1、第41卷第1期2024 年2 月文章编号：10 0 0-4939(2 0 2 4)0 1-0 0 2 5-11应用力学学报Chinese Journal of Applied MechanicsVol.41 No.1Feb.2024船用机器人爬壁平台研究进展张永杰，张诺,杨振,胡小才（1.西北工业大学民航学院，7 10 0 7 2 西安；2.上海外高桥造船有限公司，2 0 0 137 上海）摘要：船舶爬壁机器人与陆地机器人的不同之处在于其兼具移动和吸附功能，能够于倾斜的船舶壁面上完成爬壁运动，通过配备除锈、清洗、焊接所需的高压水枪、焊枪、图像识别等装置完成对应作业任务，每种作业任务需要的运动机
2、械结构和运行方式也有不同。通过介绍近年来设计制造的爬壁机器人及其爬壁平台，按照其吸附原理和运动特点将其分为磁吸附、负压吸附和仿生类等爬壁平台设计方法，介绍了各类爬壁平台的机械结构设计、运动性能和适用范围,期望能够为未来船用机器人的设计制造和技术发展提供灵感。关键词：船舶；吸附移动；爬壁式机器人；仿真吸附；技术综述中图分类号:U673.3Advances in research on wall climbing platform for marine robots(1.School of Civil Aviation,Northwestern Polytechnical University,7
3、10072 Xian,China;2.Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding CO.,LTD.,200137 Shanghai,China)Abstract:Ship wall climbing robots differ from land robots in that the former have both moving andadsorption functions,and can complete wall climbing motion on the inclined ship wall and complete thecorresponding task
4、s by equipping high-pressure water guns,welding guns,image recognition and otherdevices required for rust removal,cleaning and welding.This paper introduces wall climbing robots andtheir wall climbing platforms designed and manufactured in recent years.Wall climbing platform designmethods are classi
5、fied into magnetic adsorption,negative pressure adsorption,and bionic type according totheir adsorption principles and motion characteristics.The paper briefly introduces the mechanicalstructure design,motion performance,and application scope of various types of wall climbing platforms,inhope of pro
6、viding inspirations for future design and manufacturing of marine robots and technologydevelopment.Key words:ship;adsorption movement;wall climbing robot;simulation adsorption;technology literature review爬壁机器人是一种具有爬墙能力的机器人。它通常具有吸附装置，可以将其固定在墙壁上，并使用收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 8基金项目：国家级民船项目（No.5130210061）通信作者：张
7、诺。E-mail:引用格式：张永杰，张诺，杨振，等.船用机器人爬壁平台研究进展 J.应用力学学报,2 0 2 4,41（1）：2 5-35.ZHANG Yongjie,ZHANG Nuo,YANG Zhen,et al.Advances in research on wall climbing platform for marine robotsJJ.Chinese journal ofapplied mechanics,2024,41(1):25-35.文献标志码：AZHANG Yongjie,ZHANG Nuo,YANG Zhen,HU Xiaocai?修回日期：2 0 2 3-0 5-1
8、0D0I:10.11776/j.issn.1000-4939.2024.01.002臂膀或其他机械设备爬行 。在船舶行业,爬壁机器人可以用于搜寻和救援，也可以用于清洁和维护26船舶外部 2-6 。爬壁机器人能够降低成本,减少安全危害，极大提升船厂的工作效率 7 。爬壁机器人在船舶的实际应用是一个非常重大的挑战 8 。船舶表面的环境类型广泛,并且不断变化,使用传统的机器人设计方法非常困难 。与在传统的装配线上进行操作不同，船用机器人的作业位置（船舶或海洋结构物）常常是不断移动的。因此,随着施工的进行船用机器人往往要面对各式各样的复杂曲面，需要在充满各种变化的环境中移动和越过障碍物：如其他移动机器
9、人或人类、脚手架、机械等。因此，造船厂属于机器人渗透程度较低的行业 10-1，直到近些年，爬壁机器人才真正被船舶行业采用，例如检查、焊接和船体清洁。爬壁机器人的研究人员最关注的方面是机器人如何在船体工作区域上移动 12 。在这方面，从轮式机器人到不同类型的足式机器人，不同的方案都有实现的可能性 13。尽管如此，机器人使用清洁工具（如机械圆盘刷或空化喷射设备）在船体表面工作时会遇到很大的反作用力，机器人必须牢固地附着在船体表面，并施加适当的力来吸附和移动。而且船体通常是一个复杂的曲面，曲率不断变化，有许多焊接突起，导致自主清洁障碍 14。因此,研究人员开发了许多不同类型的吸附式攀爬平台，如磁吸附
10、、推力吸附、真空吸附以及仿真吸附等。1磁吸附类永磁吸附机器人一直是船舶清洗领域的热点，因为船舶表面具有易于磁吸附的特点，磁吸附往往是船体爬壁机器人的第一选择 15。磁吸附平台的运动方式大多采用履带式、腿式和轮式 151.1永磁吸附(履带式）浙江大学的研究人员设计了一种具有攀爬能力的机器人 2 ,并制作了原型,用于造船业的垂直结构检测。如图1所示，机器人由磁轨系统、控制系统、探测器支架和机器人本体结构4个模块组成。船体主要由钢制成,由于焊接变形而经常不平整,因此选择永磁作为黏附和运动类型。机器人轨道由电机驱动 16 。应用力学学报图1履带式磁吸附机器人 2 Fig.Tracked magneti
11、c adsorption robot2由于焊缝、壁面变形和材料腐蚀，船舶表面不平整 1。因此,单纯设计柔性轨道来适应变形是不够的,机器人可能不会按照预定的路径行走 18 。攀爬机器人在不平坦的表面上休息的示例如图2 所示。图2 攀爬机器人在不平坦的表面上的运动姿态 2 Fig.2 Climbing robots motion atitude on an uneven surface2为了解决上述问题并进一步提高精度，研究人员设计了一个补充校正部分，如图3所示。它使机器人能够自我适应不平坦的表面，同时，控制系统增加了自校正功能。通过两个位置传感器实时监测机器人的爬行姿态角度 19,每当实际轨迹与
12、设计轨迹之间存在差异时,就可以检测轨迹并校正偏移值。图 3 补充校正机构 2 Fig.Supplementary calibration mechanism 2为防止在极端情况下机器人滑落或倾覆，研究投稿网站：http：/c j a m.x j t u.e d u.c n 微信公众号：应用力学学报第41卷第1期人员还在实验室进行了一系列实验测试，测试验证了机器人的爬壁平台参数如下。机器人具有广泛的速度范围（主要取决于电机的频率）。最高速度超过7 m/min。随着涂层厚度的增加，吸附力减小。当涂层厚度达到1mm时,机器人仍然能够牢固地吸附在船舶表面。当重量增加到6 kg时,机器人无法攀爬。因此,
13、其有效载荷能力应小于6 kg。机器人可以克服一定高度的障碍物，不大于10 mm。1.2永磁吸附（轮腿式）许多爬壁平台的设计集中于垂直爬墙,然而,船体具有不规则形状，机器人应不断调整其姿态，以在移动过程中保持车轮或轨道与船体接触。通常，船体在水线下的区域具有更大的曲率，这要求机器人的工作机制具有强大的适应性。然而机器人大多采用一体化刚性结构,变形能力较弱,无法适应船体的变曲率壁 2 0 爬壁式机器人经常设计为分体式履带式，可以水平和垂直翻转。然而,爬壁平台本身是不弯曲的，这使得机器人可以在曲率较大的墙上很好地行走，但很容易从曲率较小的墙上掉下来。针对复杂曲面吸附力不足的问题，上海海事大学的研究人
14、员设计了一种基于轮腿复合移动机构的柔性船体清洁机器人 2 1,并设计了一种能够独立变形并适应船体形状的多关节行走机构。所设计的机器人具有柔性轮腿复合移动机构，使机器人能够适应变曲率船体,并对船体有很强的吸附力。这种新颖的行走机构还允许机器人在整个船体上自由运行障碍物,并在水下和空中进行船体清洁作业。该机器人可以根据船体曲率的变化被动地调整吸附机构的姿态。所设计的船体清洁机器人轮腿行走机构比传统的履带式或轮式机器人具有更好的灵活性、适应性和稳定性 2 2 如图4所示，机器人本体包括行走机构、吸附机构、清洁机构机构、回收装置（避免清洗废液中高浓度的金属和油漆物质污染海洋环境）和控制室。回收盖底部安
15、装了4个辅助吸附永磁体块，以增强机器人的整体吸附力。4个万向轮布置在清洁盘周围，以与船体保持适当的清洁距离。张永杰，等：船用机器人爬壁平台研究进展外壳行走机构图4轮腿式复合变曲率清洁机器人的结构 2 1Fig.4 Structure of wheel-leg compound variablecurvature cleaning robot 21清洁机器人在4个柔性复合轮腿机构的支撑下行走，柔性轮腿的机械结构如图5所示。腿分为三段。第二部分由支撑横轴在轨道中的位置的压缩弹簧约束。第三部分为嵌套槽铝,磁轮可以自由翻转、倾斜，根据船体曲率的变化被动地调整吸附机构的姿态。设计的可调轮腿由旋转轴上的3
16、个支腿框架组成，这种设计消除了磁轮的位置限制，扩大了运动空间。相比传统的履带式或轮式机器人具有更好的灵活性、适应性和稳定性。腿部框架关节一关节二关节三图5灵活的轮腿行走机制 2 1Fig.5 Flexible whel-leg walking mechanism211.3月电磁吸附(电磁腿）西班牙拉科鲁尼亚大学的研究人员设计制造了一款爬壁式喷砂机器人 3,在满足一系列驱动和安全要求的同时，它能在船体表面航行，按照一定的规则运输和移动喷枪，并且在完全失去供电的情况下，机器人能够保持静止在当前工作位置，并完全附着在船体上。该机器人使用永磁体作为附着手段。但是，由于一些船舶区域材料是铁磁性的，在机器
17、人作业过程中，磁铁需要远离喷枪，并在某些地方退磁，以避免大量的砂砾附着 2 3。因此,这种方法的另一个优投稿网站：http：/c j a m.x j t u.e d u.c n 微信公众号：应用力学学报27电子元件清洗区回收盖28点是，它可以非常容易地去除在操作过程中可能附着在磁体上的任何铁磁灰尘 2 4。如图6 所示,机器人架构基于两个四腿框架或模块,通过两个复杂的关节连接,允许它们彼此相对移动，同时允许整个机器人行走。双框架主体为基础，上层为控制机构，下层为喷砂结构，有利于机器人沿直线或微弯曲路径前进时喷枪旋转进行喷砂。图6 完整的机器人(左)和下/上部模块(右)3Fig.6The com
18、plete robot(left)and the lowerand top modules(right 3不同于传统地滚轮和履带式，该机器人创新地使用了一种基于电磁的“机械腿”，机器人使用带有磁性的机械腿作为运动机构。喷砂工作时，机械腿可以依靠磁性贴附在船体表面，而离开船体表面时，磁铁会退磁，以便于机械腿进行移动。在架构方面，机器人基于两个模块，这两个模块彼此相对移动，运动结构使用了多个轴承和滑轨作为机械腿之间的运动耦合。这种运动耦合方式允许两轴之间的相对线性位移,以及两轴之间的相对旋转，使得机器人能够完成前进、改变方向和水平移动。爬壁平台的运动部件如图7 所示。第一个复杂关节由S1和S3滑块
19、和被动R1关节组成,这只是一个轴承。第二个由S2和S4滑块以及与R1类似的被动R2关节组成。除 S4外,所有4个滑块均由气动线性致动器驱动，S4被动。下部模块有4个支腿,由线性致动器(T5T8)驱动,并通过球窝接头(BS5BS8）在其底部与磁铁连接。这种耦合方式允许磁体适应船体表面的小角度偏差，从而增加其抓地力。该模块具有一个双作用线性致动器,用于驱动滑块 S3,滑块 S3相对于 S4对齐安装。两个轴承（R1和R2)安装在这两个元件（S3和S4）上。这些R1和R2接头通过其顶端连接到安装在上框架上的S1和S2滑块，从而将两个模块连接在一起以允许两个模块之间沿两个轴线的相对线性位移，以及模块之间
20、的相对旋转。这些模块共同作用实现机器人的基本运动能力。应用力学学报顶部模块是由刚性矩形结构形成的框架,其具有位于矩形顶点处的4个致动腿。它们与下部模块的支腿相同。它还提供了两个平行的线性致动器，驱动沿着矩形框架的两个平行侧移动的 S1和 S2滑块。当一起致动时，这些致动器负责机器人在船体上的垂直运动，当独立致动时负责模块之间的相对旋转性能。在这些致动器中，滑块中的气动制动系统防止一个模块相对于另一个模块的垂直位移。当一个模块移动时，另一个模块通过其四条腿与船体相连。如果发生电源故障,腿执行器中的空气被清除，所有八只脚都放在地面上，将机器人连接到船体上。在移动之前，每个模块都会消磁并收回腿。为了
21、防止模块耦合处出现不受控制的力矩，每个磁体旁边都有一个机械支撑元件，该元件由一个带有球形轮的腿组成。SBS2S1T1BS1T5BS5由于船体是一个三维表面，为了使机器人正常工作,有必要修正机器人沿其路径的轨迹。即通过向驱动滑块S1和S2的致动器引人指令的差异，在机器人路径中引人小转弯而不损害其致动。机器人正常作业不需要进行大转弯，然而，在某些情况下，机器人需要急转弯。这些类型的转动可通过以下方式实现：底部模块固定，顶部模块松开，滑块S1和S2沿相反方向移动；然后将顶部模块固定到表面,释放底部模块；之后,S1 和S2幻灯片一直向后移动（或者，无论需要多远，在图中仅为一半）。此时，机器人已转过37
22、 左右。根据需要重复该操作多次，就可以完成所需的转向角。考虑到机器人必须在铁磁表面上移动，研究人员还选择了基于永久磁铁的固定系统 2 5。如前所投稿网站：http：/c j a m.x j t u.e d u.c n 微信公众号：应用力学学报第41卷S2R2S4R1S3T6BS6图7 机器人运动结构示意图Fig.7Robot kinematics diagramT8BS7T4BS88BS4T3BS3第1期述，在系统发生故障时，这样的固定元件比其他选项（如电磁铁或基于真空的固定元件）更安全，因为这些其他方法都不能保证机器人在完全失去能量供应时不会坠落 2 6 2负压吸附类负压吸附的原理是通过施加
23、反向推力以将机器人附接到船体 2 7 。这种吸附结构很简单，因为它可以应用于所有类型的浸没表面 2 7 。负压吸附是水下作业的主要方式。船满载时，机器人只能清洁到水线的区域。真空吸收适用于水下和无水环境。然而，船体的形状很复杂，无法确保相同的密封性,水下或空气中所需的吸收力也明显不同。此外，与干船坞或地面上的船体相比，海上船舶的水下区域更难维护，尤其是船体底部区域，这些区域的清洁维护机器人往往采用负压吸附作为爬壁平台。2.1螺旋桨式螺旋桨式负压吸附是应用最广泛的吸附方式之一,难度低,容易实现 2 8 ;然而，当机器人靠近船体壁时,螺旋桨的吸附效率很低，流体噪音特别大，容易对机器人的工作造成干扰
24、 2 9中国海洋大学的研究人员利用伯努利负压产生机制设计了一种负压吸附式水下攀爬机器人“UCRobot”30。与其他水下攀爬机器人相比，该机器人具备相当的抗干扰能力，实现了更高的吸附性能。UCRobot的机械结构如图8 所示。它由9 个主要模块组成，包括主框架、CRPs、姿态调节模块、运动模块、船体清洁模块、控制和驱动模块、压力传感模块、通信和定位模块以及检查模块。图8 展示了该机器人的运动模块及工作流程。姿态调整模块吸附漂浮移动图 8 UCRobot 的机械结构 30 Fig.8 General views of the UCRobot operation 30张永杰，等：船用机器人爬壁平台
25、研究进展能正常工作。2.2真空吸附另一种应用较广的吸附方式为真空吸附,即利攀爬和清洁用吸盘内外的压力差将机器人推到船体表面。由于船体表面充满了不均匀的海洋生物或缝隙，因此在吸盘软橡胶周围发生密封泄漏的情况下，机器人很投稿网站：http：/c j a m.x j t u.e d u.c n 微信公众号：应用力学学报29姿态调整模块包括4个水平放置的推进器，这些推进器垂直固定在机器人周围。这4个推进器控制机器人的偏航和俯仰姿态，以确保稳定和垂直状态。CRPs系统由两组同轴螺旋桨组成,由无刷电机驱动。这些螺旋奖将沿相反方向旋转。当机器人漂浮时,CRPs推动机器人前后移动。当机器人靠近船体时,CRPs
26、旋转并驱动机器人通过伯努利负压抽吸装置吸附到船体表面。当机器人附着在墙上时，移动模块控制机器人的向前、向后和转向运动，并确保机器人保持稳定的运动。当机器人进入水中时，重心（GC）和浮力中心(BC)位于垂直方向的上下位置。当朝向船体表面航行时，机器人首先通过姿态调节模块调节其俯仰角和偏航角姿态，因为它受到牵引索的流体动力信号影响。CRPs系统和姿态调整模块随后驱动机器人向前移动并接近船体。在清洁过程中,CRPs做出反应并驱动机器人黏附在船体表面。此后,移动模块驱动机器人在表面上移动清洁系统清洁污垢。研究人员对爬行机器人进行了数值模拟，计算得到吸附力F与间隙距离h有关。在小间隙的情况下,吸附力F随
27、着间隙距离h 的增加而急剧增加;在较大的间隙距离h值时,F随着间隙的增加而减小;但当间隙距离h增加到一定距离时，所产生的吸附力F不会随着间隙距离h的增加而显著降低。值得一提的是，机器人底板和船体表面之间的间隙距离决定了机器人克服障碍的能力。在这种情况下，研究人员发现可以通过增加间隙距离h来增强机器人克服障碍物的能力,因为即使在大的间隙下,吸附力依旧能够保持在高水平以进行吸附。研究发现,如果想让机器人高效率地工作,吸附力必须保持在一个适当的范围内。如果吸附力太大,机器人将因过度摩擦而难以移动。但吸附力不足,机器人又不足以吸附船体表面，极易脱落。此外，机器人还容易受到来自水和拖电电缆的外部影响。因
28、此,螺旋桨式吸附结构必须配备优秀的控制和机械系统 3132 ,实时精确地调节吸附力，机器人才30难将自已吸附到船体表面。这种缺点限制了真空吸附机制在相对无孔、无间隙和光滑表面上的应用。并且由于真空吸附的吸附力无法调整，这对机器人的运动控制提出了挑战。与电磁吸附方法相比，真空吸附机制更适合开发用于清洁、喷漆和检查任务的高有效载荷携带爬墙机器人 3。印度理工大学的研究人员提出了一种真空吸附式爬墙机器人 34，该机器人通过诸如皮带、转向、带被动和主动吸入的导轨等机构，可连续运动、黏附，以及敏锐转向，高效覆盖工作区域。且吸盘内的真空控制无需使用电磁阀，降低了机器人的整体重量和电力消耗。如图9所示,机器
29、人由皮带机构两侧的两对前后履带轮驱动。GFCR的组件包括四对前后履带轮（左侧和右侧）、两个正时皮带机构（左侧和右侧）、以及滚刷和转向机构组成的底座平台。滚筒清洗刷臂的尾端通过被动蜗壳接头与机器人底板相连。带齿轮机构的驱动电机与相应的机构连接，用于各种所需的机器人运动。如图10 所示,GFCR的转向机构有一个固定部分连接到机器人底板上，另一部分可借助一对丝杠和齿圈和小齿轮机构的组合来移动。带丝杠机构的行星齿轮系在爬升时提供所需的转向动作以及机器(齿轮比为5:2)柔性PU管应用力学学报人的主动和被动吸力附件。GFCR的急转是通过激活转向机构的圆形吸盘内的真空以黏附在玻璃墙表面来完成的。机器人本体可
30、以通过控制带有行星齿轮系或皮带的相反运动来控制连接的电机，从而自由转动转向机构。转向机构设有旋转接头机构，以避免连接多轮吸盘的气动管缠结。直流齿轮/电机清洗机构(a)俯视图左定时带机构旋转接头连接回转运动玻璃表面附着力(b)正视图图 9 CFCR 设计图 34 Fig.9 Design and mechanisms of the proposed CFCR34导螺杆机构与旋转推入接头行星齿轮的真空连接柔性PU管第41卷机器人基地直流减速电机履带轮机构清洗机构转向轴右定时带机构()等距视图减速电机吸盘安装平台与滚柱轴承联动的旋转接头圆形吸盘(a)底视图图10 清洁机器人的转向机构 34Fig.1
31、0 Steering mechanism of the cleaning robot 34皮带机构使用电动履带轮为机器人提供运动，椭圆形扁平吸盘的主动和被动真空作用可以使机器人牢固地黏在工作表面。导轨机构以及黏合机构与橡胶同步带的机械联动,产生了椭圆形扁平吸盘内部的主动/被动真空；而连杆根据皮带通过导轨向玻璃壁表面的运动压下和拆卸吸盘，以产生被动吸力。3仿生类在自然界中,每一种生物都有其独特的形投稿网站:http:/(b)等轴测视图态 3,，节肢动物和爬行动物等多种生物利用不同的肢数、附着机制和身体形态在垂直基质上移动 36-8 ,，其方式可与平地跑媲美 39。同时,对不同的动物进行研究,也发
32、展出相应的不同攀爬策略40 1。科学家们很早就从爬行和节肢动物的爬壁运动方式上寻找机器人的设计灵感。AUTUMN对壁虎的爬壁方式做了详细分析，表明了壁虎的仿生学原理,HAYNES等 41 针对仿真机器人的步态和步态过度进行了相关研究，为后续的仿生足设计奠定了运动学基础;GOLDMAN等 42 在壁虎攀爬机制的基础微信公众号：应用力学学报第1期上,针对蟑螂的快速攀爬作动力学分析,并提出了一个快速腿部攀爬动力学模板。通过对这些动物的爬壁运动方式进行仿真，并运动到机器人爬壁平台的机械结构设计中，设计出的爬壁机器人往往具有集中高效的机械结构和优异的爬壁性能 43 。3.1爪齿仿生型宾夕法尼亚大学大学的
33、研究人员在已有的研究基础上 41,4,进一步研究并发展了仿真机器人的理论 45，对动力冲程系统的内部垂直动力学进行了分析,依据壁虎和蟑螂的足运动特性 46 ,设计了一种新型的仿真爪齿型爬壁机器人 45爬壁机器人由一个刚体和两个带弹簧的线性移动臂组成。如图11所示，最终的机器人具有两个电机，每个电机驱动连接在手臂上的曲柄滑块机构。在模拟中,每条腿都有一个与曲柄滑块平行的储能弹簧。每只脚还配有一对与驱动机构串联的被动手腕弹簧。这些被动的手腕弹簧连接到手臂，并在站姿阶段开始时伸出，以减轻机器人上的负载力。重型部件（如电机和电子设备)位于曲柄下方，以便根据模板的理想质量分布将COM定位在较低位置。被动
34、式手腕弹簧储能弹簧电机、CPU和驱动电子图11 仿真爪齿型爬壁机器人结构图 45Fig.11Diagram of the structure of simulation ofclaw-tooth type wall climbing robot 45机器人的框架最初由ABS塑料制成，之后改为由机加工铝制成。传动系统由锥齿轮副、滑轮副、滑块(钢轴和线性轴承)和铝连杆组成。双臂的伸展角度可通过多种预先设置进行调整，包括设置为10,对应于壁虎和蟑螂使用的有效蔓延角。为了尽张永杰，等：船用机器人爬壁平台研究进展爪四杆连杆机构滚动稳定杆图像处理标记投稿网站：http：/c j a m.x j t u.e
35、 d u.c n 微信公众号：应用力学学报31量减少平面外的滚动，机器人还配备了一个滚动稳定杆,如图11所示。该杆在两侧横向延伸2 0 cm，减少侧倾，近似于多个支腿的功能。爪上附着的弯曲齿为机器人的攀爬运动提供了一种简单的机械实现方式，即当腿被向下拉时，爪齿与钢板接触吸附，当腿被向上推时，爪齿从钢板上脱离。同时机器人后部具有轻微俯仰角，确保伸出的脚比缩回的脚要更靠近墙壁，使得机器人在略微减少有效步幅长度的条件下帮助机器人更好地完成攀爬,尽管简单但普遍且有效，但这种被动连接机制有时会导致机器人在攀爬中失去立足点，可以考虑后续增加手部的致动器，提高攀爬运动的可靠性并提供吸附和分离阶段的控制。这项
36、关于爬壁机器人的研究对后续仿生吸附类平台的开发提供了很多理论依据，他们不仅研究了增加的攀爬速度对能够附着在光滑表面上的脚的附着和分离的影响；实现更高的速度,在不增加设计复杂性的基础上适当利用运动动力学提高机动性。然而，这项工作并不完整，后续还需要得到更多改进。一是需要在这项研究的基础上添加更多仿生部件，以实现一个真正实用的、可以在多个表面和具有不同几何形状的基板上操作动态机器人。二是未来的理论工作需要充分理解机器人的物理结构和控制方案如何相互作用，以改善其横向稳定性 47 。在该机器人的运行过程中,大多数故障都是由于侧倾稳定性不足造成的,机器人偶尔会侧倾，使其仿生足稍微从墙上起，并无法正常吸附
37、。3.2星壁虎仿生型武汉理工大学的研究人员设计了一种在墙面上移动的仿生壁虎 48 。仿生壁虎采用仿真吸附的附着方式，使其在墙面上灵活完成连续运动，具有良好的坚固性。针对仿生壁虎系统在墙面和地面上受重力影响而产生的运动特性差异,对仿生壁虎进行了定量静力学和流体动力学分析，为仿生壁虎力学结构设计提供有效指导。研究人员以壁虎为研究对象，以壁虎的爪子吸附、腿部运动和身体的灵活扭转为模仿对象，设计了一款仿生壁虎爬壁机器人并建立了可实现的模型。如图12 所示，壁虎的腿部有3个关节：关节1连接身体和大腿，关节2 连接大腿和小腿，关节3连接小腿和脚底。其中，关节1可以实现壁虎身体平32面旋转（腿）和垂直于身体
38、在平面（腿）中的旋转,关节2 可以实现腿平面的形式在大腿和小腿之间旋转（伸缩腿），关节3可以实现小腿和脚之间的灵活旋转，可以使壁虎爬行适应不同的表面。一关节3关节2关节1应用力学学报圆盘舵机卡盘第41卷限制套筒摇轴旋转工作台图14移动模块示意图 48 图12 壁虎腿部关节图 48 Fig,12 Sketch of gecko leg joint48通过对壁虎的动作进行仿真分解，设计出相似的机械结构功能。主要将壁虎的爬行动作分解为以下步骤。腿部伸展：模仿真壁虎腿的摆动，通过齿轮组、机、碳纤维连杆等仿生壁虎腿的部件，实现伸展动作 49。如图13所示，齿轮由舵机驱动，通过舵机固定在方向盘上旋转驱动齿
39、轮，齿轮带动连杆在X方向运动，靠近舵机头的头部带动其他齿轮，在另一个齿轮驱动和平行连杆之前带动连杆旋转，实现Y方向的运动，通过控制两个舵机旋转，实现两个自由度的运动,模拟真壁虎腿的多自由度运动，舵机带动齿轮组旋转，再带动连杆来回摆动，实现壁虎前后运动。齿轮组Fig.14 Schematic diagram of moving module mechanism 4s)当壁虎需要与壁解吸时，它的脚趾向外弯曲，然后折叠打开，减少了刷毛与壁之间的接触面积，从而减少了足底与壁之间的范德华力，从而实现了足底与壁之间的解吸。壁虎依靠这种独特的由内而外的脚趾机制来实现墙壁上的快速运动。吸附模块的作用是将机器吸
40、附在墙上，是仿生壁虎爬墙的重要模块。如图15所示，吸附模块主要由鞋底、连杆、圆柱销、轴承等组成。当机器要实现抬腿运动时,舵机带动摇臂带动转盘上下移动,转盘的垂直运动使脚底起。此时,鞋底在墙上的吸附面积减小,更容易将鞋底与墙体分开。同时,转盘的支脚和下部可以通过轴承实现36 0 自由旋转。摇轴小腿卡盘大腿圆柱销转台脚底图 15 吸附模块结构 48 图13伸展模块模型图 48 Fig.13Extension module model drawing脚球的提升运动如图14所示。移动模块由舵机、摇臂、限位套、滑动轴承、鞋底等组成。真壁虎关节1的垂直运动由仿生壁虎关节3通过舵机的驱动力实现，其双脚随躯干
41、垂直移动，实现壁虎腿抬起。垂直运动是通过转向器旋转和摇臂实现的。Fig,15 Adsorption mechanism model48.48依据壁虎等仿生学原理设计的爬壁机器人在相关领域独树一帜，但在国内相关的研究比较稀少。大多数研究人员只给出了一定的理论依据，离运用到实际生产还有很长的一段距离,其吸附能力、实际的工作效率以及在复杂曲面上的工作能力,还需要通过实践检验给出结果 50-51。投稿网站：http:/德微信公众号：应用力学学报第1期4总结和展望本研究概述了用于船用攀爬机器人附着到表面的特殊设计,重点介绍了目前正在开发的实现这些目标的新结构设计。船用攀爬机器人与一般攀爬机器人的设计差异
42、如表1所示。如表2 所示，每种吸附方式、吸附平台都有自己独特的特点，也有着不同的限制和缺陷。由于磁铁的重量,磁性机器人很重，只能在铁磁表面上使用；基于真空吸附的机器人重量轻，易于控制,但由于压缩空气泄漏，它们不能用于开裂的表面；受生物启发的机器人仍处于开发阶段，因为新材料正在测试并有待改进。目前尚未出现一种能够完美覆盖船体工作环境要求的爬壁平台。爬壁机器人的攀爬运动同时也是力学问题，机器人的设计在注重及机械结构设计的同时，更应当对其运动理论深入研究模拟，利用运动学理论、分析模型、简化模型指导爬壁机器人的设计 52.3。Tab.1 Design comparison between marine
43、 robot and general robot adsorption platforms对比项目吸附对象主要以船体表面为吸附对象；材质一般为常用钢板；船体分段高大、形状工作表面较为复杂；材质多变。不规则。工作环境一般为船壳，船体表面工作；部分机器人为水下工作；粉尘多、工作环境恶劣、干扰大。工作目标保证在喷冲作业时，仍能稳定作业；表面吸附能力是设计中的重要性能。表2 不同吸附方式的优缺点Tab.2 Advantages and disadvantages of different adsorption methods吸附方式磁吸附有效载荷能力强。负压吸附常应用于水下工作；耗能低，工作原理简易；
44、吸附力强。仿真吸附爬行速度快，灵活性最强；吸附方式灵活多变；可塑性强。参考文献：1 HAN L C,WANG L M,ZHOU J H,et al.The development status ofship wall-climbing robot C /2021 4th International Conferenceon Electron Device and Mechanical Engineering（I C ED M E).Pi s-cataway,NJ,USA:IEEE,2021:231-237.2 HUANG H C,LI D H,XUE Z,et al.Design and pe
45、rformance anal-ysis of a tracked wall-climbing robot for ship inspection in ship-张永杰，等：船用机器人爬壁平台研究进展一定的灵活性。表1船用机器人与一般机器人吸附平台的设计对比船用机器人厂舒适。一般不需要太强的吸附能力。优点缺点灵活性,具有一定的越障能力；适应性高，能在复杂曲面工作；潜在风险高；重量大,耗能较高；易吸引粉尘。易受外界干扰；越障能力有待加强；对工作表面要求高。目前尚处于理论阶段；稳定性不足。building J.0cean engineering,2017,131:224-230.3SSOUTO D
46、,FAINA A,DEIBE A,et al.A robot for the unsupervisedgrit-blasting of ship hulls J.International journal of advanced ro-botic systems,2012,9(3):82.4YI Z Y,GONG Y J,WANG Z W,et al.Development of a wallclimbing robot for ship rust removal C/2009 International Con-ference on Mechatronics and Automation.P
47、iscataway,NJ,USA:IEEE,2009:4610-4615.5】ENJI K A L A YI L A BD U L K A D ER R,VEER A JA G A D H ESW A R P,投稿网站:http:/德微信公众号：应用力学学报33结合国内外研究成果，船体表面限制、其他行业要求和对各爬壁平台的分析，目前爬壁平台的通用问题是吸附力不足和稳定性不足。爬壁机器人的未来设计应注意以下几个关键特征。通用性：由于船体表面和其他水下平台具有不同的形状、面积和材料，理想的水下吸附机器人应尽可能通用,并能够适应可能遇到的大多数表面或平台,具有一定的越障能力。鲁棒性：机器人的工作环境
48、极易受外界干扰。此外,机器人工作条件，即船体表面条件，对吸附力的影响也很大。因此,吸附机构应能够以足够的力将机器人拉到表面上，该力可实时调节，对复杂多变的环境具有鲁棒性。灵活性：机器人应能在附着和清洁表面时灵活移动。当机器人移动时，其滚动摩擦力取决于作用在机器人本体上的垂直吸附力。为了保证机器人的运动稳定性，由于表面环境的复杂性，必须使机器人的吸附力保持在可控和适用范围内的同时,还具有需要根据具体工作环境判断；一般工作环境相比船一般机器人34HTET LIN N,et al.Sparrow:A magnetic climbing robot for autono-mous thickness
49、measurement in ship hull maintenance J.Journalof marine science and engineering,2020,8(6):469.6FENG X B,TIAN W,WEI R,et al.Application of a wall-climbing,welding robot in ship automatic welding J.Journal of coastal re-search,2020,106(S1):609-613.7 POGGI L,GACGERO T,GAIOTTI M,et al.Robotic inspection
50、 ofships:Inherent challenges and assessment of their effectivenessJ.Ships and offshore structures,2022,17(4):742-756.8SCHMIDT D,BERNS K,Climbing robots for maintenance and in-spections of vertical structures:A survey of design aspects and tech-nologies J.Robotics and autonomous systems,2013,61(12):1
