爬壁机器人作为极限环境下作业的特种机器人之一,被应用于军事侦察和高空作业等方面,多采用负压吸盘、永磁铁、仿生粘附材料和微型钩刺作为吸附方式。然而,对于斜拉桥索塔、高架桥墩等受到高空风载影响而长期处于振动状态、表面风化严重的壁面,磁吸附会完全失效,真空吸附在爬升过程中易受壁面振动影响,产生不稳定现象,仿生粘性材料在多灰尘或粗糙的壁面上容易被污染而失效,微型钩刺虽然可以有效的完成粗糙壁面上的钩附,但在壁面振动时,仅靠重力作用下产生的摩擦力难以抵消较大的倾覆力,从而导致脱附情况的发生。本文基于对尖钩与粗糙壁面相互作用机理的分析,提出了一种三维粗糙壁面可抓取位置判别算法,为尖钩末端尺寸的设计提供了理论依据。模仿甲虫爪刺足结构设计了一种“十字形”钩爪抓取模块,通过理论分析与有限元分析指出了该设计的优越性和可靠性,最终通过实验的方式验证了钩爪抓取模块的抓附性能与抗扰动性能。本文主要研究内容如下:1.制作了实验测量粗糙壁面,通过三维扫描仪获取了粗糙壁面轮廓的点云数据,并分别对壁面的三维轮廓与二维轮廓进行了模拟。在壁面仿真结果的基础上,总结归纳几种壁面微凸体的理想化模型,以理想化模型初步探讨了微型尖钩的钩附机理,并建立起尖钩尺寸与壁面粗糙度参数之间的联系。2.在总结前人以实验模拟的方法对2D尖钩横断面与粗糙壁面轮廓相互作用机理研究的基础上,提出一种三维壁面可抓取位置判别算法。以三角形分割方法将三维壁面点云数据进行分割,进而判断每一小块区域是否满足抓取条件。仿真结果表明,该算法具有可行性与一定的实用价值,这为以后进一步研究真实的粗糙壁面可抓取位置提供了理论基础。3.使用Solidworks设计了一种“十字形”钩爪抓取模块,可以采取“钩附”与“抓附”两种方式附着在粗糙壁面上,结合尖钩与粗糙壁面的作用机理与本文三维粗糙壁面可抓取位置判断算法的仿真结果,对末端尖钩进行了设计。分别通过仿真分析与有限元分析验证了机构的合理性与可靠性,最终通过模态分析对钩爪抓取模块的机构设计提出了一种调整的方向。4.研制出“十字形”钩爪抓取模块样机并开展了相关抓取实验,尤其对振动状态下稳定抓取进行了初步的实验。实验结果表明,“十字形”钩爪抓取模块可以在静态壁面实现稳定抓取,并且在振动壁面上也有较好的抓附性能,具备一定的抗振动、抗倾翻、抗翻转能力,这为以后振动条件下粗糙壁面攀爬机器人的设计与研究奠定了一定的基础。