机器人是自动控制机器（Robot）的俗称，自动控制机器包括一切模拟人类行为或思想及模拟其他生物的机械。当代工业中，机器人也指能自动执行任务的人造机器装置，用以取代或协助人类工作。伴随着传感技术、控制论、机构学和计算机等学科的发展，机器人已不只是代替劳动力的工具。人类在探索太空、开发海洋、军事与反恐等方面需求的增加，使得对机器人的性能提出了更高的要求［1］。我国从1987年实施国家“863”高技术研究发展计划以来，把智能机器人确立为自动化领域研发的主体之一，在特种机器人、机器人应用工程、机器人基础学科等方面取得很大成绩。其中非结构环境下的机器人是当今世界最重要的高技术之一，它集计算机、微电子、传感、自动控制等技术于一身，已成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一。

为研究适应非结构环境的机器人，科学家的目光转向自然界，希望能从中得到灵感和启发，经过万亿年进化，大部分陆上动物为适应复杂多变的环境，选择足式结构作为其运动机构。足式运动机构具有越障能力强、地面适应性好、鲁棒性好以及运动方式多等优势，因此足式运动机构成为非结构环境机器人的优选结构，其中具有全方位三维空间无障碍的爬壁足式机器人在空间探索、反恐、航空航天器表面检测等方面具有广泛和迫切的需求［2］。与其他运动机构系统（例如轮式运动系统）相比，足式机器人在结构设计、控制等方面更为复杂，而自然界中动物对环境具有很强的适应性，我们可在仿生结构、机构运动和运动控制等方面进行仿生研究。

仿生学（Bionics）是20世纪60年代出现的一门综合性边缘科学，它由生命科学与工程技术学科相互渗透、相互结合而成，通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造新的机械、仪器、建筑和工艺过程。仿生学将有关生物学原理应用到对工程系统的研究与设计中，尤其对当今日益发展的机器人科学起到巨大的推动作用。在35亿年的进化过程中，生物发达灵巧的运动机构和机敏的运动模式，成为机器人技术创新发展的源泉之一。仿生机器人就是模仿自然界中生物的精巧结构、运动原理和行为方式等而制造的机器人系统。科学家们向生物学习，创造出了众多高性能的仿生机器人，如机器鱼、机器蛇、机器蝇等。

爬壁机器人是移动机器人的一个重要分支，又叫作壁面移动机器人，可在垂直墙壁攀爬并完成工作［3］。根据结构的不同，主要将爬壁机器人分为以下几种：轮式爬壁机器人、履带式爬壁机器人、轨道式爬壁机器人以及足式爬壁机器人。轮式爬壁机器人运动速度快、稳定性好，但运动环境有限；履带式爬壁机器人结构简单、易操控、负载能力较强，但不易转弯，且能耗高、壁面适应性差；轨道式机器人稳定可靠易控制，但不够灵活；足式爬壁机器人的足端结构以生物足部为原型，足端吸附材料可根据需求选用磁铁、吸盘或者干黏附材料等，该类机器人运动依靠多足轮流吸附与脱落，越障能力较强且环境适应性较好，但其结构相对复杂、速度慢、控制难。

足式机器人环境适应性好、越障能力强、运动方式多变，成为特种机器人的首选运动机构。而仿生足式爬壁机器人因其具有全方位三维空间无障碍运动能力，在反恐反劫机、空间探索、航天器表面检测等领域具有更为广泛而又迫切的需求［4-6］。对于足式爬壁机器人而言，非连续约束时脚掌黏／脱附往复交替形成的足式机器人变约束状态，以及各关节的冗余驱动导致的受力不平衡，增加了机器人关节驱动的额外能耗，影响了爬壁机器人运动的稳定性。与墙面运动相比较，负表面运动的稳定性要求更高，对冗余驱动下运动和力协调控制要求更高，因此爬壁足式机器人实现负表面运动具有更高的难度和挑战性，也是真正实现空间三维表面无障碍运动的关键技术突破点。爬壁足式机器人的进一步发展面临着很多科学和技术问题，涉及爬壁足式机器人的仿生机构设计、多关节冗余驱动下的运动稳定性、运动协调控制等问题，需要进一步深入系统研究。(www.daowen.com)

壁虎等生物可以轻松在竖直表面甚至倒置表面上任意爬行，因此研究工作者常常将这些生物作为仿生对象，以期研制出可实现三维空间无障碍运动的仿生机器人。国内外相关研究人员已经对大壁虎的黏附机理等方面做了大量的研究［7-9］。

研制出的各种爬壁机器人在民用、军事、航天上具有广泛的用途，因而越来越受到人们的重视。但传统爬壁机器人的吸附原理和移动机理与真实壁虎还有一定差距，限制了其应用环境和工作范围，而壁虎的吸附原理和移动方式为突破传统爬壁机器人的限制提供新的思路，因而仿壁虎爬壁机器人成为一个新的研究方向。

壁虎脚掌具有范德华力的干黏附方式，具有各向异性特点，在与接触表面黏附时表现为单向黏附力较大而反方向黏附力较小，同时黏附力的方向性也使仿壁虎机器人在空间表面的运动更复杂。与常规的磁、负压或者正压吸附方式不同，具有范德华力的干性黏附方式可以不受黏附对象和环境介质的影响，能解决好空间表面黏附运动稳定性和运动协调问题。研制出具有各向异性的干黏附性能的仿壁虎机器人，对实现航空器、航天器外部表面检测等功能具有特殊的应用前景。

具有各向异性的干黏附性能的仿壁虎机器人，是爬壁机器人的重要分支，能够在垂直墙壁上黏附爬行运动，它可以作为特种环境下作业的一种自动机械装置，因此它能被应用于很多场合。例如在反恐行动中能够替代人完成监控恐怖分子的行动。仿壁虎机器人能够完成危险环境下的清洗作业，例如高楼的清洗和墙面的喷涂、核反应堆的清洗。仿壁虎机器人有着很强的运动灵活性，具有广阔的发展前景。本书介绍研制具有各向异性的干黏附性能的仿壁虎机器人，围绕仿生结构设计、运动学和动力学分析、运动步态规划和稳定运动控制等关键技术点进行深入研究。研制出基于干黏附技术的仿壁虎机器人，不仅能够实现仿壁虎机器人三维空间表面的运动、拓展其运动范围，更能减小空间失重环境下惯性力扰动，在航空航天领域具有特殊的应用前景。通过实验验证不同情况下自主黏／脱附脚掌的黏附性能，实现仿壁虎机器人在光滑负表面的稳定爬行，可以更好地揭示大壁虎负表面稳定协调运动机理，促进仿壁虎机器人的负表面稳定协调运动的实现，将在机器人技术领域产生重要的理论意义和应用价值。