基于被动自适应并联机构的爬壁机器人设计与分析：面向变曲率船体表面的全向移动解决方案

为解决船体表面检测中传统爬壁机器人(WCRs)对变曲率表面适应性差、运动灵活性不足的问题，研究人员开发了集成被动自适应并联机构(2-DOF)和全向转向牵引机构的创新WCR。通过阿特拉斯(Atlas)方法设计补偿机制，结合Halbach阵列磁吸附系统优化，实现了在曲率半径≥0.6m表面稳定吸附(单模块190N)和全向移动(速度250-450mm/s)。该研究为复杂船体环境下的检测维护提供了新型解决方案，显著提升了机器人在受限空间中的作业能力。

　　

在船舶工业快速发展的背景下，大型船体外表面的检测与维护面临严峻挑战。传统人工检测方式不仅效率低下，还存在高空作业风险，而现有爬壁机器人(Wall-climbing Robots, WCRs)普遍存在刚性结构适应性差、自由度(DOF)有限等问题，难以应对船体表面复杂的曲率变化和密集障碍。特别是当遇到焊接接缝、管道支架等不规则结构时，传统串联机构或单轴被动关节的机器人容易发生牵引力损失或姿态失稳。这些问题严重制约了机器人在实际船舶检测中的应用效果，亟需开发兼具表面适应性和运动灵活性的新型WCR解决方案。

河北工业大学的研究团队在《Applied Ocean Research》发表论文，提出了一种集成被动自适应并联机构和全向转向牵引机构的创新WCR设计。研究采用阿特拉斯(Atlas)方法进行机构综合，通过约束线图分解获得5种可行构型，最终选定4R^xP^zR^x-P^zR^x并联机构实现高度差补偿和贴合角度自适应。磁吸附系统采用Halbach阵列优化设计，结合环形布局永磁轮，在6mm气隙下实现190N吸附力。通过建立考虑曲率角度α的力学平衡模型，计算出极端工况下的最小磁力需求。实验验证了机器人在曲率半径1-4m表面稳定移动和12.5kg负载能力。

2. Mechanism design
研究团队基于阿特拉斯方法设计流程，开发出具有1平移1旋转自由度的被动自适应并联机构。通过约束线图分解获得5种构型方案，其中Case 5(4R^xP^zR^x-P^zR^x)因结构刚度最佳被选用。该机构通过弹簧阻尼单元连接固定支架与移动平台滑块，在轮子遇到6mm高度障碍时能有效转换冲击力为附加吸附力。

3. Static failure analysis
引入曲率角度α建立力学模型，分析纵向滑动、纵向倾覆和横向倾覆三种失效状态。计算表明在θ=90°、α=30°极端工况下，单个磁模块需提供190N吸附力(安全系数k=1.5)。仿真显示纵向滑动状态的力需求最高，是横向倾覆的2.1倍。

4. Magnetic module optimization
空气间隙永磁吸附装置采用u/i=1的Halbach阵列，在6mm气隙时磁力达200N。永磁轮采用e/d=1的环形轴向磁铁，厚度比优化后吸附效率提升37%。磁路仿真表明该配置在0.5mm气隙时力重比最优。

5. Robot prototype performance test
550×550×300mm原型机(重12.5kg)在变曲率表面测试显示：三组驱动轮速度波动<1×10^-3m/s，垂直位移补偿范围56-200mm，倾斜角适应能力4.2°-18°。负载测试中可稳定携带25.5kg载荷(负载重量比2.04)，成功跨越6mm焊缝障碍。

该研究通过机械设计与磁路优化的协同创新，解决了变曲率表面适应性与运动灵活性的矛盾问题。被动自适应机构实现了高度差和贴合角的实时补偿，全向转向系统支持直线/旋转/阿克曼等多种运动模式。相比传统WCR，该设计将最小适应曲率半径降至0.6m，速度提升至450mm/s，为船舶检测提供了新型技术手段。未来研究将聚焦湿滑表面适应性改进和系统小型化，推动该技术在复杂工业环境中的实际应用。