爬壁機器人研究現(xiàn)狀與技術(shù)應用分析*

閆久江，趙西振，左 干，李紅軍

(武漢紡織大學機械工程與自動化學院，湖北武漢 430073)

0 引言

機器人是傳統(tǒng)的機構(gòu)學與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物［1］，爬壁機器人作為移動機器人領(lǐng)域一個重要組成部分，它是將移動機構(gòu)(車輪、履帶、腿等)與將它吸附在壁面上的吸附機構(gòu)(磁鐵、吸盤等，根據(jù)使用環(huán)境選擇)組合起來實現(xiàn)的，它將地面移動技術(shù)拓展到垂直空間上，充實了機器人的應用范圍。早在1966 年，日本的 A.NISHI［2］設計出了一臺簡單的爬壁機器人樣機，它的原理是利用電風扇進氣，產(chǎn)生低壓空氣，以產(chǎn)生的負壓為吸附動力制作而成的，這被看做是爬壁機器人的研究開端。自此，爬壁機器人技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。筆者結(jié)合典型的爬壁機器人最新成果總結(jié)分析爬壁機器人的研究現(xiàn)狀，并探討其應用前景。

1 爬壁機器人國外研究現(xiàn)狀

西班牙的 R.Lal Tummala［3］等人設計了一種兩種低功耗微型雙足爬壁機器人，見圖1，該機器人采用DSP控制的欠驅(qū)動系統(tǒng)，由三個電機驅(qū)動實現(xiàn)四個自由度的運動。韓國的Hwang Kim［4］等人研制了一臺如圖2的履帶式吸盤機器人，他將真空吸盤安裝在履帶上，有別于傳統(tǒng)的輪式真空吸附方式，能有效提高真空吸附的效率和吸附力。

圖1 足式爬壁機器人

圖2 履帶式爬壁機器人

葡萄牙的 Mahmoud Tavakoli［5］等人研制了 1 個如圖3所示的有全向輪永磁機器人，該機器人的車身3個展開臂的連接處安裝了扭轉(zhuǎn)彈簧，具有被動自適應不同曲率曲面的能力，同時由于其采用全向輪驅(qū)動，使其擁有較好的機動性。德國的Tache.F［6］等人研發(fā)了如圖4的一種用于檢測鋼制復雜結(jié)構(gòu)管道內(nèi)部的磁輪機器人。該機器人有五個活動的自由度，每個主動輪上有用于升降穩(wěn)定的側(cè)桿臂和一個轉(zhuǎn)向單元。側(cè)桿臂上安裝有磁輪，側(cè)桿臂上磁輪高度略小于主動高度，主要是為了減小磁鐵吸附作用和保持機器人平衡。

日本的Inoue.K［7］等人根據(jù)人體攀巖壁面附著原理成功研制了名叫The asterisk robot攀爬網(wǎng)狀壁面的爬壁機器人，如圖5所示，它有多個機械抓臂與蜘蛛六足相似，通過抓臂前端人手臂關(guān)節(jié)的擺動和足的伸縮來實現(xiàn)吊掛功能，通過六足的協(xié)調(diào)動作就可以懸掛在各種網(wǎng)狀壁面上，同時能夠?qū)崿F(xiàn)多維度運動。

圖3 雙輪式爬壁機器人

圖4 全向輪爬壁機器人

以色列的Avishai Sintov［8］等人開發(fā)了具有自主攀爬能力的機器人，能夠攀上垂直和粗糙的表面，如圖6所示。它采用四條腿，每條腿由一個四個自由度的連桿組成，在每條腿的前端上安裝有類似魚鉤狀的爪子，每個爪子可以在壁面上獨立移動。這種設計的主要優(yōu)點是不需要類似于壁虎尾巴的結(jié)構(gòu)來平衡壁面受力。

圖5 機械力抓持爬壁機器人

圖6 仿生吸附式爬壁機器人

美國的Ozgur Unver［9］等人開發(fā)了基于彈性體粘合的履帶式爬壁機器人，如圖7所示。這種機器人能夠以較快的速度實現(xiàn)連續(xù)、無劇烈震動的吸附在光滑或粗糙的壁面上運動。它屬于是輕量級的(60～150 g)的爬壁類機器人，可以在光滑的表面攀爬0°到360°坡度。另外該爬壁機器人最多可攜帶300 g的負重，同時還可以越過高度為16 mm的障礙物。

美國一公司［10］設計了如圖8所示的遠程遙控爬壁機器人，它有四個或六個驅(qū)動輪，采用負壓吸附原理吸附在壁面上，自帶可充電鋰聚合物電池組，可給驅(qū)動單元和控制單元供電長達45～60 min，同時其能吸附在大部分粗糙不平的壁面上。

圖7 黏性吸附式爬壁機器人

圖8 負壓吸附式爬壁機器人

2 磁吸附爬壁機器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對爬壁機器人的研究起步相對較晚，直到1996年，哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所在國家“863”計劃的資助下成功研制了多功能履帶式罐壁噴涂檢測磁吸附爬壁機器人［11］，如圖9所示。該機器人主要是針對石油行業(yè)中的儲油、儲水鋼罐，定期噴砂除銹、噴漆防腐、涂層厚度檢測等不利于人工操作的工作而研制的特種設備。作為國內(nèi)開展爬壁機器人研究較早的單位，在其后的發(fā)展過程中又研制了如圖10所示的應用于偵查領(lǐng)域基于負壓吸附的爬壁機器人［12］。與此同時國內(nèi)爬壁機器人研究也逐漸展開，比較有代表性的國內(nèi)高校有清華大學、上海交通大學、大連海事大學及寧波大學等。

國內(nèi)爬壁機器人技術(shù)研究比較成熟的就是磁吸附類爬壁機器人，大多偏重于應用型，主要用于油罐檢測與船體壁面清洗、除銹、焊縫檢測等，主要采用的形式多為履帶式或者輪式。

應用永磁吸附的爬壁機器人結(jié)構(gòu)的研究對象都有以下三個特點:

(1)它們都需要定期的檢查、維修和保養(yǎng)。

(2)它們的表面都是柱狀或者凹凸不平的壁面。

(3)都是屬于鋼制壁面，容易被磁鐵吸附。

圖9 磁吸附爬壁機器人

圖10 偵查爬壁機器人

上海交通大學徐澤亮、馬培蓀［13］等介紹了如圖11所示的基于稀土永磁均勻磁化且有別于傳統(tǒng)普通吸盤結(jié)構(gòu)的履帶多體磁化爬壁機器人。聞靖［14］研制了基于儲油罐清洗和檢測工作的爬壁機器人，如圖12，其在機械結(jié)構(gòu)上未做重大改變，而是主要針對機器人變磁力吸附單元進行了研究，根據(jù)有限元仿真得到磁感應強度分布及磁吸附力，同時開發(fā)了基于Visual C++上、下位機控制的機器人控制系統(tǒng)。

大連海事大學的衣正堯［15］開發(fā)了一種履帶式永磁真空混合吸附的爬壁機器人，如圖13，主要用于船舶壁面除銹。該機器人特點是體型巨大，由于采用了永磁吸附，因此其帶負載能力強，另外該機器人能夠隨著爬壁高度的變化自動調(diào)節(jié)機器人負載質(zhì)量與重心位置。

寧波大學的陳偉［16］設計研制了船體拋光小型機器人彎翹曲面行走系統(tǒng)，如圖14，利用RecurDyn軟件對行走系統(tǒng)的曲面自適應效果進行動力學研究，模擬小型機器人在規(guī)則曲面和彎翹曲面上的運動情況，利用workbench建立對單個吸附單元進行靜磁分析，分析了鋼板厚度與空氣間隙對吸附力的影響，從而填補了永磁吸附類爬壁機器人在吸附理論上的不足，并在實驗中取得良好的運動效果。

圖11 多體磁化式爬壁機器人

圖12 變磁力式爬壁機器人

圖13 永磁真空混合式爬壁機器人

圖14 船體拋光小型機器人彎翹曲面行走系統(tǒng)

3 爬壁機器人技術(shù)現(xiàn)狀與應用分析

3.1 爬壁機器人技術(shù)現(xiàn)狀

目前爬壁機器人不同的研究方向主要歸結(jié)于吸附方式與運動形式上兩點。根據(jù)上述研究現(xiàn)狀，大多數(shù)研究者是根據(jù)使用用途選用吸附方式，如在玻璃或光滑壁面上工作時，主要采用真空吸附或者仿生吸附，在鋼制壁面上主要采用磁力吸附，主要包括永磁吸附和電磁吸附;而在復雜壁面上或者是彎曲壁面上大多采用混合吸附方式，目前爬壁機器人的吸附方式主要有以下幾種。

若以運動形式來分，則可以分為輪式、履帶式、足式以及框架式這幾類，它們的應用途徑主要取決于工作壁面的狀況，并于吸附方式組裝后選用，總體來說，其應用方式比較固定。

表1 不同吸附方式爬壁機器人性能對比

3.2 爬壁機器人應用分析

結(jié)合上述技術(shù)現(xiàn)狀分析與對比可見，爬壁機器人經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展，取得了一定的成績，但是從產(chǎn)業(yè)化或者是從研究應用來講，還有很大的差距，目前大多的研究成果都處在樣機驗證階段，總體來看爬壁機器人技術(shù)還存在一些難以克服的問題:

(1)工業(yè)應用與樣機驗證的差距。目前爬壁機器人的研究基本上都是針對某一行業(yè)上的應用而展開的，因此其研究內(nèi)容就必然帶有局限性，無法突破有些特定的思維定式，從而也就制約了其走上產(chǎn)業(yè)化的道路，同時其行業(yè)應用的領(lǐng)域范圍也受到了極大的限制。

(2)運動靈活性與吸附穩(wěn)定性之間的矛盾。研究爬壁機器人的兩大主題就是運動形式與吸附方式。而這兩者是相互矛盾的，運動越靈活，其吸附力也應該越小越好，但是考慮到安全性，吸附力越大，安全性越好，這就形成了一個惡性循環(huán)。吸附力越大，運動性能越差;運動性能越好，吸附力會不足。因此需要在這個循環(huán)中找到折中點，這種折中的方式就會造成設計制造出的樣機存在先天的缺陷。

(3)仿生研究與功能性的背道而馳?，F(xiàn)在爬壁機器人的研究趨勢多向仿生方向研究發(fā)展，如上提到的彈性吸附式、雙足吸附式等都是基于模仿動物、人的動作而研制的，這種方式在控制上相對困難，功能性也相對較差，其最大的弊病是不能提供相應的工業(yè)應用方向，也就是說其研究成果僅限于實驗驗證，其研究價值也大打折扣。

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