimb-II 越障的主要因素是机器人足部的黏合能力：在跨越较长的障碍物时，如果机器人不能一次性跨过，而需要将足部先与障碍物表面接触的话，越障有时会因为接触后的黏性不足而以失败告终。
移动方向
内骨架外骨架
图5 AnyClimb-II 机器人在平滑墙面上前进过程
[26]
F F
P Q P
Q M
N M
N P Q P
Q M
N M
N
图6 AnyClimb-II 机器人上下楼梯的过程
[26]
1.2 蠕动式爬壁机器人
蠕动式爬壁机器人的优势是它们柔韧性更
好，可以跨越更加复杂的障碍物。部分机器人通过仿生，性能更优。
MultiTrack [27]
是韩国在2015年研发的无源负压吸附式爬壁机器人，由5个驱动模块以及2个链接模块构成，如图7和图8所示。每个驱动模块内有6只吸盘实现吸附，当吸盘通过传动带的旋转运动接触到壁面时，吸盘上的按钮1被按下，第一机械阀自动启动，吸盘内的启动气缸下降后按下按钮2，第二个机械阀自动开启，挤压掉吸盘内的空气对壁面进行吸附。当吸盘离开壁面时，按钮松开，气缸回升，吸盘松开壁面。通过这种简单运动，MultiTrack 可以完成对角等复杂墙面翻越工作，并具有15 kg 的高负载能力。图9为Multi-Track 在完成交叉面过渡时的示意图。
1
2
3
B D
C
21
A
真空
真空
按下
按下
21
21A.吸盘；B.气缸；C.推动阀门的机制；D.带按钮的阀门
临界反应图7 MultiTrack 在平面上的附着机制
[27]
·44·应 用 科 技
第 48 卷
没有激活
没有激活
吸附机制
已激活
已激活
传动带
没有激活
没有激活机械阀的开关
移动方向
旋转
(a) MultiTrack 吸附解析
(b) MultiTrack 运动方向
图8 MultiTrack 的移动机制
[27]
g
上升
附着
附着
抬起
抬起
v
图9 交叉面过渡中的MultiTrack
[27]
受到水蛭的启发，日本丰桥技术科学大学与安全二维码
英国剑桥大学联合研发LEeCH [28]
。该机器人利用柔索驱动，身体材料为刚性软管，通过真空泵充、排空气拉动软管收缩，内部齿轮啮合软管表面螺旋槽精准控制动作，让身体可以完成前后左右自由伸展，如图10所示。图中P 1和P 2为首尾2个吸盘；L 1、L 2、L 3为3根软管，通过真空泵抽取掉吸盘中的空气来完成壁面附着。
前吸盘
可收缩的身体
驱动单元
后吸盘p 2
p 1
L 3L 2L 1
αx
z
y β
γ
图10 Leech 机器人结构
[28]
移动时，LEeCH 后吸盘先附着在墙面上，前吸盘松开，随后身体上每个软管都会伸展开来，帮助前吸盘达到指定位置后完成吸附，之后后吸盘松开，身体收缩，把后吸盘拉过来并吸附到指定位置。通过这种仿生蠕动，LEeCH 可以完成三维爬升动作，这些动作包括图11中的过角、翻越薄墙、0°~180°的
交叉面过渡。
1.3 飞吸式爬壁机器人
飞吸式爬壁机器人结合了飞行吸附与爬行2种运动方式，通常情况下由飞行器或螺旋桨的推动形成飞行吸附力，通过飞行完成越障。
图12为南京理工大学在2014研制的飞行吸附机器人
[29]
，该机器人由一个吸附装置以及四旋
翼飞行器构成，可以通过其吸附装置长时间栖息
在墙面上以达到侦查和监控的目的。机器人机体轻、移动速度快、续航能力强，但载荷能力以及抗风能力有限，较难控制。
(a) 过角 (b) 翻越薄墙
图11 LEeCH
机器人
[28]
图12 飞行机器人栖息在墙壁与窗户之上
[29]
美国斯坦福大学研制的SCAMP
[30]
机器人，不
仅可以利用2只具有仿生吸附的脚来攀爬不光滑的墙壁，还可以完成起飞、飞行以及降落等动作。起飞时，SCAMP 会启动它的起飞脊柱，脊柱从机体后端旋转直至附着在墙面上起到稳固的作用，随后SCAMP 的上半身先从墙面脱离，下半身也离开墙面。飞行时，SCAMP 使用了商用四旋翼飞行器Crazyflie 。降落时，机尾先与墙面接触，旋翼继续旋转，使其向上仰起，后脚先固定在墙面之后，前脚再附着于墙面上。SCAMP 的2条长腿由碳纤维和高强轻质Spectra 纤维制造，通过两脚
第 2 期苏崇涛，等：可越障爬壁机器人研究与设计
·45·
轮换承载力来爬行。图13为该机器人附着于墙壁时的情形。该机器人可以通过飞行来规避障碍物，但是在爬行时却没有越障能力。
z
x
图13 可飞行且爬壁的SCAMP
[30]
VertiGo [31]
是2015年由苏黎世联邦理工学院与迪士尼研究院合作完成的一种利用螺旋桨产生负压吸附力的轮式机器人，如图14所示。VertiGo 由8个独立控制的发动机组成，底盘是一个由3D 打印制作完成的碳纤维底板，上面放置了所有的电子设备、连接线以及一个计算装置。它通过使用2个360°可倾斜的螺旋桨产生向上的推力，使得机器人可以完成地面与墙垂直面的过渡。Vertigo 的前端安装了2个红外距离传感器来估计机器人在空间中的方位。运用这些空间位置数据，机器人可以设计出适合每个发动机的最佳位置从而改变机器人的方向。由于Vertigo 的运动和附着方式完全依赖于螺旋桨的推力，稳定性和负载能力欠佳。
(a) 实拍图(b) 交叉面过渡中
图14 轮式机器人VertiGo
[31]
同样利用螺旋桨推动力完成壁面附着的还有2017年日本早稻田大学与埃及曼苏尔大学共同开发，用于监测石油化工容器的EJBot 爬壁机器人
[32]
，如图15所示。该机器人由推动模块、驱动
模块以及控制模块构成，自重为1.66 kg ，在结合螺旋桨与车轮扭矩后能产生的最大推动力高达5 kg 。
EJBot 可克服的障碍物尺寸最大为40 mm ，
足以应对焊接线以及管道表面绝大部分的突起物。EJBot 并不具有自主性，需要通过远程控制才可完成规定作业。
控制模块
推动模块驱动模块
图15 EJBot 实拍
[32]
2 可越障爬壁机器人设计
早在2010年起，南京理工大学智能机器人研究团队就开始关注可越障爬壁机器人技术的研究与系统设计。
图16为该团队设计的第一款此类机器人的典型结构，由移动及越障机构、吸附机构以及控制箱体3部分构成。顾名思义，移动及越障机构负责改变机器人在三维空间里的物理位置；吸附机构的主要作用
是克服重力，同时使机器人能够附着于壁面上不脱落；而机器人的控制箱体可以用来放置通讯链接、控制与计算等装置。此款步行方式，虽然具有较好的吸附能力和一定的带载能力，但移动步态复杂，移动速度较缓。
控制箱体
移动及越障机构
(足)
吸附机构(吸盘足)
图16 双足机器人
之后南京理工大学在2015年提出仅用轮足式机构完成越障的机器人
[33]
，采用滚轮来实现机
器人的平面移动，利用静吸附足和关节机构实现跨越障碍能力。该文章所设计的机器人由移动模块、
翻越模块以及吸附模块组成，吸附模块以及翻越模块能够使机体空腔形成负压，并在经吸附足吸盘的帮助下，实现机体在负重状态下也可吸附跨越障碍的固定能力。这样的构造，使得机器人既具有轮式爬壁机器人的快速移动能力，又具有静吸附的吸附牢固能力，从而具有更加强的移
·46·应 用 科 技第 48 卷
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议