摘 要：船舶爬壁機器人與陸地機器人的不同之處在于其兼具移動和吸附功能，能夠于傾斜的船舶壁面上完成爬壁運動，通過配備除銹、清洗、焊接所需的高壓水槍、焊槍、圖像識別等裝置完成對應作業(yè)任務，每種作業(yè)任務需要的運動機械結構和運行方式也有不同。通過介紹近年來設計制造的爬壁機器人及其爬壁平臺，按照其吸附原理和運動特點將其分為磁吸附、負壓吸附和仿生類等爬壁平臺設計方法，介紹了各類爬壁平臺的機械結構設計、運動性能和適用范圍，期望能夠為未來船用機器人的設計制造和技術發(fā)展提供靈感。

關鍵詞：船舶；吸附移動；爬壁式機器人；仿真吸附；技術綜述

中圖分類號：U673.3" 文獻標志碼：A

DOI：10.11776/j.issn.1000-4939.2024.01.002

Advances in research on wall climbing platform for marine robots

Abstract：Ship wall climbing robots differ from land robots in that the former have both moving and adsorption functions，and can complete wall climbing motion on the inclined ship wall and complete the corresponding tasks by equipping high-pressure water guns，welding guns，image recognition and other devices required for rust removal，cleaning and welding.This paper introduces wall climbing robots and their wall climbing platforms designed and manufactured in recent years.Wall climbing platform design methods are classified into magnetic adsorption，negative pressure adsorption，and bionic type according to their adsorption principles and motion characteristics.The paper briefly introduces the mechanical structure design，motion performance，and application scope of various types of wall climbing platforms，in hope of providing inspirations for future design and manufacturing of marine robots and technology development.

Key words：ship;adsorption movement;wall climbing robot;simulation adsorption；technology literature review

爬壁機器人是一種具有爬墻能力的機器人。它通常具有吸附裝置，可以將其固定在墻壁上，并使用臂膀或其他機械設備爬行[1]。在船舶行業(yè)，爬壁機器人可以用于搜尋和救援，也可以用于清潔和維護船舶外部[2-6]。爬壁機器人能夠降低成本，減少安全危害，極大提升船廠的工作效率[7]。

爬壁機器人在船舶的實際應用是一個非常重大的挑戰(zhàn)[8]。船舶表面的環(huán)境類型廣泛，并且不斷變化，使用傳統(tǒng)的機器人設計方法非常困難[9]。與在傳統(tǒng)的裝配線上進行操作不同，船用機器人的作業(yè)位置（船舶或海洋結構物）常常是不斷移動的。因此，隨著施工的進行船用機器人往往要面對各式各樣的復雜曲面，需要在充滿各種變化的環(huán)境中移動和越過障礙物：如其他移動機器人或人類、腳手架、機械等。因此，造船廠屬于機器人滲透程度較低的行業(yè)[10-11]。

直到近些年，爬壁機器人才真正被船舶行業(yè)采用，例如檢查、焊接和船體清潔。爬壁機器人的研究人員最關注的方面是機器人如何在船體工作區(qū)域上移動[12]。在這方面，從輪式機器人到不同類型的足式機器人，不同的方案都有實現(xiàn)的可能性[13]。盡管如此，機器人使用清潔工具（如機械圓盤刷或空化噴射設備）在船體表面工作時會遇到很大的反作用力，機器人必須牢固地附著在船體表面，并施加適當?shù)牧砦胶鸵苿?。而且船體通常是一個復雜的曲面，曲率不斷變化，有許多焊接突起，導致自主清潔障礙[14]。因此，研究人員開發(fā)了許多不同類型的吸附式攀爬平臺，如磁吸附、推力吸附、真空吸附以及仿真吸附等。

1 磁吸附類

永磁吸附機器人一直是船舶清洗領域的熱點，因為船舶表面具有易于磁吸附的特點，磁吸附往往是船體爬壁機器人的第一選擇[15]。磁吸附平臺的運動方式大多采用履帶式、腿式和輪式[15]。

1.1 永磁吸附（履帶式）

浙江大學的研究人員設計了一種具有攀爬能力的機器人[2]，并制作了原型，用于造船業(yè)的垂直結構檢測。

如圖1REF_Ref128498635＼h所示，機器人由磁軌系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、探測器支架和機器人本體結構4個模塊組成。船體主要由鋼制成，由于焊接變形而經(jīng)常不平整，因此選擇永磁作為黏附和運動類型。機器人軌道由電機驅動[16]。

由于焊縫、壁面變形和材料腐蝕，船舶表面不平整[17]。因此，單純設計柔性軌道來適應變形是不夠的，機器人可能不會按照預定的路徑行走[18]。攀爬機器人在不平坦的表面上休息的示例如圖2所示。

為了解決上述問題并進一步提高精度，研究人員設計了一個補充校正部分，如圖3REF_Ref128498614＼h所示。它使機器人能夠自我適應不平坦的表面，同時，控制系統(tǒng)增加了自校正功能。通過兩個位置傳感器實時監(jiān)測機器人的爬行姿態(tài)角度[19]，每當實際軌跡與設計軌跡之間存在差異時，就可以檢測軌跡并校正偏移值。

為防止在極端情況下機器人滑落或傾覆，研究人員還在實驗室進行了一系列實驗測試，測試驗證了機器人的爬壁平臺參數(shù)如下。

①機器人具有廣泛的速度范圍（主要取決于電機的頻率）。最高速度超過7m/min。

②隨著涂層厚度的增加，吸附力減小。當涂層厚度達到1mm時，機器人仍然能夠牢固地吸附在船舶表面。

③當重量增加到 6kg時，機器人無法攀爬。因此，其有效載荷能力應小于6kg。

④機器人可以克服一定高度的障礙物，不大于10mm。

1.2 永磁吸附（輪腿式）

許多爬壁平臺的設計集中于垂直爬墻，然而，船體具有不規(guī)則形狀，機器人應不斷調(diào)整其姿態(tài)，以在移動過程中保持車輪或軌道與船體接觸。通常，船體在水線下的區(qū)域具有更大的曲率，這要求機器人的工作機制具有強大的適應性。然而機器人大多采用一體化剛性結構，變形能力較弱，無法適應船體的變曲率壁[20]。

爬壁式機器人經(jīng)常設計為分體式履帶式，可以水平和垂直翻轉。然而，爬壁平臺本身是不彎曲的，這使得機器人可以在曲率較大的墻上很好地行走，但很容易從曲率較小的墻上掉下來。

針對復雜曲面吸附力不足的問題，上海海事大學的研究人員設計了一種基于輪腿復合移動機構的柔性船體清潔機器人[21]，并設計了一種能夠獨立變形并適應船體形狀的多關節(jié)行走機構。所設計的機器人具有柔性輪腿復合移動機構，使機器人能夠適應變曲率船體，并對船體有很強的吸附力。這種新穎的行走機構還允許機器人在整個船體上自由運行障礙物，并在水下和空中進行船體清潔作業(yè)。該機器人可以根據(jù)船體曲率的變化被動地調(diào)整吸附機構的姿態(tài)。所設計的船體清潔機器人輪腿行走機構比傳統(tǒng)的履帶式或輪式機器人具有更好的靈活性、適應性和穩(wěn)定性[22]。

如圖4所示，機器人本體包括行走機構、吸附機構、清潔機構機構、回收裝置（避免清洗廢液中高濃度的金屬和油漆物質污染海洋環(huán)境）和控制室?；厥丈w底部安裝了4個輔助吸附永磁體塊，以增強機器人的整體吸附力。4個萬向輪布置在清潔盤周圍，以與船體保持適當?shù)那鍧嵕嚯x。

清潔機器人在4個柔性復合輪腿機構的支撐下行走，柔性輪腿的機械結構如圖5REF_Ref128498594＼h所示。腿分為三段。第二部分由支撐橫軸在軌道中的位置的壓縮彈簧約束。第三部分為嵌套槽鋁，磁輪可以自由翻轉、傾斜，根據(jù)船體曲率的變化被動地調(diào)整吸附機構的姿態(tài)。

設計的可調(diào)輪腿由旋轉軸上的3個支腿框架組成，這種設計消除了磁輪的位置限制，擴大了運動空間。相比傳統(tǒng)的履帶式或輪式機器人具有更好的靈活性、適應性和穩(wěn)定性。

1.3 電磁吸附（電磁腿）

西班牙拉科魯尼亞大學的研究人員設計制造了一款爬壁式噴砂機器人[3]，在滿足一系列驅動和安全要求的同時，它能在船體表面航行，按照一定的規(guī)則運輸和移動噴槍，并且在完全失去供電的情況下，機器人能夠保持靜止在當前工作位置，并完全附著在船體上。

該機器人使用永磁體作為附著手段。但是，由于一些船舶區(qū)域材料是鐵磁性的，在機器人作業(yè)過程中，磁鐵需要遠離噴槍，并在某些地方退磁，以避免大量的砂礫附著[23]。因此，這種方法的另一個優(yōu)點是，它可以非常容易地去除在操作過程中可能附著在磁體上的任何鐵磁灰塵[24]。

如圖6REF_Ref128498538＼h所示，機器人架構基于兩個四腿框架或模塊，通過兩個復雜的關節(jié)連接，允許它們彼此相對移動，同時允許整個機器人行走。雙框架主體為基礎，上層為控制機構，下層為噴砂結構，有利于機器人沿直線或微彎曲路徑前進時噴槍旋轉進行噴砂。

不同于傳統(tǒng)地滾輪和履帶式，該機器人創(chuàng)新地使用了一種基于電磁的“機械腿”，機器人使用帶有磁性的機械腿作為運動機構。噴砂工作時，機械腿可以依靠磁性貼附在船體表面，而離開船體表面時，磁鐵會退磁，以便于機械腿進行移動。

在架構方面，機器人基于兩個模塊，這兩個模塊彼此相對移動，運動結構使用了多個軸承和滑軌作為機械腿之間的運動耦合。這種運動耦合方式允許兩軸之間的相對線性位移，以及兩軸之間的相對旋轉，使得機器人能夠完成前進、改變方向和水平移動。

爬壁平臺的運動部件如圖7REF_Ref128498541＼h所示。第一個復雜關節(jié)由S1和S3滑塊和被動R1關節(jié)組成，這只是一個軸承。第二個由S2和S4滑塊以及與R1類似的被動R2關節(jié)組成。除S4外，所有4個滑塊均由氣動線性致動器驅動，S4被動。下部模塊有4個支腿，由線性致動器（T5～T8）驅動，并通過球窩接頭（BS5～BS8）在其底部與磁鐵連接。這種耦合方式允許磁體適應船體表面的小角度偏差，從而增加其抓地力。該模塊具有一個雙作用線性致動器，用于驅動滑塊S3，滑塊S3相對于S4對齊安裝。兩個軸承（R1和R2）安裝在這兩個元件（S3和S4）上。這些R1和R2接頭通過其頂端連接到安裝在上框架上的S1和S2滑塊，從而將兩個模塊連接在一起以允許兩個模塊之間沿兩個軸線的相對線性位移，以及模塊之間的相對旋轉。這些模塊共同作用實現(xiàn)機器人的基本運動能力。

頂部模塊是由剛性矩形結構形成的框架，其具有位于矩形頂點處的4個致動腿。它們與下部模塊的支腿相同。它還提供了兩個平行的線性致動器，驅動沿著矩形框架的兩個平行側移動的S1和S2滑塊。當一起致動時，這些致動器負責機器人在船體上的垂直運動，當獨立致動時負責模塊之間的相對旋轉性能。在這些致動器中，滑塊中的氣動制動系統(tǒng)防止一個模塊相對于另一個模塊的垂直位移。當一個模塊移動時，另一個模塊通過其四條腿與船體相連。如果發(fā)生電源故障，腿執(zhí)行器中的空氣被清除，所有八只腳都放在地面上，將機器人連接到船體上。在移動之前，每個模塊都會消磁并收回腿。為了防止模塊耦合處出現(xiàn)不受控制的力矩，每個磁體旁邊都有一個機械支撐元件，該元件由一個帶有球形輪的腿組成。

由于船體是一個三維表面，為了使機器人正常工作，有必要修正機器人沿其路徑的軌跡。即通過向驅動滑塊S1和S2的致動器引入指令的差異，在機器人路徑中引入小轉彎而不損害其致動。

機器人正常作業(yè)不需要進行大轉彎，然而，在某些情況下，機器人需要急轉彎。這些類型的轉動可通過以下方式實現(xiàn)：底部模塊固定，頂部模塊松開，滑塊S1和S2沿相反方向移動；然后將頂部模塊固定到表面，釋放底部模塊；之后，S1和S2幻燈片一直向后移動（或者，無論需要多遠，在圖中僅為一半）。此時，機器人已轉過37°左右。根據(jù)需要重復該操作多次，就可以完成所需的轉向角。

考慮到機器人必須在鐵磁表面上移動，研究人員還選擇了基于永久磁鐵的固定系統(tǒng)[25]。如前所述，在系統(tǒng)發(fā)生故障時，這樣的固定元件比其他選項（如電磁鐵或基于真空的固定元件）更安全，因為這些其他方法都不能保證機器人在完全失去能量供應時不會墜落[26]。

2 負壓吸附類

負壓吸附的原理是通過施加反向推力以將機器人附接到船體[27]。這種吸附結構很簡單，因為它可以應用于所有類型的浸沒表面[27]。負壓吸附是水下作業(yè)的主要方式。船滿載時，機器人只能清潔到水線的區(qū)域。真空吸收適用于水下和無水環(huán)境。

然而，船體的形狀很復雜，無法確保相同的密封性，水下或空氣中所需的吸收力也明顯不同。此外，與干船塢或地面上的船體相比，海上船舶的水下區(qū)域更難維護，尤其是船體底部區(qū)域，這些區(qū)域的清潔維護機器人往往采用負壓吸附作為爬壁平臺。

2.1 螺旋槳式

螺旋槳式負壓吸附是應用最廣泛的吸附方式之一，難度低，容易實現(xiàn)[28]；然而，當機器人靠近船體壁時，螺旋槳的吸附效率很低，流體噪音特別大，容易對機器人的工作造成干擾[29]。

中國海洋大學的研究人員利用伯努利負壓產(chǎn)生機制設計了一種負壓吸附式水下攀爬機器人“UCRobot”[30]。與其他水下攀爬機器人相比，該機器人具備相當?shù)目垢蓴_能力，實現(xiàn)了更高的吸附性能。

UCRobot的機械結構如圖8REF_Ref128498480＼h所示。它由9個主要模塊組成，包括主框架、CRPs、姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊、運動模塊、船體清潔模塊、控制和驅動模塊、壓力傳感模塊、通信和定位模塊以及檢查模塊。圖8REF_Ref128498480＼h展示了該機器人的運動模塊及工作流程。

姿態(tài)調(diào)整模塊包括4個水平放置的推進器，這些推進器垂直固定在機器人周圍。這4個推進器控制機器人的偏航和俯仰姿態(tài)，以確保穩(wěn)定和垂直狀態(tài)。CRPs系統(tǒng)由兩組同軸螺旋槳組成，由無刷電機驅動。這些螺旋槳將沿相反方向旋轉。當機器人漂浮時，CRPs推動機器人前后移動。當機器人靠近船體時，CRPs旋轉并驅動機器人通過伯努利負壓抽吸裝置吸附到船體表面。當機器人附著在墻上時，移動模塊控制機器人的向前、向后和轉向運動，并確保機器人保持穩(wěn)定的運動。

當機器人進入水中時，重心（GC）和浮力中心（BC）位于垂直方向的上下位置。當朝向船體表面航行時，機器人首先通過姿態(tài)調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)其俯仰角和偏航角姿態(tài)，因為它受到牽引索的流體動力信號影響。CRPs系統(tǒng)和姿態(tài)調(diào)整模塊隨后驅動機器人向前移動并接近船體。在清潔過程中，CRPs做出反應并驅動機器人黏附在船體表面。此后，移動模塊驅動機器人在表面上移動清潔系統(tǒng)清潔污垢。

研究人員對爬行機器人進行了數(shù)值模擬，計算得到吸附力F與間隙距離h有關。在小間隙的情況下，吸附力F隨著間隙距離h的增加而急劇增加；在較大的間隙距離h值時，F(xiàn)隨著間隙的增加而減?。坏旈g隙距離h增加到一定距離時，所產(chǎn)生的吸附力F不會隨著間隙距離h的增加而顯著降低。值得一提的是，機器人底板和船體表面之間的間隙距離決定了機器人克服障礙的能力。在這種情況下，研究人員發(fā)現(xiàn)可以通過增加間隙距離h來增強機器人克服障礙物的能力，因為即使在大的間隙下，吸附力依舊能夠保持在高水平以進行吸附。

研究發(fā)現(xiàn)，如果想讓機器人高效率地工作，吸附力必須保持在一個適當?shù)姆秶鷥?nèi)。如果吸附力太大，機器人將因過度摩擦而難以移動。但吸附力不足，機器人又不足以吸附船體表面，極易脫落。此外，機器人還容易受到來自水和拖曳電纜的外部影響。因此，螺旋槳式吸附結構必須配備優(yōu)秀的控制和機械系統(tǒng)[31-32]，實時精確地調(diào)節(jié)吸附力，機器人才能正常工作。

2.2 真空吸附

另一種應用較廣的吸附方式為真空吸附，即利用吸盤內(nèi)外的壓力差將機器人推到船體表面。由于船體表面充滿了不均勻的海洋生物或縫隙，因此在吸盤軟橡膠周圍發(fā)生密封泄漏的情況下，機器人很難將自己吸附到船體表面。這種缺點限制了真空吸附機制在相對無孔、無間隙和光滑表面上的應用。并且由于真空吸附的吸附力無法調(diào)整，這對機器人的運動控制提出了挑戰(zhàn)。與電磁吸附方法相比，真空吸附機制更適合開發(fā)用于清潔、噴漆和檢查任務的高有效載荷攜帶爬墻機器人[33]。

印度理工大學的研究人員提出了一種真空吸附式爬墻機器人[34]，該機器人通過諸如皮帶、轉向、帶被動和主動吸入的導軌等機構，可連續(xù)運動、黏附，以及敏銳轉向，高效覆蓋工作區(qū)域。且吸盤內(nèi)的真空控制無需使用電磁閥，降低了機器人的整體重量和電力消耗。

如圖9所示，機器人由皮帶機構兩側的兩對前后履帶輪驅動。GFCR的組件包括四對前后履帶輪（左側和右側）、兩個正時皮帶機構（左側和右側）、以及滾刷和轉向機構組成的底座平臺。滾筒清洗刷臂的尾端通過被動蝸殼接頭與機器人底板相連。帶齒輪機構的驅動電機與相應的機構連接，用于各種所需的機器人運動。

如圖10所示，GFCR的轉向機構有一個固定部分連接到機器人底板上，另一部分可借助一對絲杠和齒圈和小齒輪機構的組合來移動。帶絲杠機構的行星齒輪系在爬升時提供所需的轉向動作以及機器人的主動和被動吸力附件。GFCR的急轉是通過激活轉向機構的圓形吸盤內(nèi)的真空以黏附在玻璃墻表面來完成的。機器人本體可以通過控制帶有行星齒輪系或皮帶的相反運動來控制連接的電機，從而自由轉動轉向機構。轉向機構設有旋轉接頭機構，以避免連接多輪吸盤的氣動管纏結。

皮帶機構使用電動履帶輪為機器人提供運動，橢圓形扁平吸盤的主動和被動真空作用可以使機器人牢固地黏在工作表面。導軌機構以及黏合機構與橡膠同步帶的機械聯(lián)動，產(chǎn)生了橢圓形扁平吸盤內(nèi)部的主動/被動真空；而連桿根據(jù)皮帶通過導軌向玻璃壁表面的運動壓下和拆卸吸盤，以產(chǎn)生被動吸力。

3 仿生類

在自然界中，每一種生物都有其獨特的形態(tài)[35]，節(jié)肢動物和爬行動物等多種生物利用不同的肢數(shù)、附著機制和身體形態(tài)在垂直基質上移動[36-38]，其方式可與平地跑媲美[39]。同時，對不同的動物進行研究，也發(fā)展出相應的不同攀爬策略[40]。

科學家們很早就從爬行和節(jié)肢動物的爬壁運動方式上尋找機器人的設計靈感。AUTUMN對壁虎的爬壁方式做了詳細分析，表明了壁虎的仿生學原理，HAYNES等［41］針對仿真機器人的步態(tài)和步態(tài)過度進行了相關研究，為后續(xù)的仿生足設計奠定了運動學基礎；GOLDMAN等[42]在壁虎攀爬機制的基礎上，針對蟑螂的快速攀爬作動力學分析，并提出了一個快速腿部攀爬動力學模板。

通過對這些動物的爬壁運動方式進行仿真，并運動到機器人爬壁平臺的機械結構設計中，設計出的爬壁機器人往往具有集中高效的機械結構和優(yōu)異的爬壁性能[43]。

3.1 爪齒仿生型

賓夕法尼亞大學大學的研究人員在已有的研究基礎上[41，44]，進一步研究并發(fā)展了仿真機器人的理論[45]，對動力沖程系統(tǒng)的內(nèi)部垂直動力學進行了分析，依據(jù)壁虎和蟑螂的足運動特性[46]，設計了一種新型的仿真爪齒型爬壁機器人[45]。

爬壁機器人由一個剛體和兩個帶彈簧的線性移動臂組成。如圖11REF_Ref128498204＼h所示，最終的機器人具有兩個電機，每個電機驅動連接在手臂上的曲柄滑塊機構。在模擬中，每條腿都有一個與曲柄滑塊平行的儲能彈簧。每只腳還配有一對與驅動機構串聯(lián)的被動手腕彈簧。這些被動的手腕彈簧連接到手臂，并在站姿階段開始時伸出，以減輕機器人上的負載力。重型部件（如電機和電子設備）位于曲柄下方，以便根據(jù)模板的理想質量分布將COM定位在較低位置。

機器人的框架最初由ABS塑料制成，之后改為由機加工鋁制成。傳動系統(tǒng)由錐齒輪副、滑輪副、滑塊（鋼軸和線性軸承）和鋁連桿組成。雙臂的伸展角度可通過多種預先設置進行調(diào)整，包括設置為10°，對應于壁虎和蟑螂使用的有效蔓延角。為了盡量減少平面外的滾動，機器人還配備了一個滾動穩(wěn)定桿，如圖11所示。該桿在兩側橫向延伸20cm，減少側傾，近似于多個支腿的功能。

爪上附著的彎曲齒為機器人的攀爬運動提供了一種簡單的機械實現(xiàn)方式，即當腿被向下拉時，爪齒與鋼板接觸吸附，當腿被向上推時，爪齒從鋼板上脫離。同時機器人后部具有輕微俯仰角，確保伸出的腳比縮回的腳要更靠近墻壁，使得機器人在略微減少有效步幅長度的條件下幫助機器人更好地完成攀爬，盡管簡單但普遍且有效，但這種被動連接機制有時會導致機器人在攀爬中失去立足點，可以考慮后續(xù)增加手部的致動器，提高攀爬運動的可靠性并提供吸附和分離階段的控制。

這項關于爬壁機器人的研究對后續(xù)仿生吸附類平臺的開發(fā)提供了很多理論依據(jù)，他們不僅研究了增加的攀爬速度對能夠附著在光滑表面上的腳的附著和分離的影響；實現(xiàn)更高的速度，在不增加設計復雜性的基礎上適當利用運動動力學提高機動性。

然而，這項工作并不完整，后續(xù)還需要得到更多改進。

一是需要在這項研究的基礎上添加更多仿生部件，以實現(xiàn)一個真正實用的、可以在多個表面和具有不同幾何形狀的基板上操作動態(tài)機器人。

二是未來的理論工作需要充分理解機器人的物理結構和控制方案如何相互作用，以改善其橫向穩(wěn)定性[47]。在該機器人的運行過程中，大多數(shù)故障都是由于側傾穩(wěn)定性不足造成的，機器人偶爾會側傾，使其仿生足稍微從墻上抬起，并無法正常吸附。

3.2 壁虎仿生型

武漢理工大學的研究人員設計了一種在墻面上移動的仿生壁虎[48]。仿生壁虎采用仿真吸附的附著方式，使其在墻面上靈活完成連續(xù)運動，具有良好的堅固性。針對仿生壁虎系統(tǒng)在墻面和地面上受重力影響而產(chǎn)生的運動特性差異，對仿生壁虎進行了定量靜力學和流體動力學分析，為仿生壁虎力學結構設計提供有效指導。

研究人員以壁虎為研究對象，以壁虎的爪子吸附、腿部運動和身體的靈活扭轉為模仿對象，設計了一款仿生壁虎爬壁機器人并建立了可實現(xiàn)的模型。

如圖12所示，壁虎的腿部有3個關節(jié)：關節(jié)1連接身體和大腿，關節(jié)2連接大腿和小腿，關節(jié)3連接小腿和腳底。其中，關節(jié)1可以實現(xiàn)壁虎身體平面旋轉（腿）和垂直于身體在平面（腿）中的旋轉，關節(jié)2可以實現(xiàn)腿平面的形式在大腿和小腿之間旋轉（伸縮腿），關節(jié)3可以實現(xiàn)小腿和腳之間的靈活旋轉，可以使壁虎爬行適應不同的表面。

通過對壁虎的動作進行仿真分解，設計出相似的機械結構功能。主要將壁虎的爬行動作分解為以下步驟。

腿部伸展：模仿真壁虎腿的擺動，通過齒輪組、舵機、碳纖維連桿等仿生壁虎腿的部件，實現(xiàn)伸展動作[49]。如圖13所示，齒輪由舵機驅動，通過舵機固定在方向盤上旋轉驅動齒輪，齒輪帶動連桿在X方向運動，靠近舵機頭的頭部帶動其他齒輪，在另一個齒輪驅動和平行連桿之前帶動連桿旋轉，實現(xiàn)Y方向的運動，通過控制兩個舵機旋轉，實現(xiàn)兩個自由度的運動，模擬真壁虎腿的多自由度運動，舵機帶動齒輪組旋轉，再帶動連桿來回擺動，實現(xiàn)壁虎前后運動。

腳球的提升運動如圖14所示。移動模塊由舵機、搖臂、限位套、滑動軸承、鞋底等組成。真壁虎關節(jié)1的垂直運動由仿生壁虎關節(jié)3通過舵機的驅動力實現(xiàn)，其雙腳隨軀干垂直移動，實現(xiàn)壁虎腿抬起。垂直運動是通過轉向器旋轉和搖臂實現(xiàn)的。

當壁虎需要與壁解吸時，它的腳趾向外彎曲，然后折疊打開，減少了刷毛與壁之間的接觸面積，從而減少了足底與壁之間的范德華力，從而實現(xiàn)了足底與壁之間的解吸。壁虎依靠這種獨特的由內(nèi)而外的腳趾機制來實現(xiàn)墻壁上的快速運動。

吸附模塊的作用是將機器吸附在墻上，是仿生壁虎爬墻的重要模塊。如圖15所示，吸附模塊主要由鞋底、連桿、圓柱銷、軸承等組成。當機器要實現(xiàn)抬腿運動時，舵機帶動搖臂帶動轉盤上下移動，轉盤的垂直運動使腳底抬起。此時，鞋底在墻上的吸附面積減小，更容易將鞋底與墻體分開。同時，轉盤的支腳和下部可以通過軸承實現(xiàn)360°自由旋轉。

依據(jù)壁虎等仿生學原理設計的爬壁機器人在相關領域獨樹一幟，但在國內(nèi)相關的研究比較稀少。大多數(shù)研究人員只給出了一定的理論依據(jù)，離運用到實際生產(chǎn)還有很長的一段距離，其吸附能力、實際的工作效率以及在復雜曲面上的工作能力，還需要通過實踐檢驗給出結果[50-51]。

4 總結和展望

本研究概述了用于船用攀爬機器人附著到表面的特殊設計，重點介紹了目前正在開發(fā)的實現(xiàn)這些目標的新結構設計。船用攀爬機器人與一般攀爬機器人的設計差異如表1所示。

如表2所示，每種吸附方式、吸附平臺都有自己獨特的特點，也有著不同的限制和缺陷。

由于磁鐵的重量，磁性機器人很重，只能在鐵磁表面上使用；基于真空吸附的機器人重量輕，易于控制，但由于壓縮空氣泄漏，它們不能用于開裂的表面；受生物啟發(fā)的機器人仍處于開發(fā)階段，因為新材料正在測試并有待改進。目前尚未出現(xiàn)一種能夠完美覆蓋船體工作環(huán)境要求的爬壁平臺。

爬壁機器人的攀爬運動同時也是力學問題，機器人的設計在注重及機械結構設計的同時，更應當對其運動理論深入研究模擬，利用運動學理論、分析模型、簡化模型指導爬壁機器人的設計[52-53]。

結合國內(nèi)外研究成果，船體表面限制、其他行業(yè)要求和對各爬壁平臺的分析，目前爬壁平臺的通用問題是吸附力不足和穩(wěn)定性不足。爬壁機器人的未來設計應注意以下幾個關鍵特征。

通用性：由于船體表面和其他水下平臺具有不同的形狀、面積和材料，理想的水下吸附機器人應盡可能通用，并能夠適應可能遇到的大多數(shù)表面或平臺，具有一定的越障能力。

魯棒性：機器人的工作環(huán)境極易受外界干擾。此外，機器人工作條件，即船體表面條件，對吸附力的影響也很大。因此，吸附機構應能夠以足夠的力將機器人拉到表面上，該力可實時調(diào)節(jié)，對復雜多變的環(huán)境具有魯棒性。

靈活性：機器人應能在附著和清潔表面時靈活移動。當機器人移動時，其滾動摩擦力取決于作用在機器人本體上的垂直吸附力。為了保證機器人的運動穩(wěn)定性，由于表面環(huán)境的復雜性，必須使機器人的吸附力保持在可控和適用范圍內(nèi)的同時，還具有一定的靈活性。

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