A Pin-Array Structured Climbing Robot for Stable Locomotion on Steep Rocky Terrain
作者: Keita Nagaoka, Kentaro Uno, Kazuya Yoshida
分类: cs.RO, cs.AR
发布日期: 2026-03-17
备注: Author's version of a manuscript accepted at the 2026 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). (c) IEEE
💡 一句话要点
提出一种基于柔顺针阵列结构的攀爬机器人，用于在陡峭岩石地形上稳定运动
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 攀爬机器人 柔顺机构 针阵列 非结构化环境 被动抓取
📋 核心要点
- 攀爬机器人在非结构化环境中面临挑战，可靠地附着在不规则表面至关重要。
- 该机器人采用柔顺针阵列夹持器，被动适应表面不规则性，实现稳定抓取，无需复杂传感或控制。
- 室内外实验表明，该机器人能在倾斜墙壁和自然岩石地形上实现鲁棒且稳定的运动。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种新型攀爬机器人，该机器人配备了柔顺的针阵列结构夹持器，能够被动地适应表面不规则性，从而确保稳定的地面抓取，而无需复杂的传感或控制。每个针都采用垂直分裂设计，将弹性元件与金属脊柱相结合，以实现与微观表面特征的机械互锁。统计建模和实验验证表明，单个针力的变化和接触数量是抓取不确定性的主要来源。室内倾斜墙壁（10-30度）和室外自然岩石地形的测试表明，该机器人具有鲁棒性和稳定的运动能力。这项工作强调，强调被动柔顺性和机械冗余的设计为现实世界的攀爬机器人提供了一种实用且鲁棒的解决方案，同时最大限度地降低了控制复杂性。
🔬 方法详解
问题定义：攀爬机器人在复杂非结构化环境中难以稳定运动，尤其是在岩石等崎岖表面。现有方法通常依赖复杂的传感和控制系统来适应不规则表面，这增加了系统的复杂性和成本，并且在实际应用中可能不够鲁棒。
核心思路：本文的核心思路是利用被动柔顺性和机械冗余来实现稳定的抓取。通过设计一种柔顺的针阵列结构夹持器，使其能够自动适应表面的不规则性，从而实现可靠的机械互锁，而无需复杂的控制算法。这种方法简化了控制系统，提高了机器人的鲁棒性。
技术框架：该攀爬机器人主要由以下几个部分组成：移动平台、柔顺针阵列夹持器。针阵列夹持器由多个独立的针组成，每个针都具有垂直分裂设计，包含弹性元件和金属脊柱。弹性元件提供柔顺性，金属脊柱则用于实现机械互锁。机器人通过控制移动平台的位置，使针阵列夹持器与表面接触，从而实现抓取和运动。
关键创新：该论文的关键创新在于柔顺针阵列夹持器的设计。传统的夹持器通常是刚性的，难以适应不规则表面。而本文提出的针阵列夹持器通过柔顺性和机械冗余，实现了对不规则表面的自适应抓取。此外，垂直分裂设计使得每个针都能够独立形变，进一步提高了夹持器的适应性。
关键设计：每个针的垂直分裂设计是关键。弹性元件（具体材料未知）的选择需要兼顾柔顺性和强度，金属脊柱的材料（具体材料未知）需要保证足够的硬度以实现机械互锁。针的数量和排列方式也需要根据具体的应用场景进行优化，以保证足够的抓取力和稳定性。论文中提到通过统计建模和实验验证来分析单个针力的变化和接触数量对抓取性能的影响，但未给出具体参数设置。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
该机器人成功在室内倾斜墙壁（10-30度）和室外自然岩石地形上进行了测试，展示了其鲁棒性和稳定的运动能力。实验结果表明，该机器人能够在复杂和不规则的表面上实现可靠的抓取和运动，验证了柔顺针阵列夹持器设计的有效性。论文通过统计建模和实验验证分析了抓取不确定性的来源，为进一步优化机器人设计提供了依据。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于多种场景，例如：建筑外墙检测、桥梁维护、灾害救援等。在这些场景中，机器人需要在复杂和不规则的表面上进行运动和操作。该机器人设计的鲁棒性和适应性使其能够有效地完成这些任务，降低人工成本和风险，提高工作效率。
📄 摘要（原文）
Climbing robots face significant challenges when navigating unstructured environments, where reliable attachment to irregular surfaces is critical. We present a novel mobile climbing robot equipped with compliant pin-array structured grippers that passively conform to surface irregularities, ensuring stable ground gripping without the need for complicated sensing or control. Each pin features a vertically split design, combining an elastic element with a metal spine to enable mechanical interlocking with microscale surface features. Statistical modeling and experimental validation indicate that variability in individual pin forces and contact numbers are the primary sources of grasping uncertainty. The robot demonstrated robust and stable locomotion in indoor tests on inclined walls (10-30 degrees) and in outdoor tests on natural rocky terrain. This work highlights that a design emphasizing passive compliance and mechanical redundancy provides a practical and robust solution for real-world climbing robots while minimizing control complexity.