清洗爬壁機器人國內外研究現(xiàn)狀的綜述

王堯， 馮偉東

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

1 壁面移動機器人的國內研究現(xiàn)狀

與國外許多國家相比，我國在壁面移動機器人的研究方面起步相對較晚，我國于20世紀70年代初期才開始著手研究和開發(fā)機器人。在我國掀起的第一個研制機器人的浪潮是以1975年在北京舉辦的日本科技博覽會上由川崎重工展示的一款工業(yè)機器人為起點。自此以后，國內多所著名的大學、科研院所以及企業(yè)紛紛致力于開發(fā)研制機器人。

哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所研制開發(fā)了第一臺由我國自主設計與研制的壁面爬行遙控檢查機器人BH-1。自1998年開始哈爾濱工業(yè)大學設計了兩款爬壁機器人。圖1是其中的一款用于罐壁噴涂檢測的多功能履帶式機器人，該款機器人的吸附方式為磁吸附。另一款機器人的吸附結構采用單吸盤的真空吸附，主要利用微機進行控制，遙控方式為有線遙控。

圖1 履帶式磁鐵吸附機器人

在爬壁機器人的開發(fā)與研究方面香港城市大學也進行了積極的探索研究，他們開發(fā)研制了一種全氣動的壁面爬行機器人，該款機器人采用十字形的框架結構，如圖2所示。此款機器人的整體系統(tǒng)由本體、供應車、空壓機及控制機等組成。機器人的本體尺寸為1220 mm×1 340 mm×370 mm，重量為30 kg。在機器人的本體上安裝一個由擺動氣缸形成的腰關節(jié)校正方向誤差，防止方向累積誤差。

圖2 爬壁機器人的主體結構

為了實現(xiàn)機器人翻越障礙的功能，通過氣缸的伸縮實現(xiàn)腿部抬起的動作從而越過障礙。在水平氣缸的兩端安裝有清洗裝置，可以讓它進行清洗。機器人用吸盤可以吸附壁面上。吸附方式采用真空吸附，驅動方式采用氣壓驅動。機器人整體結構簡單、靈活，并能實現(xiàn)自主判別。但它的不足是裝置的運動有很多限制，使其工作困難，除此之外，機器人的整體剛性較差。

2 壁面移動機器人國外現(xiàn)狀

早在1966年，大阪府立大學工學部的講師西亮就研制出了一臺可以在垂直的壁面上移動的機器人樣機，這臺機器人樣機的吸附力來自于電風扇進氣側的低壓空氣所產生的負壓。1975年，已經在宮崎大學工學院部任教授的西亮又一次研制出了一臺機器人樣機，與第一臺樣機不同的是這臺二號樣機以實用化作為設計目標。

圖3 Walker機器人

2.1 日本

1978年，一臺名叫Walker的壁面移動機器人應運而生，這臺機器人由日本的化工機械技術服務株式會社研制。如圖3所示，這臺機器人的吸附方式為單吸盤式結構。吸附力來自于真空泵產生的負壓，通過上下布置的兩個行走滾子作為機器人的行走機構。但若行走軌道上有裂縫的話，會使產生的負壓難以維持機器人的吸附。關西電力株式會社所還研究出了一種履帶式壁面移動機器人，這臺壁面移動機器人的吸附方式為真空吸附，行走方式為履帶式結構。機器人的直線行走及轉向功能通過均勻分布于履帶及車體底部的吸盤實現(xiàn)，但這臺機器人的缺點是翻越障礙及面面之間的轉換能力較差。如圖4所示。

圖4 爬壁機器人模型

圖5 所示的是一臺能夠清洗玻璃的壁面移動機器人的總體結構，主要包括氣體驅動及真空吸附。機器人系統(tǒng)分別包括本體、室內及室外支援裝置。1個能夠進行縱向移動的氣缸和2個進行橫向移動的氣缸共同組成了機器人的本體。在氣缸的端部安裝可以進行升降的吸盤，此外將擦洗的裝置安裝于橫向氣缸的端部。室內的支援裝置主要包括主控計算機、水管和氣管收放裝置、電纜和水泵等裝置。拖拽管線和安放機器人安全繩的可移動平臺構成了室外支援裝置。實施擦洗作業(yè)時，機器人的擦洗順序按照從左到右、自上而下的順序。擦洗的過程中機器人可以縱向跨越障礙（主要為窗框），但是不能夠進行橫向障礙的跨越。該臺機器人能夠將清洗功能和移動功能相結合，特點是結構緊湊、重量較輕。這是最早的壁面清洗機器人之一，它精巧的結構造型和合理的規(guī)劃方式為進一步的研究奠定了基礎。

圖5 清洗玻璃機器人

2002年日本的三菱重工研制了一款多用途壁面機器人，該機器人的驅動方式為輪式驅動，自身重量僅為40 kg。機器人能夠可靠地吸附于鋼質材料的表面主要依靠安裝于機器人腹部的2組永磁鐵，其主要被用于壁面的檢測、清洗及噴漆等作業(yè)。

2.2 美國

美國也是世界上開展壁面移動式機器人研究較早的國家之一。1989年美國州立威寄托大學的Benham Bahr領導的小組陸續(xù)研制了ROSTAM系列壁面移動機器人。在機器人上裝有非接觸式的攝像頭與傳感器，主要被用于檢查飛行器上蒙皮的質量。生產制造出了ROSTAM-Ⅰ機器人的原形，這臺機器人有能夠沿著4個方位進行移動的4條腿。之后在此基礎上研究人員又對這臺機器人進行了改良，設計出ROSTAM-Ⅲ機器人。一個直徑比較大的圓形吸盤被安裝在機器人的中間下部位置，依靠這個吸盤機器人可以實現(xiàn)任何方向的轉動及進行姿態(tài)調整；在機器人的頭部和尾部的臂上各安裝1組小吸盤，每個臂具有轉動和移動2個自由度，轉動自由度依靠蝸輪蝸桿驅動實現(xiàn)，移動自由度依靠氣缸驅動實現(xiàn)，與吸盤相固連的氣缸分別固定在臂的兩端，機器人移動方向的變換則依靠蝸輪蝸桿實現(xiàn)，蝸輪蝸桿傳動通過直流電機驅動。氣動回路中調速閥的使用可以降低活塞與氣缸相互碰撞的速度，這樣可以有效地減少附加的沖擊力和沖擊力矩。

德克薩斯州立大學的研究人員研制出了一種小型壁面機器人，該機器人的驅動方式為電氣驅動。機器人使用微型的直流電機對2個風箱進行驅動使其交替地壓縮和舒張，以便獲得2組吸盤吸附和張開所需要的正壓和負壓，進而實現(xiàn)機器人的壁面移動功能。機器人的供電方式采用干電池供電，結構簡單，構思新穎。

密歇根州立大學的Mark Minor研制出了一臺微型的兩足壁面移動機器人RAMR，該機器人的行走結構為雙吸盤兩足步行結構，特點是應用了“Under Actuated”結構，該結構可以使用3臺電機來驅動4個關節(jié)。這種兩足式結構機器人的缺點是重心偏高，由于足端集中的載荷導致了機器人穩(wěn)定性較差。即使其具有很好的靈活性，但很少應用于壁面的移動領域。

2.3 英國

一款具有與蜘蛛的腿腳相似的被稱作Robug的機器人誕生于英國的樸茨茅斯大學，這款機器人的腳步安裝有吸盤，使其可以沿著壁面進行爬行。開發(fā)的Robug三代機器人腳的數量達到了8只，而且每只腳都安裝有屬于自己的微處理器，在每只腳的根部安裝一個吸盤，采用氣動方式進行驅動。它可以把每個邊上的4條腿設為1組，分別讓氣缸對其進行驅動，這樣可以遙控機器人實現(xiàn)任意方向的行走，如圖6所示。

圖6 Robug三代機器人

2.4 意大利

意大利的卡塔尼亞大學研究小組設計研發(fā)了可用于壁面檢測的Alicia系列機器人。圖7為Alicia2型機器人，這款機器人的主體主要是由1個吸盤和2對輪子組成，吸盤的作用是使機器人借助于吸力吸附在墻壁上，這樣可以讓它的行動變得靈活。其缺點是翻越障礙的能力較差，為了彌補這一不足重新采用了新穎的設計思路開發(fā)研制了Alicia3代機器人，這款三代機器人的基本結構是由3個Alicia2形成，每2個之間采用1根連桿進行連接，翻越障礙的時候進行吸附，而另一個在連桿的作用下進行抬起動作，這樣就能翻越遇到的阻礙，這樣的設計提高了機器人翻越障礙的能力。

圖7 Alicia2型機器人

［1］ 閻軍濤.壁面清洗機器人的運動控制系統(tǒng)設計［D］.重慶:重慶大學，2007.

［2］ 楊建元.吸附性壁面攀爬機器人研究［D］.西安:西北工業(yè)大學，2007.

［3］ 胡啟寶.多吸盤式玻璃幕墻清洗機器人本體設計［D］.上海:上海交通大學，2007.

［4］ 中國煤田地質總局.煤田鉆探工程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1993:252-257.