A compact multi-legged mobile robot with leg-mounted adhesion mechanisms for climbing walls in narrow spaces

随着城市的不断老化，维持其结构的建筑和桥梁也开始显现出岁月的痕迹。在日本，这类基础设施的平均年龄正在迅速上升，这使得定期检查和维修的需求变得迫切。然而，由于劳动力规模正在缩小，派遣人类工人去检查高墙、狭窄隧道或重型机械周围的狭小空间既危险又日益困难。为了解决这个问题，工程师们正转向机器人技术。虽然有些机器人通过轮子滚动或像无人机一样飞行，但这些方法在崎岖不平的表面或障碍物阻挡路径的狭窄角落中难以施展。一个更具适应性的解决方案在于设计能够抓握垂直表面的步行机器，但制造一种可以爬墙而不坠落的机器人，需要运动与抓取力之间的微妙平衡。挑战不仅在于如何粘附在墙上，还在于如何在移动时不会拖拽粘性部件，否则会将其撕裂或遗留在原地。

室兰工业大学的研究人员开发出一种紧凑型四足机器人，专门用于应对这些艰巨的检测任务。他们的方法将步行机制与可在多种不同材料（从光滑金属到粗糙混凝土）上工作的吸附式抓取相结合。与以往笨重且移动受限的六足设计不同，这种新型机器人采用了更简单的四足框架，每条腿都有四个运动关节。这种额外的灵活性使机器人能够自由地摆动腿部，在无需将吸盘在表面上拖行的情况下，将脚放置在新的位置。团队重点研究了机器人的“脚部”，测试了各种形状和材料，以寻找能承载最大重量的设计。他们发现，直径为30毫米、由聚氨酯橡胶制成的扁平圆形垫提供了最强且最可靠的抓地力。通过仔细测量这种吸力，他们确保了机器人在移动时也能牢牢抓稳。

为了确保机器人确实能够攀爬，团队制作了一个原型机，并测试了它在平面地面和垂直墙壁上的移动能力。他们对机器进行了编程，使其采用对角线步行模式：两条腿会粘在墙上以保持身体稳定，而另外两条腿则向前或向后摆动，以寻找新的支点。这种方法使机器人能够在不失去平衡的情况下转移重心并向前迈步。设计的关键部分是确保每条腿末端的吸盘即使在腿部进行复杂角度运动时，也能完美地平贴在墙面上。通过使用单个腿部单元，研究人员验证了机械连杆可以在这些运动过程中保持吸盘与表面平行，这对于维持强大的密封性至关重要。测试证实，该机器人可以在墙上前后移动，并在协调的节奏中切换抓取状态并摆动腿部。

该研究还回顾了旧有的设计，以了解它们为何表现不佳。之前的六足机器人依赖于被动吸盘，其压力不足以压紧墙面，导致抓取力弱且运动不稳定。那些旧型号还受限于简单的摆动动作，使其难以在复杂的环境中导航。这种新型四足设计通过使用主动真空泵来产生强大且持续的吸力，并通过赋予每条腿更多的运动自由度，克服了这些问题。虽然初步测试是在光滑的亚克力面板上进行的，但研究人员承认，现实世界中的墙壁通常由粗糙的混凝土构成，这提出了不同的挑战。他们计划下一步在混凝土表面上测试该机器人，以观察吸力在面对实际基础设施中的凹凸不平时的表现。目前，结果表明，一种配备精心选择的吸盘的紧凑型四足机器人是检查难以到达场所的一种可行方案，为人类工人提供了一种更安全、更具适应性的替代方案。