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-driven)^[5-7]、履带式 (tracked)^[8-10]、转化式(translation)^[11-13]、柔索驱动式(cable-driven)^[14-16]以及综合型(combined)^[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。

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。

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。

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外置旋转泵来提供负压吸附的能量。

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。

2018年，Liu等^[26]研究出了AnyClimb-II。AnyClimb-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。

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MultiTrack在完成交叉面过渡时的示意图。

受到水蛭的启发，日本丰桥技术科学大学与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P₁和P₂为首尾2个吸盘；L₁、L₂、L₃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。

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。

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。

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。

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。

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。

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动性与灵活性。图17为该机器人在垂直墙壁上越障的过程。

在该机器人的基础上，南京理工大学在2019年研发出由多腔吸附的轮腿式结合爬壁机器人^[34]，如图18所示。与现有爬壁机器人不同的是，该机器人拥有4个由可抽气的橡胶吸盘与微型真空泵构成的负压吸附腔，每个吸盘能够独立吸附，通过压力差使得机器人紧贴墙壁，即使在2个吸盘失去吸力的情况下仍可移动，3个吸盘失去吸力的情况下机体也不会坠落。它以轮式运动机制驱动前进，通过拥有3个自由度的三段式起动臂进行越障。在碰到障碍物时，机器人先移动至障碍物的边缘，将起动臂置于障碍物对面的壁面上，通过起动臂上的真空泵将起动臂附着于壁面，待固定后，关闭底盘上的真空泵使得底盘脱离壁面，并使底盘旋转或翻转至障碍物的侧壁面上，此时关闭起动臂上的真空泵并启动底盘上的真空泵使机体吸附于壁面，收回起动臂，稳定机体，完成越障。该机器人的行驶速度比纯足式运动的爬壁机器人快；微型真空泵使得机器人更加稳定安全，且续航时间更长；起动臂能够让机器人适应更加复杂的壁面环境。现已研制成功具备完成越障能力的机器人样机。

3 爬壁机器人设计问题分析

虽然近几十年来爬壁机器人的研究层出不穷，但是爬壁机器人的很多本质问题并没有得到很好地解决，在工程中得以应用推广仍存在问题。这些问题包括爬壁机器人的吸附、越障以及作业能力。因为在垂直墙壁上的任何障碍都有可能导致机器人的跌落，爬壁机器人的吸附能力直接关系着越障与作业能力，并影响着它们在应用场景下的可靠性。因此，在设计爬壁机器人时需要考虑到以下问题。

1）稳定性。是否可以稳定地在应用环境下移动并不掉落。爬壁机器人主要有负压吸附、仿生吸附、磁吸附、分布式向内抓取吸附和螺旋桨推力等几种方式，不同的吸附方式意味着机器人能够适应的墙壁表面不同。吸附力越大，机器人越不容易从壁面滑落，安全性与稳定性能也越好。在考虑到稳定性时，还需注意机器人自身重量要是否够轻，是否能够在应用环境下移动并能够在消耗低能源的情况下带动附属设备来确保爬壁时的稳定性。

2）灵活性。是否可以自如地在各类墙壁立面上运动，并能够跨越各类大小、形状不一的障碍物。爬壁机器人的主要移动方式有足式、轮式、蠕动式和飞吸式等，每一种方式与其吸附模式相辅相成。负压吸附式的足式爬壁机器人由于每一个动作都需要完成消除吸力、产生吸力的动作，在运动时会显得相对缓慢与笨重。相对而言，当负压吸附与轮式机器人相结合时，通常情况下只需要一个吸盘来起到定向以及固定的作用，这将机器人运动的任务分担给了移动模块中的滚轮，大大提高了机器人的灵活性。

3）功能性。是否容易操作，且具有泛化能力。目前，部分负压吸附式机器人已可适应较为粗糙的壁面，但是这类机器人需要在接触面上形成正负压强，无法应用于只有真空的外太空。利用范德华力的仿生吸附机器人常被运用于航天航空领域，但由于材料本身的限制，寿命较短、无法多次使用。其他几种附着方式的机器人也具有一定局限性，尤其是部分仿生式机器人，在控制上相对较难，在工业应用方面的能力不强。

4）智能性。无论是利用真空吸盘吸附、仿生黏附或其他吸附模式，爬壁机器人都有可能因为墙面的不平滑而摔落或倾翻，从而导致越障的失败。因此，能够稳定地吸附在壁面上是爬壁机器人成功跨越障碍物的基础。与此同时，爬壁机器人也需要智能机制来准确判断出墙壁上的障碍物，从而成功跨越这些障碍。综上所述的智能机制可以是像W-Climbot利用超声波传感器的反馈系统，也可以像是带有三维力传感器的机器人控制系统，或像红外线传感器等来控制爬壁机器人的运动。

4 结论

随着科学技术的不断迭代变革，机器人的能源供给方式从一般的电、气等发展到由新能源动力电池的供给，大大延长了机器人的运动时间，使得爬壁机器人的运行空间越来越广泛，也对爬壁机器人的设计要求越来越高。如何设计出轻便、无缆、无源吸附的爬壁机器人，并能够使其承载一定有效负荷，也逐渐成为了未来研究的话题。

由于人工智能发展的突发猛进，爬壁机器人也已从原来的半自助式发展为现代完全自主且拥有一定自主决策能力的智能机制，机器人人工智能控制已是现代研究的焦点。在提高机器人跨越障碍能力以及提高吸附墙面的技术基础上，利用人工智能(如语音协控、计算机视觉)来控制机器人，使其翻越甚至将障碍物移动至指定地点，并能够让机器人与行进路上的目标进行其他类型的智能交互，这将会是未来爬壁机器人的发展趋势。