這種走位你見過嗎？全角度翻轉，西南科大爬壁機器人玩轉物理空間

爬壁機器人早不是什么新產(chǎn)物。

建筑物、儲罐、橋梁、盾構機.....這些垂直表面場景的檢測和維護需求一直在漲，把機器人掛上去干活，替代人爬高下低，已經(jīng)是明確的行業(yè)趨勢。

但問題在于，磁吸附的、真空吸盤的、仿生爪刺的，無論硬體還是軟體，都還有個坎沒過。

硬體機器人的問題很直接：身子太硬。焊縫、加強筋、直角拐彎，碰上就卡殼。

軟體機器人確實解決了“硬”的問題，材料柔軟、能變形，適應性更強。但他們的承載能力有限，負載稍大就變形；控制精度難做，想讓它彎到某個具體角度，得花不少功夫。

最近，西南科技大學制造科學與工程學院臧紅彬教授團隊在軟體機器人領域國際知名期刊《Soft Robotics》上發(fā)表的一項研究成果“A Collaborative Flipping Continuum Wall-Climbing Robot with Integrated Drive and Function”，給出了一種不一樣的解法：連續(xù)體結構。

西南科技大學機械專業(yè)2023級碩士研究生諶業(yè)輝為論文第一作者，臧紅彬教授為論文通訊作者。該研究為提升爬壁機器人在大型關鍵設備復雜鋼結構表面多模態(tài)運動及其受限環(huán)境下運維作業(yè)提供了新的解決方案，具有重要學術價值和工程應用潛力。相關研究得到四川省科技廳高新領域重點研發(fā)計劃項目和西南科技大學研究生創(chuàng)新基金資助項目的支持。

這個機器人用一串剛性關節(jié)模塊串聯(lián)而成，靠腱繩驅動，最大能彎387°。它能實時調(diào)節(jié)翻轉步幅，狹窄空間里把自己“折”起來，空曠地帶把步子邁大。垂直壁面承載520克（約自重），還能多機協(xié)同作業(yè)。

01.

模仿象鼻子：關節(jié)串聯(lián)設計，軀干能彎387度

大象的鼻子能卷起一棵樹，也能撿起一粒花生米，秘訣就在于其柔軟無比的連續(xù)體結構。研究團隊從中汲取靈感，把機器人的軀干做成象鼻子。

于是，一款【翻轉連續(xù)體爬壁機器人】誕生了。

該機器人的結構設計靈感來源于尺蠖的結構特征和大象鼻子運動的靈活性

連續(xù)體機器人的核心是軀干。目前主流連接方式有兩種：球形關節(jié)和萬向節(jié)。

團隊對比下來選了萬向節(jié)。原因有二：一是摩擦小，驅動腱繩需要的拉力更低；二是能保證軀干軸向定位，質(zhì)心分布更均衡。

最終方案是：整個軀干分三段，每段由兩個關節(jié)模塊串聯(lián)，模塊之間用萬向節(jié)連接。單段關節(jié)組最大彎曲129°，整條軀干能彎387°，對折再對折還能再繞一圈。

翻轉式連續(xù)攀爬機器人的總體結構和控制系統(tǒng)示意圖

為了保證彎曲精度，他們用了“分段驅動”策略：每段關節(jié)組獨立控制，避免長距離腱繩傳動帶來的摩擦累積和收縮不均。

02.

電磁腳：2毫米厚度鋼板就能吸住

這個機器人如何爬壁？吸附方式選的是電磁鐵。相比永磁體，電磁鐵的優(yōu)勢是控制簡單：通電吸、斷電放，便于快速切換吸附狀態(tài)。

選型結果是一枚額定電壓12V、保持力15kg的螺線管（KK-P30/25）。

團隊還做了個吸附性能測試：把電磁腳往不同厚度、不同材質(zhì)的鋼板上懟。Q235鋼（相當于ASTM A36）、35#鋼（AISI 1035）、45#鋼（AISI 1045）輪著試。結論是：2毫米厚的鋼板就能穩(wěn)穩(wěn)吸住。

這意味著它能在絕大多數(shù)工業(yè)設備表面作業(yè)，不用擔心“吸不住摔成渣”。按團隊測算，垂直壁面上最低需要80N法向吸附力、25N剪切吸附力，這枚電磁鐵在2mm鋼板上的表現(xiàn)完全覆蓋。

不同材料厚度下電磁鐵在 Q235 鋼、35# 鋼和 45# 鋼表面上的法向和剪切吸附力

03.

實測驗證：鉆洞、轉向、越障、跨平面樣樣行

為驗證機器人的作業(yè)能力，研究團隊在實驗室里設了一系列關卡。測試按三個層次展開：先看基礎運動能力——攀墻、轉向、跨平面、越障、負載；再看復雜環(huán)境適應能力——鉆洞、窄縫移動；最后是進階的變半徑翻轉能力。

攀墻：在垂直壁面上向上翻轉時，軀干中部的關節(jié)組首先彎曲，主動縮短軀干長度，將重心拉近墻面，從而減小重力扭矩的不利影響，順利完成向上翻滾。

轉向：在垂直壁面上完成轉向運動，最小轉彎半徑15厘米（0.37倍體長），最大轉彎半徑26厘米（0.63倍體長）。

跨平面：從一個垂直墻面翻轉到另一個與之呈270度夾角的水平面，軀干彎曲速度3.75°/秒，完成跨越。

越障：面對墻面上長12厘米、寬7.2厘米、高8.5厘米的障礙物，它通過控制軀干關節(jié)組彎曲超90°，主動縮短軀干、改變運動空間，成功翻越后從垂直面過渡到水平面。

負載能力：垂直壁面上有效負載520克，約等于自重（約510克）的1.02倍。

鉆洞：直徑15厘米的小圓孔（約0.37倍體長），機器人軀干彎成Ω形，兩端的吸附模塊精準吸在薄板另一側，絲滑通過。

窄縫移動：寬度11厘米的垂直通道（0.27倍體長），正常翻轉步態(tài)施展不開，切換成“扭擺模式”——左右蠕動，交替吸附兩端的磁腳，從“一線天”里爬了出來。

復雜環(huán)境適應性：在三個相互垂直的內(nèi)表面之間連續(xù)運動，通過控制各關節(jié)組的彎曲和偏轉角度，調(diào)整軀干以適應非結構化的空間。

變半徑翻轉：通過控制軀干中部關節(jié)組的彎曲角度，實現(xiàn)翻轉半徑的連續(xù)調(diào)節(jié)。最小翻轉半徑13.5厘米（0.33倍體長），平均速度3.68毫米/秒；最大翻轉半徑26厘米（0.63倍體長），平均速度5.2毫米/秒。

04.

組團干活：單打獨斗不夠？那就組團上

單機能力之外，團隊還驗證了多機協(xié)作。

兩個機器人可以串聯(lián)，變成一條更長的“機械蛇”。串聯(lián)后從35厘米高的平臺上翻下來——這高度是單機翻不過去的坎。它們交替當支點，穩(wěn)穩(wěn)把自己從高臺“放”到地面。

也可以并聯(lián)，組成“雙體機器人”一起搬運重物。1.1公斤的東西，協(xié)同行走，穩(wěn)當可靠。

這種“串并聯(lián)”思路在連續(xù)體機器人里不算多見。串聯(lián)增加長度、并聯(lián)增加力氣，給后續(xù)集群作業(yè)留了想象空間。

現(xiàn)有翻轉機器人和軟壁攀爬機器人的性能比較

05.

結語

當然，這款機器人還在實驗室階段。

此次西南科大團隊給出的方案是：剛柔結合的連續(xù)體軀干+電磁吸附+變半徑翻轉。目前是開環(huán)控制，靠遙控器發(fā)指令，但已經(jīng)驗證了它在復雜環(huán)境下的基本運動能力。

這套“剛柔結合+翻轉步態(tài)”的思路，給爬壁機器人在復雜、非結構化和受限環(huán)境中執(zhí)行救援、檢查、作業(yè)和偵察等任務提供了新解法。

但團隊也坦言，還有幾個坎要過：

一是軀干剛度。現(xiàn)在的軀干夠靈活，但想讓它干精細活、背重物，還得再硬一點。下一步會用高剛度彈簧、縮短軀干長度來提剛度，提升承載能力和末端控制精度。

二是控制精度。目前靠“減少單段關節(jié)數(shù)量+縮短腱繩長度”來緩解，但沒法根除。后續(xù)要研究基本步態(tài)動力學，開發(fā)針對性控制算法。

三是自主能力。現(xiàn)在還是遙控，下一步要加環(huán)境感知，讓它能在非結構化環(huán)境里自己走。

從實驗室到工程現(xiàn)場，還有一段路要走。但至少，方向是清晰的。未來該機器人的進化值得期待！

論文鏈接：https://doi.org/10.1177/21695172251400148