爬壁機(jī)器人能源工業(yè)應(yīng)用與發(fā)展

桂仲成

（京東方科技集團(tuán)股份有限公司，北京，100176）

爬壁機(jī)器人能源工業(yè)應(yīng)用與發(fā)展

桂仲成

（京東方科技集團(tuán)股份有限公司，北京，100176）

摘 要本文對爬壁機(jī)器人在能源工業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行分析，對爬壁機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展進(jìn)行研究，并提出其工業(yè)應(yīng)用研發(fā)技術(shù)路線發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：爬壁機(jī)器人，能源工業(yè)

1　爬壁機(jī)器人工業(yè)應(yīng)用

1.1 定義

爬壁機(jī)器人[1]是一種可以在各式各樣壁面上攀爬、攜帶作業(yè)工具及附屬設(shè)備并完成特定作業(yè)的移動機(jī)器人，主要代替人從事危險、繁重的現(xiàn)場作業(yè)，無須安裝腳手架，可提高作業(yè)效率、提升作業(yè)質(zhì)量并保障作業(yè)安全。其工業(yè)應(yīng)用主要包括：

檢查與檢測：包括電廠設(shè)備、輸電電纜、管道、石化儲罐、船舶、海洋平臺、橋梁等設(shè)施的檢查和無損檢測等；

材料加工：包括石化儲罐、船舶、海洋石油平臺等的切割、焊接、打磨、噴涂等；

維護(hù)：包括船舶、飛機(jī)等的除銹以及高層建筑物的清洗等；

其他：包括貨物運(yùn)輸、救援、公共安全等。

1.2 能源行業(yè)應(yīng)用

1.2.1 應(yīng)用需求

本節(jié)重點對以能源轉(zhuǎn)化為核心應(yīng)用的爬壁機(jī)器人需求進(jìn)行分析。其中，電廠外部主要包括資源運(yùn)輸以及電力輸送設(shè)備，資源運(yùn)輸涉及的設(shè)施包括船舶、管道、火車、儲罐等，電力輸送涉及的設(shè)施包括電纜等；發(fā)電設(shè)備主要包括鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、核島裝備、風(fēng)機(jī)等。

能源變化過程涉及的主要設(shè)備往往是大型設(shè)備，其特征是“重、大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜”，很多制造環(huán)節(jié)還是手工作業(yè)，有時還必須在現(xiàn)場作業(yè)，這其中又以焊接作業(yè)最為典型，此類部件是實現(xiàn)制造自動化的瓶頸。

為提升制造水平、提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量，迫切要求實現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)件焊接等作業(yè)的自動化。但是，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人或?qū)Ｓ米詣踊b備由于在移動靈活性和柔性（智能）等方面受局限，很難在這種場合應(yīng)用，故迫切需要新的解決方案。解決這一問題的思路之一是采用比工件更大的自動化系統(tǒng)，但這種自動化系統(tǒng)的成本很高且適用的產(chǎn)品種類有限，因此，此類大型自動化系統(tǒng)競爭力較弱。爬壁機(jī)器人可在工件表面全方位移動并能適應(yīng)不同種類的工件，在作業(yè)靈活性和柔性等方面具備很大的優(yōu)勢且成本相對較低，因此其在大型鋼結(jié)構(gòu)件的焊接（包括切割）、噴涂、無損檢測等作業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

另一方面，能源設(shè)備往往都是重要的基礎(chǔ)設(shè)施，一般均需要定期檢修。以大型發(fā)電設(shè)備檢修為例，這些設(shè)施的檢修或者需要撘腳手架、或者需要把檢修對象拆下來在車間內(nèi)進(jìn)行檢修，這造成檢修周期長。如果能夠免除搭、拆腳手架或者拆卸安裝檢修對象的工序，能在現(xiàn)場完成檢修，這可以減小非必須的輔助工序時間（拆卸、安裝、調(diào)試等），會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。另外，在某些場合下，由于環(huán)境的限制（如放射性的場所、高空），工人進(jìn)行檢修作業(yè)存在巨大的安全隱患。而由各式各樣的爬壁機(jī)器人進(jìn)行上述檢修作業(yè)，不僅可以縮短檢修周期、提高檢修作業(yè)效率，也可以提升作業(yè)質(zhì)量和保障作業(yè)安全。因此，從上述角度來說，爬壁機(jī)器人在此類檢修作業(yè)中應(yīng)用前景廣闊。

綜上所述，爬壁機(jī)器人在能源轉(zhuǎn)化涉及的海洋石油平臺、船舶、管道、儲罐以及大型發(fā)電設(shè)備等設(shè)施的制造（或建造）以及在役檢修維護(hù)方面具有很大的市場潛力。

1.2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

本節(jié)重點對已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用或生產(chǎn)的典型機(jī)器人產(chǎn)品進(jìn)行介紹。

1）Alstom Inspection Robotics

該公司由Alstom（瑞士）和Swiss Federal Institute of Technology于2006年合資成立，致力開發(fā)適用于電廠、化工以及石化工業(yè)設(shè)施自主檢測的機(jī)器人產(chǎn)品。目前已開

發(fā)出系列檢查機(jī)器人，主要有：

A） Alstom模塊化大表面檢測機(jī)器人

該機(jī)器人自重12 kg，尺寸為410mm×45mm×410mm，負(fù)載能力10kg，如圖1（a）所示。機(jī)器人采用磁輪吸附（可跨越10mm高的障礙物），遠(yuǎn)程控制，可自主跟蹤焊縫以及特定的輪廓，具有自主防碰能力，可集成8-16通道超聲檢測儀以及4通道渦流檢測儀、攝像頭以及水槍等工具，并具備檢測數(shù)據(jù)自動記錄與自主創(chuàng)建缺陷分布圖功能，可用于船舶、大型儲罐與容器、壓力水管以及風(fēng)機(jī)塔架等大型表面的檢查。

B） Alstom小型四輪檢測機(jī)器人

Alstom小型四輪檢測機(jī)器人，采用永磁吸附方式（間隙吸附），可攜帶超聲等檢測儀器，具備數(shù)據(jù)自動記錄和處理功能，遠(yuǎn)程控制，如圖1（b）所示，可用于轉(zhuǎn)子等規(guī)則零部件的無損檢測。

C） Alstom Magnebike檢測機(jī)器人

Alstom Magnebike機(jī)器人自重3.5kg，尺寸180mm× 130mm×220mm ，如圖1（c）所示。機(jī)器人采用磁輪吸附、自行車運(yùn)動機(jī)構(gòu)，具備很強(qiáng)的壁面適應(yīng)能力，可用于汽輪機(jī)蒸汽室等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場檢測。

D）Alstom定子檢測機(jī)器人

該機(jī)器人高度僅有9mm，軸向采用磁輪驅(qū)動，周向采用“蠕動“方式移動，適用于定子在役檢測，如圖1（d）所示。

圖1　Alstom 系列檢測機(jī)器人

2）GE Energy

A）GE管道檢測機(jī)器人

GE開發(fā)了適用于6-30英寸（15.2-76.2cm）管道檢測的系列機(jī)器人，如圖2（a）所示。機(jī)器人采用有纜方式供電和傳輸數(shù)據(jù)，可在彎道（1.5倍管子直徑）內(nèi)行走，可攜帶視覺、超聲檢測等工具，最大行駛距離1000英尺（約300m），可用于核電站、油氣運(yùn)輸、精煉廠等管道的檢測。

B）GE Magic定子檢測機(jī)器人

GE開發(fā)的適用于電機(jī)定子檢測的機(jī)器人高度約12 mm，可完成定子的在役檢測，如圖2（b）所示。

圖2　GE檢測機(jī)器人

3）Olympus

WeldROVER機(jī)器人可進(jìn)行全自動數(shù)據(jù)采集、操作簡便的電動掃查，如圖3所示。機(jī)器人采用四磁輪吸附方式，具備激光導(dǎo)引焊縫跟蹤功能。最多可使用6個探頭，具有UT、TOFD、PA功能，可對鐵磁性管件或容器進(jìn)行高效的相控陣焊縫檢測。

4）Jireh Industries

加拿大Jireh Industries公司開發(fā)了兩款無損檢測機(jī)器人產(chǎn)品Navic和Tripod，如圖4和圖5所示。Navic尺寸為21cm× 2.6cm×25.4 cm，自重7.7kg，采用模塊化的結(jié)構(gòu)，由2個模塊組成，每個模塊采用2個磁輪，模塊間通過鉸鏈連接，適用表面最小直徑為70mm（周向檢測）、305mm（軸向檢測），遠(yuǎn)程控制，可自主跟蹤焊縫，

可攜帶各種檢測儀器。

圖3　Olympus檢測機(jī)器人

圖4　Navic檢測機(jī)器人

圖5　Tripod檢測機(jī)器人

Tripod機(jī)器人采用3磁輪機(jī)構(gòu)，尺寸為45cm× 16.5cm×39.3 cm，自重13.6kg，負(fù)載能力為13.6kg，遠(yuǎn)程控制，可以攜帶攝像頭、檢測儀器等工具。

這兩款機(jī)器人均可選配焊縫跟蹤、安裝拆卸輔助裝置、電動掃描支架等模塊。

5）Silverwing

英國Sliverwing公司開發(fā)了Scorpion B-scan 無損檢測機(jī)器人，該機(jī)器人采用四輪獨(dú)立驅(qū)動機(jī)構(gòu)，永磁（間隙）吸附方式，尺寸為385 mm ×222 mm ×102 mm，自重4.75kg，可攜帶13.6kg的負(fù)載，如圖6所示，可遠(yuǎn)程控制，自動記錄檢測數(shù)據(jù)，本體由電池驅(qū)動，臍帶線最長可達(dá)50m。該機(jī)器人有一項特殊設(shè)計是采用輪式超聲檢測探頭，它可以和機(jī)器人無縫集成。根據(jù)大小、適應(yīng)的壁面不同等，公司已開發(fā)了3種型號的機(jī)器人。

圖6　Scorpion B-scan檢測機(jī)器人

6）Buckeye Partners

Buckeye Partners開發(fā)的Smart PIG管道檢測機(jī)器人，依靠管道內(nèi)液體的壓力驅(qū)動機(jī)器人沿著管道運(yùn)動并完成檢測作業(yè)，如圖7所示。

圖7　Smart PIG管道檢測機(jī)器人

7）Chariot Robotics

Chariot Robotics 有限責(zé)任公司從美國National Robotic Engineering Center購買了相關(guān)專利，開發(fā)用于船舶等表面除銹的機(jī)器人，如圖8所示。該機(jī)器人采用永磁吸附方式、輪式移動機(jī)構(gòu)，使用高壓水槍除銹工藝。

8）Robotic Technologies of Tennessee

從2007年開始，美國自然科學(xué)基金——小企業(yè)創(chuàng)新基金分兩次（2007年、2009年）資助Robotic Technologies of Tennessee研發(fā)爬壁焊接機(jī)器人樣機(jī)。2012年左右，工程樣機(jī)已在美國多個船廠應(yīng)用和完善。

該機(jī)器人采用永磁履帶機(jī)構(gòu)，具備焊縫跟蹤功能（采用Servo Robot或Meta傳感器）。機(jī)器人尺寸約47cm×47cm× 26cm，自重約30kg，負(fù)載能力約45kg，如圖9所示。

圖8　Chariot Robotics除銹機(jī)器人

圖9　Tennessee焊接機(jī)器人

9）中國東方電氣集團(tuán)有限公司[2]

中國東方電氣集團(tuán)開發(fā)了大型鋼結(jié)構(gòu)用爬壁焊接機(jī)器人工程樣機(jī)，該機(jī)器人采用輪式移動機(jī)構(gòu)，間隙面吸附裝置和磁輪的永磁復(fù)合吸附裝置，可自主跟蹤焊縫并進(jìn)行焊接作業(yè)。該爬壁機(jī)器人重25kg，可以攜帶超過60kg的負(fù)載，可原地轉(zhuǎn)向，如圖10所示。機(jī)器人已在大型發(fā)電設(shè)備焊接中應(yīng)用驗證。

圖10　東方電氣智能爬壁焊接機(jī)器人

10）科沃斯

蘇州科沃斯電器公司開發(fā)了擦窗機(jī)器人“窗寶”，采用真空吸附方式，如圖11所示。

1.2.3 小結(jié)

從上述調(diào)研可以看出，市場上已經(jīng)存在了一定數(shù)量的爬壁機(jī)器人產(chǎn)品，這些產(chǎn)品在管道、船舶、儲罐、發(fā)電設(shè)備的檢查與檢測等方面已經(jīng)得到了較廣泛應(yīng)用，在大型結(jié)構(gòu)件焊接與維護(hù)方面的應(yīng)用也開始起步。

Alstom、GE、Olympus等設(shè)備制造商重視爬壁機(jī)器人的開發(fā)，但是相對于能源行業(yè)需求來說，現(xiàn)有產(chǎn)品種類和功能還比較單一，應(yīng)用推廣的普及程度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，爬壁機(jī)器人在能源行業(yè)的應(yīng)用還有很大潛力可挖。

圖11　科沃斯擦窗機(jī)器人

2　爬壁機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展

作為移動作業(yè)機(jī)器人的一種，爬壁機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)主要包括爬壁機(jī)構(gòu)技術(shù)和控制技術(shù)。其中，爬壁機(jī)構(gòu)技術(shù)是爬壁機(jī)器人的專有技術(shù)，控制等技術(shù)和其他類型移動機(jī)器人類似，如圖12所示。

本節(jié)主要對爬壁機(jī)構(gòu)技術(shù)及發(fā)展進(jìn)行分析，主要包

括吸附、移動以及壁面適應(yīng)（或越障）三個方面。其中，吸附機(jī)構(gòu)技術(shù)從控制模式上可以分為被動吸附方式和主動控制吸附兩種，移動機(jī)構(gòu)從適用的壁面類型來說可以分為2D移動機(jī)構(gòu)和3D移動機(jī)構(gòu)。

2.1 爬壁機(jī)構(gòu)技術(shù)

2.1.1 吸附機(jī)構(gòu)技術(shù)

1）機(jī)械吸附

機(jī)械吸附方式主要模仿人攀爬壁面以及登山裝置的原理，典型方式如圖13所示。

圖12　爬壁機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

圖13　典型機(jī)械吸附方式原理

最直接的壁面攀爬方式是利用壁面上已有的特征；如果沒有合適的特征可以利用，一個替代辦法是利用特定的裝置插入壁面；或者是上述兩種方式的結(jié)合，即在軟的壁面采用插入方式，在硬的表面采用利用壁面特征的方式。此類吸附方式的優(yōu)點是機(jī)器人的負(fù)載能力僅受其與壁面連接強(qiáng)度的限制，缺點是此類吸附方式一般不能采用連續(xù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)（如輪式移動機(jī)構(gòu)），往往無法在天花板上使用，應(yīng)用受到很大限制。

如果必須使用輪式等連續(xù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)，一個機(jī)械吸附的替代解決方案是通過機(jī)器人和壁面之間的擠壓產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行承載。為了產(chǎn)生擠壓力，往往采用彈性機(jī)構(gòu)或者主動控制裝置，或者兩者結(jié)合使用。此類裝置往往利用杠桿、鍥以及凸輪或者類似的機(jī)構(gòu)將重力轉(zhuǎn)化成擠壓力。采用機(jī)械吸附的爬壁機(jī)器人例如：SpinyBot II[3]使用帶極小刺的腳插入壁面以保證其對壁面的吸附；Tree bot[4]利用其和樹干表面的抓緊力實現(xiàn)攀爬，3dclimber[5]利用機(jī)器人和管狀壁面之間的夾緊力實現(xiàn)攀爬；Toshiba 1'' tube crawler[6]利用輪子或履帶和壁面之間的擠壓力產(chǎn)生摩擦力，實現(xiàn)在管道內(nèi)的吸附。采用機(jī)械吸附方式的爬壁機(jī)器人在管道檢測領(lǐng)域已實現(xiàn)了較大規(guī)模應(yīng)用。

2）磁吸附

如果壁面是鐵磁性的，采用磁吸附方式往往是優(yōu)先選擇。磁吸附方式可分為電磁吸附和永磁吸附兩種。電磁吸附方式的優(yōu)點是吸附力可調(diào)節(jié)，缺點是需要能源供給且很難和輪或者履帶集成。永磁吸附方式，無須能源供給，能量密度高且易于和輪或履帶等運(yùn)動機(jī)構(gòu)集成，從而得到了更廣泛的應(yīng)用，但其缺點是吸附力調(diào)節(jié)相對困難。

永磁體安裝方式主要包括安裝在腿式運(yùn)動機(jī)構(gòu)的腳上、輪子里、履帶上（直接接觸吸附）或者底盤上（非接觸吸附）。永磁體安裝在底盤的好處是磁體表面吸附的鐵屑等不會對機(jī)器人的運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響（和直接接觸吸附相比）。磁輪吸附方式的優(yōu)點是吸附力對壁面曲率變化的敏感度低（和非接觸吸附相比）。

采用磁吸附方式的典型機(jī)器人包括：Robinspec[7]采用電磁吸附方式、腿式移動機(jī)構(gòu)，OmniClimbers[8]采用萬向磁輪機(jī)構(gòu)，WCWR[9]采用輪式移動機(jī)構(gòu)、可調(diào)間隙永磁吸附裝置，Tripillar[10]采用永磁吸附裝置、履帶式移動機(jī)構(gòu)。幾十年以來，磁吸附爬壁機(jī)器人已在船舶、儲罐檢測等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

3）氣動吸附

氣動吸附又稱為真空吸附，主要包括吸盤（被動式和主動式）、真空室、漩渦三種方式。其中，漩渦吸附方式能量密度相對較高。

典型的氣動吸附爬壁機(jī)器人包括：Roma II[11]采用主動吸盤、腿式移動機(jī)構(gòu)，City Climber[12]采用漩渦吸附、輪式移動機(jī)構(gòu)。

氣動吸附方式可適用于非導(dǎo)磁性壁面，但是為產(chǎn)生吸附力需要能量供給，且能量密度較低，對壁面的光滑度等要求較高。由于上述缺點，氣動吸附爬壁機(jī)器人尚未在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但科沃斯公司開發(fā)的“窗寶”機(jī)器人已開始商品銷售。

4）靜電吸附

靜電吸附方式適用于非導(dǎo)磁性壁面。Stanford大學(xué)研制有采用履帶式移動機(jī)構(gòu)的靜電吸附爬壁機(jī)器人[13]。據(jù)研究者稱，這種吸附方式的能量密度較高且能量消耗較低，但技術(shù)仍然在開發(fā)中。

5）干吸附和粘著吸附

干吸附和粘著吸附方式主要模仿壁虎的攀爬方式，理論上適用于各種壁面，典型如六足式StickyBot機(jī)器人[14]，但是到目前為止，這類機(jī)器人僅在干凈的玻璃表面測試過，研究者稱這種吸附方式可以適用于更困難的壁面。

6）小結(jié)

總體來說，采用同一種吸附原理的主動吸附方式往往比被動吸附方式的吸附能力更強(qiáng)。但是，其最大劣勢是主動吸附方式需要能量供給，一旦能量供給失效，爬壁機(jī)器人將從壁面上摔落。

由于上述原因，永磁吸附方式比電磁吸附方式應(yīng)用前景更好。但是在非磁吸附方式里，主動吸附方式更常見。氣動吸附方式往往采用主動吸附方式（真空室或者漩渦），靜電吸附只能采用主動吸附方式。關(guān)于采用各種吸附原理的主動、被動吸附的性能比較如表1所示。

表1　典型吸附原理性能比較

在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用的爬壁機(jī)器人主要采用機(jī)械或磁吸附方式。氣動、靜電以及干粘著吸附等方式由于其低可靠性、對壁面要求高或僅能和擺腿式機(jī)構(gòu)集成、或由于技術(shù)尚不夠成熟，尚無法在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

2.1.2 移動機(jī)構(gòu)技術(shù)

爬壁機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以分為下列幾類：從基本的運(yùn)動概念來說可以分為滾動—腿式和擺動—腿式，兩者又可以組合形成混合式移動機(jī)構(gòu)；從接觸的瞬態(tài)特性來說可以分為連續(xù)式和離散式；從接觸的面積來說，可以分為小足式和大足式。綜合來說，主要有6種基本的移動機(jī)構(gòu)，如圖14所示。

圖14　爬壁機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)分類

1）滾動—腿式移動機(jī)構(gòu)

在滾動—腿式移動機(jī)構(gòu)中，爬壁機(jī)器人最常用的是輪式移動機(jī)構(gòu)。文獻(xiàn)[15]設(shè)計的機(jī)器人采用兩輪結(jié)構(gòu)，尾部設(shè)計提升了機(jī)器人壁面運(yùn)行穩(wěn)定性和適應(yīng)性，吸附磁鐵集成在車輪里。文獻(xiàn)[16]設(shè)計的機(jī)器人采用帶懸掛的兩輪機(jī)構(gòu)和漩渦吸附裝置。

輪式爬壁機(jī)器人運(yùn)動速度快，控制簡單，機(jī)構(gòu)相對也簡單。但是，輪式移動機(jī)構(gòu)有缺點：會被壁面上的空洞或者間隙卡住，遇到內(nèi)拐角時也有可能被卡住，無法適應(yīng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的壁面；有些吸附裝置無法集成到輪子里。

由于上述原因，有些爬壁機(jī)器人使用履帶式移動機(jī)構(gòu)，且吸附裝置一般直接安裝在履帶上。文獻(xiàn)[17]設(shè)計的機(jī)器人采用四履帶結(jié)構(gòu)，永磁吸附裝置集成在履帶上。

在平直壁面上，履帶式由于吸附面積大，負(fù)載能力強(qiáng)，但是在曲面上尤其是凸面上，由于履帶式機(jī)構(gòu)固有的缺陷會造成吸附力下降，吸附履帶易從壁面剝離造成機(jī)器人跌落，這個問題尚無法得到很好解決。同時，履帶式機(jī)器人也存在轉(zhuǎn)向困難的問題。

有一種兼具輪子和履帶優(yōu)點的輪履復(fù)合結(jié)構(gòu)，較好解決了履帶式吸附機(jī)構(gòu)的剝離問題，但其運(yùn)動是非連續(xù)的，這導(dǎo)致其在要求連續(xù)性的作業(yè)中無法應(yīng)用。

2）擺動—腿式移動機(jī)構(gòu)（擺腿式移動機(jī)構(gòu)）

擺腿式移動機(jī)構(gòu)主要用于攀爬結(jié)構(gòu)復(fù)雜的壁面或者用于那些不能和履帶式/輪式移動機(jī)構(gòu)集成的吸附方式。

典型的采用擺腿式移動機(jī)構(gòu)的爬壁機(jī)器人包括：兩足大足式爬壁機(jī)器人（如City Climber[12]）和多腿小足式爬壁機(jī)器人(如StickyBot機(jī)器人[14])。兩足大足式爬壁機(jī)器人一般用于壁面結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜且要求高運(yùn)動、靈活性的場合，多腿小足式爬壁機(jī)器人采用的吸附方式能力一般較弱（如被動式吸盤、類壁虎吸附）。

另外一種典型的擺腿式移動機(jī)構(gòu)是蛇形移動機(jī)構(gòu)，這種爬壁機(jī)器人一般用于桿狀壁面或內(nèi)管道壁面。蛇形移動機(jī)構(gòu)的控制非常復(fù)雜。

和滾動—腿式移動機(jī)構(gòu)相比，擺腿式運(yùn)動機(jī)構(gòu)的控制一般更復(fù)雜，這也導(dǎo)致其體積相對較大、運(yùn)動速度相對較慢。但是，復(fù)雜性提高換來的好處是移動性的提升，尤其是兩足式移動機(jī)構(gòu)在擺腿式移動機(jī)構(gòu)中最具應(yīng)用前景。

3）混合式移動機(jī)構(gòu)

有些爬壁機(jī)器人采用混合式移動機(jī)構(gòu)，即擺動和滾動腿式移動機(jī)構(gòu)的復(fù)合?；旌鲜揭苿訖C(jī)構(gòu)的優(yōu)點是：高速和高移動性，其復(fù)雜性介于擺動和滾動腿式移動機(jī)構(gòu)之間。

表2　各類移動機(jī)構(gòu)在地面和爬壁機(jī)器人中應(yīng)用的性能比較

典型的采用混合式移動機(jī)構(gòu)的爬壁機(jī)器人包括：Alicia[18]采用三足輪式移動機(jī)構(gòu)，Alstom開發(fā)的發(fā)電機(jī)定子檢測機(jī)器人軸向采用輪式移動機(jī)構(gòu)、周向采用框架式蠕動移動機(jī)構(gòu)。

4）移動機(jī)構(gòu)性能比較

對采用各種移動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動性能進(jìn)行比較，同時對采用類似移動機(jī)構(gòu)的典型地面移動機(jī)構(gòu)進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

從比較中可以看出，采用同樣移動機(jī)構(gòu)的爬壁機(jī)器人和地面機(jī)器人的運(yùn)動性能有很大區(qū)別，這主要由爬壁機(jī)器人的吸附力造成。

可以得出以下幾個結(jié)論：

A）在爬壁機(jī)器人應(yīng)用中，履帶式、多腿式以及蛇形移動機(jī)構(gòu)比其他形式的移動機(jī)構(gòu)更容易喪失其固有的優(yōu)點（和地面應(yīng)用相比）。

履帶式移動機(jī)構(gòu)的接觸面積大，在地面上移動時，其對各種各樣地面（如沙地、泥地、石頭等）的適應(yīng)能力強(qiáng)，但當(dāng)履帶式移動機(jī)構(gòu)用于爬壁機(jī)器人時，由于履帶式機(jī)構(gòu)固有的剛性導(dǎo)致其在小曲率凸面上易從壁面剝離。

當(dāng)爬壁機(jī)器人采用多足式移動機(jī)構(gòu)和蛇形移動機(jī)構(gòu)時，由于各足的吸附力（或各關(guān)節(jié)）一般需要主動控制，這導(dǎo)致其復(fù)雜性較在地面上應(yīng)用時更加復(fù)雜，此種機(jī)器人的體積重量往往較大，其應(yīng)用受到限制。

B）在爬壁機(jī)器人應(yīng)用中，雙足式、輪式以及混合式移動機(jī)構(gòu)比其他形式的移動機(jī)構(gòu)更容易獲得額外的優(yōu)勢（和地面應(yīng)用相比）。

在地面應(yīng)用中，雙足式機(jī)器人是高度非穩(wěn)定系統(tǒng)、控制復(fù)雜性高、地面適應(yīng)性差。但是當(dāng)雙足式移動機(jī)構(gòu)在爬壁機(jī)器人中應(yīng)用時，由于吸附力的存在，其穩(wěn)定性大幅提高且控制也更加簡單，這往往是很大的優(yōu)勢，而且雙足式爬壁機(jī)器人可以使用很多種吸附方式。

輪式移動機(jī)構(gòu)在爬壁機(jī)器人中應(yīng)用前景也相當(dāng)廣闊。典型的如采用自行車結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人，它不僅具有一般輪式移動機(jī)構(gòu)的優(yōu)點，還能適用于各種復(fù)雜壁面的過渡（如90°內(nèi)角、外表面過渡）。

采用混合式移動機(jī)構(gòu)的爬壁機(jī)器人大幅提升了壁面適應(yīng)性。舉例來說，輪式爬壁機(jī)器人的移動性能已不錯（中等），再結(jié)合幾個主動控制關(guān)節(jié)，就可以適用于非常復(fù)雜壁面的攀爬。

C）從工業(yè)應(yīng)用的角度來說，最具前景的移動機(jī)構(gòu)是下列兩種：一是兩足式和混合式移動機(jī)構(gòu)，主要由于其具

備高移動性能和合理的復(fù)雜性；二是輪式或輪腿式移動機(jī)構(gòu)，主要由于其具備較好的移動性能和較低的結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜性。

2.1.3 壁面適應(yīng)技術(shù)

爬壁機(jī)器人在運(yùn)行中所考慮的一個重要問題是，如何適應(yīng)各式各樣的壁面結(jié)構(gòu)與形態(tài)變化，這包括適應(yīng)壁面曲率與形貌的變化、不同壁面間的過渡、越障甚至運(yùn)行介質(zhì)的變化。典型的壁面變化如圖15所示。解決壁面適應(yīng)問題的關(guān)鍵是針對特定的應(yīng)用設(shè)計合適的吸附與運(yùn)動機(jī)構(gòu)集成方案。

圖15　典型的壁面變化示意

解決壁面適應(yīng)問題的一個思路是盡量采用簡單的機(jī)構(gòu)并在必要時結(jié)合適當(dāng)?shù)妮o助機(jī)構(gòu)。例如：文獻(xiàn)[2]采用三輪機(jī)構(gòu)結(jié)合專門設(shè)計的磁體布置方案，這可以一定程度適應(yīng)壁面凹凸的變化；文獻(xiàn)[3]采用兩輪機(jī)構(gòu)輔以尾部結(jié)構(gòu)，也可以較好適應(yīng)壁面的變化；文獻(xiàn)[4]采用兩輪自行車結(jié)構(gòu)、輔以主動連桿，可以適應(yīng)復(fù)雜的壁面變化；文獻(xiàn)[11]采用輪式移動機(jī)構(gòu)結(jié)合吸附裝置主動控制（提升或下降）的方案以適應(yīng)壁面凹凸的變化。

采用此種思路的爬壁機(jī)器人往往僅能適應(yīng)較小的壁面變化，或者能適應(yīng)復(fù)雜的壁面變化但負(fù)載能力弱（此種機(jī)器人尺寸往往較?。?。

解決壁面適應(yīng)問題的另一個思路是采用基于“化大為小”的多體柔性輪式或履帶式爬行機(jī)構(gòu)，其特征是模塊化且模塊之間是柔性連接。例如：文獻(xiàn)[19]提出了采用多個吸附裝置，且吸附裝置通過具有2-3個自由度的被動式鉸鏈和本體連接的方案；文獻(xiàn)[20]提出了采用多個模塊化爬壁機(jī)器人、機(jī)器人之間通過機(jī)械手協(xié)作實現(xiàn)壁面適應(yīng)的方案。采用此種思路的爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制往往較復(fù)雜，但負(fù)載能力可以得到較大幅度的提升。

此外，還可通過采用足式移動機(jī)構(gòu)解決壁面適應(yīng)問題，但此類機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，存在運(yùn)動非連續(xù)的問題。

2.1.4 吸附與運(yùn)動機(jī)構(gòu)的集成

典型的吸附和運(yùn)動機(jī)構(gòu)的集成如表3所示。

從表3中可以看出，在工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用的爬壁機(jī)器人往往是采用機(jī)械或磁吸附方式、輪式或履帶式移動機(jī)構(gòu)。這主要由下列原因造成：

A）只有機(jī)械式或者磁吸附的能量密度可以達(dá)到很高（提供足夠大的吸附力）且不需要額外的能源（被動式吸附）。

B）滾動—腿式移動機(jī)構(gòu)控制簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，其移動性能可以達(dá)到很多工業(yè)應(yīng)用的要求，且通過和特定機(jī)構(gòu)的復(fù)合（如主動關(guān)節(jié)），即可取得非常好的移動性。

C）很多工業(yè)應(yīng)用要求爬壁機(jī)器人能夠連續(xù)快速運(yùn)動，這也是輪式和混合式移動機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢。

表3　典型的吸附和運(yùn)動機(jī)構(gòu)

2.2 其他關(guān)鍵技術(shù)

爬壁機(jī)器人從控制自主程度上可以分為遠(yuǎn)程遙控、半自主控制和自主控制三種。從工業(yè)應(yīng)用的角度來說，現(xiàn)有的爬壁機(jī)器人主要采用遠(yuǎn)程遙控手動操作模式。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，半自主控制模式將得到越來越廣闊的應(yīng)用。在半自主控制模式下，由人進(jìn)行高級層面的決策和規(guī)劃，

機(jī)器人根據(jù)人規(guī)劃的特定任務(wù)進(jìn)行局部的自主運(yùn)行。

由于爬壁機(jī)器人主要應(yīng)用于制造、檢測等作業(yè)，這要求機(jī)器人能夠在3D壁面精確定位，并能根據(jù)作業(yè)任務(wù)自主規(guī)劃作業(yè)路徑和進(jìn)行運(yùn)動控制。為進(jìn)行此類作業(yè)，相對一般的移動機(jī)器人來說，爬壁機(jī)器人對定位精度的要求更高，如焊接時要求機(jī)器人末端軌跡精度小于1mm。在工業(yè)環(huán)境里，可以考慮通過利用已有的環(huán)境特征或設(shè)置標(biāo)識來實現(xiàn)精確定位；在標(biāo)識不可用的情況下，則要求研究適用于爬壁機(jī)器人的高精度3D SLAM技術(shù)，這需要進(jìn)行視覺傳感器、距離傳感器以及里程傳感器等多傳感信息的融合。

如果爬壁機(jī)器人必須無纜作業(yè)，還需要研究在（半）封閉或屏蔽復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境下高可靠的無線通信技術(shù)以及高能量密度的動力技術(shù)。

另外，爬壁機(jī)器人往往在復(fù)雜、危險的現(xiàn)場環(huán)境下作業(yè)，如何保證爬壁機(jī)器人運(yùn)行的安全性和可靠性也是實現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用的前提。

3　結(jié)語

爬壁機(jī)器人在能源行業(yè)涉及的海洋石油平臺、船舶、管道、儲罐以及大型發(fā)電設(shè)備等設(shè)施的建造以及在役檢修維護(hù)方面應(yīng)用前景廣闊，目前已有爬壁機(jī)器人產(chǎn)品在上述領(lǐng)域得到了應(yīng)用。但是，相對于應(yīng)用需求來說，現(xiàn)有產(chǎn)品種類和功能還比較單一，應(yīng)用推廣的普及程度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為實現(xiàn)爬壁機(jī)器人在能源行業(yè)的規(guī)?；瘧?yīng)用，需要重點研究高度安全可靠的、經(jīng)濟(jì)的爬壁機(jī)構(gòu)技術(shù)、控制技術(shù)以及與應(yīng)用系統(tǒng)的集成技術(shù)。

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