随着航天技术的快速发展,在轨操控技术将成为检测和维修故障航天器的重要手段之一。基于在轨操控的任务需求,提出一种可以在航天器表面粘附爬行的机器人。机器人仿照壁虎等动物的爬行能力,依靠足端的粘附力稳定可靠的在航天器表面粘附爬行,移动至故障位置对目标航天器进行检测和维修。为了研究具有可靠粘附特性的仿生粘附结构,国内外对仿生粘附结构做了大量的研究,但是与壁虎足掌粘附性能差距还很大,很难同时做到可靠黏附和快速脱附的功能。壁虎足掌出色的粘附特性得益于其多尺度同时具有一定倾斜角度的纤维阵列结构,因此在对壁虎微观结构进行模仿的同时还需要对壁虎绒毛结构的粘附机理进行研究。本文首先通过研究壁虎足末端微观结构,基于范德华力和摩擦自锁力建立包括绒毛垫和绒毛柄结构的接触力学模型,对其粘附机理进行分析和研究。基于绒毛结构的几何模型,以颗粒堆积的方式建立壁虎绒毛结构与接触表面的离散元仿真模型。通过仿真壁虎绒毛结构在受到法向和切向外力时与接触表面粘附和脱附的动态过程,求得在不同脱附角度下绒毛结构法向粘附力和切向粘附力的变化曲线,分析壁虎绒毛结构的方向性粘附力学特性。同时在扫描电子显微镜中基于多自由度纳米操作机械手和原子力探针搭建力测试系统。测试壁虎绒毛的粘附特性,验证绒毛结构粘附力学模型的正确性。基于壁虎足端绒毛结构粘附机理的研究,仿照壁虎足端基于范德华力粘附的微观结构对不同尺寸参数和结构参数的仿生粘附结构进行接触力学建模。分别建立微米级柱状仿生结构阵列、微米级楔形仿生结构阵列和纳米级仿生结构阵列的粘脱附力学模型。分析微结构阵列的尺度参数,结构参数,材料刚度等参数对粘附特性的影响规律。同时建立仿生微结构阵列的离散元模型,通过仿真微结构阵列的粘附和脱附动态过程分析其方向性粘附特性的影响规律。在此基础上,结合空间环境展开微结构阵列粘附特性实验研究。针对不同尺寸参数、结构参数和材料属性参数的粘附结构阵列选择相应的制备方法。利用感应耦合等离子体技术制备柱状仿生微结构阵列,通过水辅助激光烧蚀技术倒模加工柔性楔形仿生微结构阵列。同时搭建二维力测试平台,将微粘附结构固定在运动系统末端机构上,通过机构运动产生预压力使微粘附结构与测试界面完全接触,随后切向滑动摩擦至脱附,获得法向和切向粘附力。测试各种参数仿生微结构阵列的粘附性能,对微粘附结构的粘附特性进行对比评估分析。在机器人足粘附特性的研究的基础上,进行爬行机器人的设计与实验研究。通过对空间环境和目标航天器表面结构特性分析和壁虎身体结构的运动规律分析,基于足端粘附特性设计爬行机器人本体机构构型。通过绳驱动脱附机构实现机器人在爬行过程中抬足和落足的运动功能,并对运动步态进行分析。同时建立机器人柔性粘附足抬足过程中的粘附脱附力学模型,求得最优的脱附方式。在此基础上研制爬行机器人原理样机,对机器人足粘附特性进行实验测试。同时采用重力补偿法搭建低重力实验平台,模拟微重力环境进行机器人的粘附爬行试验。测试爬行机器人原理样机的稳定粘附爬行的运动功能。分析运动步态对原理样机粘附爬行功能的影响规律,验证爬行机器人整体方案的可行性。