作者：大爆爆 出品：机器人大讲堂
看似普通的轨道攀爬机器人，却藏着不用电就能自锁的智慧，在输电塔和隧道复杂轨道上如履平地。
在百米高空的输电塔上，一阵强风刮过，正在轨道上执行巡检任务的机器人却稳如泰山。这不是因为它使用了强力磁铁或复杂的电子锁，而是因为它巧妙地利用了自身重力，实现了类似“四两拨千斤”的自锁效果。
最近，沈阳农业大学工程学院的研究团队在《IEEE Robotics and Automation Letters》上发布了最新成果——OmniClimb轨道攀爬机器人。
他们采用了一种全新的重力驱动锁定结构和被动自适应机制，让它能在多曲率复杂轨道上稳定攀爬，甚至在遭遇突发颠簸时也能瞬间锁定，防止坠落。
被动自适应轨道攀爬机器人
▍传统机器人“站不稳”的致命短板
随着工业自动化的深入，轨道巡检机器人在输电塔、电力隧道、桥梁等场景中的应用日益广泛。然而，传统爬轨机器人面临环境适应能力差这个致命短板。
大多数轨道机器人都“认轨”，在直线轨道上表现出色，一旦遇到曲线、弯道，特别是曲率变化的复合轨道，稳定性大打折扣。
目前市场上的轨道机器人主要通过两类方式固定自身：
磁吸附式机器人利用永磁体或电磁铁吸附在铁轨表面。这种方式对磁性轨道适配性好，但面临材质限制（只能用于铁磁表面）、重量大、能耗高等问题，而且高重心设计容易导致吸附失稳。
机械夹持式机器人通过电动或气动装置产生夹持力。这种方式不依赖轨道材质，但需要持续能源输入，结构复杂，且在突发振动或坡度变化时响应速度可能不足。
有没有一种方式，既不需要额外能源输入，又能实时适应轨道曲率变化，还能在突发情况下瞬间自锁防坠？
▍下坠危机变成锁定动力，自锁玄机“四两拨千斤”
沈阳农业大学的研发团队决定“反其道而行之”，不是对抗重力，而是利用重力。他们设计的OmniClimb机器人在结构上隐藏着几项创新技术，使其在无需外部电源干预的情况下，依然能够安全、高效地攀爬多曲率轨道。
该机器人的核心是其独特的重力驱动锁定机构。设计团队在机器人的前后驱动轮上都配置了锥形轮缘，这些轮缘与导轨槽形成了精确的几何匹配。
当机器人在水平轨道上运行时，重力会转化为轴向压力，使车轮更紧地贴合轨道。
如果机器人因外力发生倾斜或滑移，锥形轮缘会与导轨槽侧壁接触，产生楔形效应，将下滑趋势转化为更大的法向压力，从而实现“越滑越紧”的自锁效果。这个过程完全是被动、机械式的，响应时间可达到毫秒级，且不消耗任何电能。
轨道攀爬机器人的结构
重力驱动锁定机构原理
重力自锁解决了站得稳的问题，但要走得好，特别是在弯曲轨道上平稳运行，还需要另一种能力，就是姿态自适应。
▍身体自己思考，被动变形征服弯道
为确保机器人在弯道上也能平稳运行，研究团队设计了可变姿态被动适应机构。机器人的前后车身采用分体式设计，通过铰链连接，中间用姿态调整弹簧约束。当机器人从直线轨道进入弯道时，轨道曲率的变化会使前后车身产生相对旋转。
直线和曲线轨道攀爬过程中的姿态自适应调整
这听起来简单，但实现起来需要精密的力学设计。姿态调整弹簧会根据轨道曲率自动伸缩，改变前后车身的夹角，从而调整每个车轮的接触角度。这种设计确保所有车轮都能与轨道保持良好的接触，避免因角度不当导致的打滑或脱轨。
该机构的神奇之处在于它的被动性。整个调整过程不需要传感器检测曲率，也不需要控制器计算角度，完全由轨道形状和弹簧力学特性自然驱动。这就像人的关节，在行走时自动适应地面起伏，不需要大脑刻意指挥每一个动作。
▍五个轮子协同工作，动力布局稳如磐石
除了聪明的锁定和适应机制，OmniClimb还有一个基础但关键的设计：五轮驱动配置。这五个轮子不是随意布置的，而是经过了精心计算和排布，形成了独特的动力和支撑系统。
两个前驱动轮承担主要牵引任务，一个中心导向轮提供额外的支撑和方向引导，两个后驱动轮则辅助推进并增强稳定性。这种布局创造了“三点接触”的稳定结构，同时五个轮子都提供动力，确保了足够的牵引力。
特别值得一提的是，前后轮组之间的距离经过优化，形成了对称夹持结构。当机器人在轨道上运行时，两侧车轮像钳子一样轻轻“夹住”轨道，有效抵抗横向力，防止在弯道处因离心力而脱轨。
五轮驱动配置的结构
这种设计不仅提供了更好的牵引力和稳定性，还具备容错能力，即使个别车轮出现异常，机器人也能继续工作。复合传动系统通过齿轮和同步带的组合，实现了动力从前部电机到五个车轮的高效、精准传递。
▍从仿真到实测，“轨道侠”如何征服S形复杂赛道？
研发团队使用ADAMS动力学软件对机器人进行仿真，模拟其在S形复合轨道上的攀爬过程。
仿真结果显示，机器人在直线段速度稳定在0.035m/s，进入弯道时，由于姿态调整和惯性作用，速度会出现波动，峰值可达0.06m/s，但整体运行平稳。
机器人攀爬多曲率轨道的仿真过程
特别值得注意的是，电机扭矩在启动和弯道段会出现峰值，最高达到1.25N·m，但系统能够有效应对这些变化，保持稳定运行。轮轨接触力的分析也表明，机器人的前后轮受力分配合理，前轮承担主要载荷，后轮辅助稳定。
真正的考验来自物理实验。研究人员用3D打印技术制造了OmniClimb的原型机，并在安装了多曲率轨道的试验台上进行了实测。实验轨道包括直轨、凸曲线和凹曲线组合。
机器人在多曲率轨道攀爬过程中的自适应运动
空载测试中，机器人在直轨段平均速度为0.049m/s，在凸曲线段速度可提升至0.064m/s，在凹曲线段会降至0.036m/s。车轮的角速度变化与轨道曲率高度耦合，证明自适应机构有效工作。
负载测试则更接近实际应用场景。研究人员给机器人增加了1.5kg的载荷（模拟携带摄像头等检测设备）。结果显示，机器人的整体动态响应与空载时基本一致，但性能参数有所调整。
直轨速度略降至0.041m/s，弯道段扭矩需求增大，峰值扭矩达到2.35N·m。尽管如此，机器人依然能稳定完成整个攀爬过程，姿态调整机构有效补偿了额外负载带来的影响。
机器人负载下在多曲率轨道上爬升时的自适应运动
▍不止于输电塔，可应用于多个行业
机器人技术的核心价值在于解决实际问题，OmniClimb也不例外。
在高压输电塔巡检中，机器人可以搭载高清摄像头、红外热像仪等设备，沿着安装好的轨道自主攀爬，对线路、绝缘子、连接件等进行检测。传统人工巡检不仅劳动强度大、效率低，还存在高空作业风险。
OmniClimb的被动自适应特性使其能够适应输电塔上常见的复杂轨道布局，而其重力自锁机制则提供了额外的安全保证。
随着城市地下空间的发展，电力隧道、综合管廊等设施的安全监测需求日益增长。这些环境通常具有空间狭窄、环境复杂、存在多种坡度变化等特点。OmniClimb的紧凑设计和强适应能力使其能够胜任这类场景的巡检任务，及时发现渗漏、变形、设备异常等问题。
OmniClimb的被动自适应理念，展示了通过结构设计实现智能行为的可能性。这在需要高可靠性、耐恶劣环境或低功耗运行的应用中具有独特价值。
展望未来，研究人员计划进一步提升机器人的能力。拓展姿态适应机制的自由度，使机器人能够应对更复杂的三维轨道，并显著拓宽其应用范围。例如，除了当前的俯仰调整外，增加横滚和偏航方向的适应能力。
在机器人的进化路上，人们一直追求着更智能的控制系统和更强大的执行能力。而OmniClimb选择了另一条路径，让机器人的身体本身就具备智能。通过精妙的机械结构设计，它实现了不依赖复杂传感器和算法的环境适应与安全自锁。或许，在极端环境或高可靠性要求的场景中，这种被动智能才是机器真正可靠的基础。
论文地址：https://ieeexplore.ieee.org/document/11303899
