为模仿生物界中爬行动物卓越的攀爬能力,本文面向软体机器人优异的体质、结构、驱动、控制等性能,研究软体攀爬机器人相关的理论与技术问题。围绕仿尺蠖软体攀爬机器人的两大核心问题:躯体驱动和末端附着,本文从局部的设计制备和理论分析到整机的攀爬实现进行了详细的探索和研究,其主要内容和取得的成果如下:1.为掌握软体驱动器的性能,对其结构进行范化、建模和对比分析。模仿细长软体生物优异的结构特征,提出躯体的理想结构范型。根据所提出的结构范型,建立一般的运动学模型,并推导机器人对任意曲线形态复现的映射算法,以及分析各个结构参数对形态复现的影响。就当前较常见的四种气动软体驱动器构型:单腔、外分多腔、内分多腔和三通全向,通过详细分析各自的基本结构、设计和制备,结合有限元仿真分析和实验测定的结果,得出外分多腔结构为当中性能最优的一种结构。以上软体驱动器的结构范型和结构对比,可用于指导软体攀爬机器人驱动器的设计、建模和分析。2.为解决机器人爬行过程中因重力或外力载荷造成本体出现非期望的被动变形问题,如躯体往弯曲平面以外折弯。本文采用一种刚柔软结合的设计方法,在普通驱动器中加入了各向异性的约束材料或结构,以抑制异常变形问题。仿尺蠖软体攀爬机器人躯体具有平面弯曲运动的特点,因此在驱动器的限制层内融入一种自研制的各向异性结构——二维随动链。通过实际实验验证了所提出的各向异性刚软结合结构实现了驱动器平面高效的弯曲运动。3.本文致力于实现可对不同形状物体有效附着的末端执行器。通过观察尺蠖钩刺式前足,基于其既能稳定地附着在攀爬环境表面亦能有效地抓握物体进行操作,本文提出了一种对抓钩刺式的刚柔耦合软体抓夹器(Passive Adaptive Soft Gripper,简称PASG)。建立PASG的运动学,枚举所有夹持工况并分析与之对应的夹持适应性与形封闭能力。推导PASG的夹持力平衡问题中的约束方程,形成FEE(Force Equilibrium Evaluation的简称)问题,对PASG的夹持质量进行评估。为求解FEE问题,提出一种基于蒙特卡洛法的夹持力平衡判据,作为夹持质量的量化指标。同时,该指标可推广并适用于一般操作问题夹持质量的量化评价指标。实验首先测定力平衡求解所需的性能数据,其次通过夹持木圆柱体、木圆锥体、石头、3D打印件、咖啡杯和粗糙壁面等对象直观定性地试验PASG的夹持多样性。根据所建立的运动学和力平衡模型,以球体为抓持对象进一步分析PASG夹持适应性及夹持触点数量和夹持质量的关系;以最常见的攀爬环境——圆柱体为夹持对象,分析不同直径大小、夹持位置和表面粗糙度下PASG抵抗不同方向外力的能力。结果表明PASG能适应不同物体的夹持,具有较好的夹持稳定性,能满足一般的攀爬需求。所提的力平衡判据可用于一般的点接触式操作问题的力封闭性判定。4.分别研究了攀爬机器人的躯体驱动和末端附着两个核心问题后,本文最后提出一种以平面“Ω”躯体和内膨胀夹持末端构成的软体攀爬机器人S-Climbot(Soft Climging Robot的简称)。“Ω”型躯体仿效尺蠖的躯体形态,基于上文提出的各向异性刚柔耦合设计方法进行设计。通过对各种不同对象的攀爬实验结果分析和研究,提出了可保有形状适应性及抓夹稳定附着的内膨胀抱夹器。通过对S-Climbot的基本攀爬步态及其控制时序设定,提出了任意姿态下的重力平衡校核判定依据,并作为后续自主攀爬的基础。通过测定S-Climbot躯体形变随气压的性能,及在爬行圆杆、不规则截面杆、细小圆杆等不同类型环境中的攀爬实验,充分地验证了机器人爬行能力——具备适应性、机动性和稳定性。本文通过对软体攀爬机器人躯体驱动与末端附着两大核心问题的研究,以尺蠖为仿生对象,研制了平面“Ω”型躯体及外分多腔结构的驱动形式,结合所提出的刚柔软耦合设计方法实现了平面高效弯曲运动,解决了攀爬运动所需的高效稳定驱动问题;融合尺蠖钩刺式前足特征及各种攀爬场景的需求,针对性地开发了 PASG和内膨胀抱夹器,解决了攀爬中需要对多类场景多种材料进行高效稳定附着的问题。通过一系列攀爬实验,验证了本文所提出理论和技术的可行性和实用性。