目前，腿足式磁吸附爬壁机器人因其高灵活性而成为船体检测的重要工具。然而，由于船舶的铁磁性金属外板通常具有复杂的结构，包括各种腐蚀点，裂纹和焊缝，机器人在攀爬过程中存在脱落的风险。因此，确保腿足式磁吸附机器人能够稳定的吸附在铁磁性壁面上，并在足部电磁铁与壁面之间建立有效的接触，对于腿足式爬壁机器人的稳定运动至关重要。为了解决这一问题，迫切需要开发一种传感器来监测机器人运动过程中足部的磁吸附状态。

近日，大连海事大学徐敏义教授团队针对腿足式磁吸附爬壁机器人无法感知磁吸附状态的问题，提出了一种用于腿足式爬壁机器人的足部触觉传感器，采用3D打印外壳、触觉滑块和三个等距传感单元组成的结构设计实现了既不影响机器人足部的正常吸附，又能够感知机器人足部的磁吸附状态。本文开展了触觉传感器在触觉滑块不同的滑动频率和滑动深度情况下的性能实验，实验表明触觉传感器能够监测触觉滑块的滑动深度并控制LED信号灯。此外，在监测机器人足部吸附状态的演示实验中，摩擦电触觉传感器对各种铁磁壁面具有较强的适应性，并建立了机器人步态控制系统，验证了摩擦电触觉传感器的反馈控制能力。结果表明，安装了摩擦电触觉传感器的机器人能够识别爬行壁上的危险区域并自主规避危险。最后，将TTS安装于四足磁吸附爬壁机器人足部，当机器人踩踏到钢板上模拟的焊接接缝和腐蚀性凸点时，机器人通过触觉传感器感知到的异常信号能够自动的更换步态，从而避免因机器人足部无法形成稳定磁吸附导致的整机脱落的风险；同时，在机器人踏空后，机器人也能够感知到异常信号并自主避险。本文的研究成果提供了一种具有应用前景的用于腿足式磁吸附爬壁机器人足部吸附状态监测的触觉传感器，机器人通过识别传感器的异常信号进行自主避险，对于腿足式磁吸附爬壁机器人稳定的爬行在复杂铁磁性壁面上具有重要意义。

图1：摩擦电触觉传感器的结构、原理及应用。(a) (i)安装TTS的腿式磁吸附爬壁机器人。(ii)-(iv)安装在腿足式磁吸附爬壁机器人上的摩擦电触觉传感器监测到凸起、踏空、凸点。(b)摩擦电触觉传感器的结构和部件。(c)摩擦电触觉传感器图像。(d)机器人脚踩踏地面时摩擦电触觉传感器的电荷转移过程。(e)利用COMSOL软件模拟电位分布。

图2:摩擦电触觉传感器的输出性能。(a)实验装置示意图。(b)介电材料(FEP、PTFE、PET、Kaptopn和PVC)对TTS输出的影响。电极宽度对(c) 开路电压和(d) 短路电流的影响。(e) 开路电压与电极宽度之间的拟合线性关系。外部滑动频率对(f) 开路电压和(h) 短路电流的影响。(g)外负载频率和铝电极宽度对开路电压的影响。(i) 短路电流与外部负载频率的拟合线性关系。(j)环境温度对开路电压的影响。(k)相对湿度对开路电压的影响。(l)摩擦电触觉传感器耐久性试验图。

图3：摩擦电触觉传感器在外部负载监测中的应用。(a)不同倾角对感知单元3的开路电压。(b)摩擦电触觉传感器三个感知单元输出的开路电压。(c)监测触觉滑块的滑动深度的逻辑框图。(d)控制led信号灯的摩擦电触觉传感器的输出信号

图4：TTS检测足部吸附状态的实验。(a)腿足式磁吸附爬壁机器人摩擦电触觉传感器系统原理图。(b)、(d)、(f)不同墙面下传感器配置及实验场景布局。(c)、(e)、(g)不同壁面条件下监测足部吸附状态的摩擦电触觉传感器输出信号。

图5：TTS在腿足式磁吸附爬壁机器人上的应用。(a)足部吸附状态监测及步态控制算法。(b)腿式磁吸附爬壁机器人的直线行走步态和(c)转向步态。当机器人(d)踏空和(e)踩在凸点上时，TTS监测足部吸附状态的输出信号。

Wang Z, Liu J, Wang Z, et al. Highly adaptive triboelectric tactile sensor on the foot of autonomous wall-climbing robots for detecting the adhesion state and avoiding the hazard. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6537-1