仿生爪刺式爬壁机器人模仿昆虫足部尖爪和倒刺在粗糙表面上抓附的原理,能够实现在陡峭甚至垂直的粗糙墙壁上爬行,在桥梁检测、灾难搜救、军事侦察、小行星探测等领域具有广泛的应用前景。目前仿生爪刺式爬壁机器人通常采用腿足式结构,足部交替抓附爬行,相对机器人本体来说其足部抓附面积较小,且足部爪刺对粗糙壁面复杂形貌的适应性不足,影响了机器人爬行的稳定性和可靠性。本文考虑实际壁面的表面形貌分布特点,建立了爪刺在粗糙壁面上抓附的概率模型,开展了爪刺足柔顺结构设计与分析,研制了履带式爬壁机器人,可以实现在粗糙壁面上连续稳定爬行。主要研究成果和创新点如下:考虑粗糙壁面凸起分布和爪刺接触壁面的随机性,通过实验测试分析了几种典型粗糙壁面凸起的分布特性与爪刺在壁面上抓附的统计特性,建立了单爪刺在粗糙壁面凸起上随机抓附的概率模型,进一步建立了单爪刺在壁面上产生抓附力的统计模型。针对现有爪刺柔顺结构切向和法向刚度耦合导致整体结构设计困难的问题,设计了内骨骼约束的爪刺柔顺结构,实现了切向刚度和法向刚度的独立设计,计算、分析了爪刺柔顺结构的刚度矩阵,验证了该柔顺结构设计的有效性。基于爪刺柔顺结构,设计并研制了爪刺足结构;结合抓附力统计模型,分析了爪刺足在典型粗糙壁面上抓附力,并通过爪刺足抓附实验验证了建立的抓附力统计模型的有效性。针对履带旋转运动带来爪刺脱附困难的问题,设计了具有双轨道导向机构的履带式爬壁机器人,仿真分析与实验结果表明在双轨道机构的导向作用下,爪刺足运动到机器人尾部时可以轻松脱离壁面,履带式爬壁机器人原理样机可以在砖面、砂纸等不同粗糙壁面上进行稳定攀爬,验证了机器人设计的有效性。研究成果对提高仿生爪刺式爬壁机器人和辅助设备在多种粗糙壁面环境下的爬行稳定性,具有一定的应用前景和工程实际意义。