陳明豪CHEN Ming-hao；王卓WANG Zhuo；楊皓宇YANG Hao-yu；劉曉陽LIU Xiao-yang

（河北科技大學機械工程學院，石家莊 050018）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟迅速增長，人民生活水平的日益提高，為接軌“十四五”規(guī)劃要求，政府逐步加強基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，由此電線桿、指示牌等桿類數(shù)量激增。傳統(tǒng)桿類設(shè)施的維護主要依靠人力勞作解決。在傳統(tǒng)的登高作業(yè)中，施工工人通常以“腳扣”為輔助工具，攀爬到作業(yè)點。一般情況下，“腳扣”是較為便利的，但對施工工人控制平衡的能力要求較高，工人在作業(yè)時要是不夠?qū)Ｗ?，出現(xiàn)暈眩，就會有墜落的風險。將仿生爬桿機器人應用于高空作業(yè)中，減少工人登高過程中消耗的體力和精力，避免事故發(fā)生，提高施工工人高空作業(yè)安全系數(shù)。因此，研究仿生自動爬桿機器人用來改善施工工人的勞動環(huán)境或替代人類進行高空作業(yè)，提高勞動生產(chǎn)率和安全性，為需高空作業(yè)的行業(yè)帶來一次革命很有必要。

1 仿生爬桿機器人分類

仿生爬桿機器人屬于第三代機器人——智能機器人中的一種，是通過模仿自然界中部分生物的形狀結(jié)構(gòu)、運動特征和行為方式等，從而能應用于實際生活、代替人類工作的爬桿機器人。從仿生學角度出發(fā)，可將爬桿機器人分為仿尺蠖式、仿蛇形、仿熊式等。

1.1 仿尺蠖式爬桿機器人

這類機器人設(shè)計原理為仿生蠕動原理，通常由幾個模塊組成，機器人兩端手爪與桿件直接接觸，使機器人能牢固地附著于物體表面；兩端手爪間一般為曲柄搖桿機構(gòu)連接，實現(xiàn)蠕動的攀爬步態(tài)。這類機器人能夠適應不同直徑或變徑的桿類物體，并且可順利通過法蘭盤等障礙物，有較好的越障能力；但是對其運動的控制比較復雜，需要進行運動學分析，計算出運動方程，才能達到精準控制機器人的步態(tài)[1]。

1.2 仿蛇形爬桿機器人

仿蛇形爬桿機器人一般采用多個機構(gòu)環(huán)抱桿件來維持其附著在桿件上，參考仿蛇運動六步態(tài)，通過纏繞軟體執(zhí)行器與桿件之間的摩擦力作為驅(qū)動力，實現(xiàn)機器人爬桿的功能。該類機器人擁有較快的爬行速度，其中的仿蛇纏繞軟體爬桿機器人制作簡單，控制簡易，能適應不同摩擦度表面的各類桿件，但受材料限制，負載較小，在攀爬過程中只能攜帶有效載荷，無法跨越法蘭盤等障礙物[2]。

1.3 仿熊式爬桿機器人

這類機器人根據(jù)熊的攀爬特性，類似于爪式爬桿機器人，通常以上下兩層機械手作為抱緊機構(gòu)，采用連桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)折疊和伸展，達到攀爬的效果[3]。通過改變機械手的尺寸來適應不同桿徑的桿狀物，與現(xiàn)有爬桿機器人相比，有更好的負載能力，但由于依賴連桿機構(gòu)實現(xiàn)伸縮，缺乏連續(xù)性。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

仿生爬桿機器人是目前機器人發(fā)展的一個重要領(lǐng)域，這類爬桿機器人區(qū)別于平面爬行機器人，其需要克服重力作用，依附在垂直面或陡壁上并自主移動，代替人類完成高空作業(yè)。自二十世紀中期仿生機械興起以來，國內(nèi)外學者就開始了對爬桿機器人的研究，并取得了一定成果。

2008 年，王曉光、陳明森等設(shè)計出一種仿生蠕行式且適應變直徑桿的爬行機器人[4]，如圖1 所示。該機器人模仿人爬樹的動作，可以適應小傾角變直徑桿件。09 年，程光明、朱志偉等人仿真出一款同樣仿尺蠖步態(tài)的爬桿機器人[5]，該機器人的兩端為兩組單向自鎖機構(gòu)，其頭部和尾部之間為一個曲柄搖桿機構(gòu)，使其能在定直徑桿上穩(wěn)定爬行，并能較好適應在腰鼓狀變直徑桿攀爬，如圖2 所示。

圖1 蠕行式仿生爬桿機器人

圖2 仿尺蠖步態(tài)爬桿機器人

美國卡耐基梅隆大學[6]曾在蛇形機器人中引入模塊化組合方式，將機器人分成16 個模塊，如圖3 所示，使之實現(xiàn)在空間內(nèi)的移動、翻轉(zhuǎn)以及游水，并可以沿桿翻轉(zhuǎn)扭曲，這是攀爬式蛇形機器人領(lǐng)域中的重大突破。

圖3 模塊化蛇形機器人

以上機器人基本都以剛性機構(gòu)連接，存在缺乏連續(xù)性和靈活性等問題，2020 年，廖冰[7]等人設(shè)計了一種系繩的氣體驅(qū)動的仿蛇纏繞軟體爬桿機器人，如圖4 所示。設(shè)計者受樹棲蛇的纏繞運動啟發(fā)，設(shè)計2 個纏繞軟體執(zhí)行器替代蛇的頭部、尾部和1 個伸縮軟體執(zhí)行器替代蛇的身體。通過運用仿蛇運動六步態(tài)，使得機器人能負重500g，并以每秒0.193 倍自身體長的最大速度在垂直方向上攀爬，能適應不同摩擦度表面、變直徑和各種形狀的桿件。

圖4 仿蛇纏繞軟體爬桿機器人

2020 年，林琦峰、陳勇[3]等人仿真出一款仿樹袋熊爬桿機器人，如圖5 所示，該機器人的抱緊結(jié)構(gòu)為上下兩端的機械手，區(qū)別于以往的連桿機構(gòu)，采用齒輪齒條嚙合控制機器人的升降。通過模仿樹袋熊的攀爬特性，讓機器人具有更好的靈活性，解決了輪式爬桿機器人的越障困難，改良了爪式爬桿機器人的抓取方式，為機器人普遍存在的負載較小的問題提供了解決方案。

圖5 仿熊式爬桿機器人的結(jié)構(gòu)示意圖

RiSE 系列攀爬機器人是由美國伊利諾伊理工學院、卡耐基梅隆大學、斯坦福大學及賓夕法尼亞大學等[8]聯(lián)合研發(fā)設(shè)計的一種機器人，如圖6 所示。該系列機器人采用六足仿生攀爬，能很好地在平面及曲面結(jié)構(gòu)上運動，它腿的端部有尖銳的鉤爪結(jié)構(gòu)，可以使機器人穩(wěn)固地附著于桿狀物表面。09 年，由設(shè)計師Boston Dynamics 等設(shè)計的Rise v3[9]，如圖7 所示，是rise 系列的一個重大突破，該機器人以狗為仿照對象，設(shè)計有四足，腳部使用外科手術(shù)針為材料使其能在垂直物體上移動。Rise v3 能以21cm/s 在木制線桿上攀爬，攀爬速度為當時世界第一。

圖6 RiSE

圖7 Rise v3

3 仿生爬桿機器人的存在問題及發(fā)展趨勢

目前，雖然國內(nèi)外已設(shè)計出多種仿生爬桿機器人，但都存在各自的缺陷。例如，未設(shè)計攜帶工作設(shè)備的空間，僅能實現(xiàn)單一的爬桿功能，導致功能種類不齊全，只能適用于小范圍的工作環(huán)境；機器人靈活性和穩(wěn)定性不佳，在越障方面的問題仍未得到解決；由于其學科交叉性，許多機器人僅能做到“形似”，仿生對象的許多能力不能精準的表現(xiàn)出來。

但隨著近幾年科技的不斷發(fā)展，人們在驅(qū)動、傳感和控制軟硬件[10]等領(lǐng)域有了極大發(fā)展，同時人們對于爬桿的一些特殊功能的需求也刺激了爬桿機器人的發(fā)展，經(jīng)過多方驗證，筆者將仿生爬桿機器人的未來發(fā)展趨勢歸納為以下幾點：

①新型仿生爬桿技術(shù)。目前存在的仿生爬桿機器人的爬桿方式缺點明顯，對于攀爬變徑桿和跨越障礙物等復雜問題的處理仍顯乏力，因此加深對生物結(jié)構(gòu)的研究并充分結(jié)合現(xiàn)代科學技術(shù)應用于機器人是當前仿生爬桿機器人發(fā)展的一個重要領(lǐng)域。自然界生物經(jīng)過35 億年的不斷進化，部分生物已經(jīng)具有最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)、強大的適應能力和靈活的攀爬特性，由于對生物本質(zhì)的認知不夠深刻以及未能充分掌握并利用現(xiàn)有科學技術(shù)，導致現(xiàn)有仿生爬桿機器人數(shù)量較少、應用有限，故將現(xiàn)代機構(gòu)學和機器人學的新成果應用于機器人運動特性的研究，實現(xiàn)機器人結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生和控制仿生的統(tǒng)一是當下仿生爬桿機器人新型技術(shù)發(fā)展的熱點。

②新型仿生材料?，F(xiàn)有的許多仿生爬桿機器人由鋼材、塑料等傳統(tǒng)的剛性材料制作而成，這使得有些部位無法像真正的生物部位一樣靈活運動，造成機器人任務完成單一，適用性不強。為了使機器人具備高適應性、高效率、低能耗的特點，人們希望研制出更加接近生物性能的新型仿生材料，使仿生爬桿機器人與被模仿生物有更高的相似度。

③功能多樣化。被研制出的仿生爬桿機器人大多應用于完成桿件清洗、維修等任務，但由于自重較大或者材料所限，只能攜帶較小的有效載荷，導致完成工作單一和無法適應一些惡劣環(huán)境。為了減少成本、提高效率，機器人在完成目標任務的同時應盡可能提高負重比、攜帶更多功能設(shè)備，向低能耗、高適應性方向發(fā)展。

④智能化?，F(xiàn)有的仿生爬桿機器人基本無法實現(xiàn)自決策，對于一些突發(fā)情況無法做出即時反應。未來仿生爬桿機器人智能化發(fā)展應以人工智能技術(shù)、先進制造技術(shù)、自動化技術(shù)為基石，提高自我感知、自主學習、自行決策、自我優(yōu)化與執(zhí)行、自適應等能力，融入“5G”等智能+元素，使之更好地為人類服務。

4 結(jié)束語

仿生爬桿機器人領(lǐng)域已取得了豐碩的研究成果，由于現(xiàn)代機構(gòu)學和機器人學的新成果與復雜的生物特征結(jié)合程度較低，仿生爬桿機器人領(lǐng)域仍存在許多未能解決的問題。在深入研究生物最本質(zhì)的生命特征，并通過不斷將新技術(shù)、新方法、新理論應用到仿生爬桿機器人的研究中后，這些問題將應刃而解，從而推動仿生爬桿機器人的研究向系統(tǒng)化、前沿化方向發(fā)展，機器人更加新型化、功能多樣化、智能化，具有良好的人機交互能力，更好地為人類服務。