壁上AI

井達(dá)凱　武梓萱　紀(jì)祥　柳辰宇　王艷芳

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)壁面機(jī)器人存在的適應(yīng)性差、費(fèi)用高昂等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款自適應(yīng)多壁面智能移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)。平臺(tái)作品基于間隙式負(fù)壓吸附原理實(shí)現(xiàn)，搭載有氣壓傳感器、光流傳感器、陀螺儀等多種傳感器，以及視頻采集模塊和4G無(wú)線傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)了多功能化應(yīng)用，市場(chǎng)前景廣闊。

關(guān)鍵詞：智能移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)

1 作品簡(jiǎn)介

針對(duì)目前在復(fù)雜環(huán)境下直立壁面或大傾角斜面上，機(jī)器人執(zhí)行偵查、探測(cè)、清潔等作業(yè)的需求，開(kāi)發(fā)了一種適應(yīng)于多種材質(zhì)壁面的負(fù)壓吸附式智能移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)。

作品基于間隙式負(fù)壓吸附原理，將履帶式行進(jìn)裝置融入吸附所需的密封裝置中，構(gòu)成增強(qiáng)密封性能的行進(jìn)阻流機(jī)構(gòu)，有效解決了傳統(tǒng)負(fù)壓吸附為增強(qiáng)密封效果而增大行走阻力的問(wèn)題。同時(shí)，作品中搭載有氣壓傳感器、光流傳感器、陀螺儀等多種傳感器，以及視頻采集模塊和4G無(wú)線傳輸模塊，在實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)體本身吸附負(fù)壓、運(yùn)行姿態(tài)、行走路徑速度等的智能控制外，可進(jìn)一步實(shí)時(shí)上傳環(huán)境數(shù)據(jù)，利用遠(yuǎn)程服務(wù)器實(shí)現(xiàn)環(huán)境的三維重構(gòu)和監(jiān)測(cè)，為大數(shù)據(jù)背景下的工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。該平臺(tái)可進(jìn)一步搭載不同的檢測(cè)模塊和機(jī)械機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多功能化應(yīng)用，以滿足不同負(fù)載應(yīng)用環(huán)境下的特殊作業(yè)需求。

目前試制樣機(jī)已完成對(duì)多種直立壁面的運(yùn)行測(cè)試以及傳感器和視頻數(shù)據(jù)采集，如圖1所示。

樣機(jī)平臺(tái)的技術(shù)關(guān)鍵和指標(biāo)如下。

（1）吸附技術(shù)：載荷比優(yōu)于2，壁面平整度的偏差數(shù)值范圍為-12～13 mm，且最大值不超過(guò)20 mm;

（2）移動(dòng)技術(shù)：運(yùn)行速度為8 m/min，工作電壓為12 V，額定功率為240 W，續(xù)航能力為37 min（額定功率）;

團(tuán)隊(duì)還將進(jìn)一步針對(duì)吸附結(jié)構(gòu)優(yōu)化、多傳感器數(shù)據(jù)融合等進(jìn)行深入研究，并朝著實(shí)用化方向不斷完善和提升該作品。

2 工作原理

本作品研制的基于行進(jìn)阻流機(jī)構(gòu)的氣密增強(qiáng)型可適用于多種壁面的小型無(wú)纜化智能移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)具有路徑追蹤控制、無(wú)線視頻傳輸?shù)然竟δ?，預(yù)留了多種可拓展接口，并搭載了多類(lèi)傳感器，可滿足不同需求。

作品搭載氣壓傳感器、光流傳感器、陀螺儀等多種模塊。氣壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)密封腔內(nèi)的氣壓值，光流傳感器與陀螺儀監(jiān)測(cè)機(jī)體位置和姿態(tài)，利用無(wú)線視頻傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)體的智能化控制，將采集信息反饋至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，滿足復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)需求，同時(shí)，可為基于大數(shù)據(jù)背景下的工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

除上述內(nèi)容外，本產(chǎn)品還利用 PID 控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)密封腔內(nèi)負(fù)壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)，搭建出可用于各種城市壁面的遠(yuǎn)程遙控平臺(tái)。平臺(tái)具有路徑追蹤控制、無(wú)線視頻傳輸?shù)裙δ?，并預(yù)留有多種可拓展接口，可滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

作品主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）基于負(fù)壓吸附原理，創(chuàng)新性地將履帶運(yùn)動(dòng)裝置嵌入密封腔內(nèi)構(gòu)成行進(jìn)阻流機(jī)構(gòu)，解決行走阻力與密封效果的矛盾，降低對(duì)壁面材質(zhì)及粗糙度的要求;

（2）通過(guò)車(chē)載多種傳感器、視頻采集模塊和4G無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)體的智能控制及環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋，并利用遠(yuǎn)程服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的三維重構(gòu)和監(jiān)控，亦可為大數(shù)據(jù)背景下的工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐;

（3）平臺(tái)可搭載不同檢測(cè)模塊和機(jī)械機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多功能應(yīng)用，滿足特殊工況下的作業(yè)需求。

4 市場(chǎng)前景

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，不同領(lǐng)域都對(duì)機(jī)器人有了更高的要求，能夠靈活行走的小型機(jī)器人受到越來(lái)越多領(lǐng)域的青睞，主要體現(xiàn)為：

（1）高空作業(yè)：風(fēng)電塔筒清洗、船舶側(cè)壁除銹、火電爐壁檢測(cè)等;

（2）智能巡檢：石油站場(chǎng)巡檢、高壓電站巡檢、碼頭港口安檢等;

（3）偵查排爆：消防輔助救援、核電高危監(jiān)控、軍用偵查排爆等。

隨著我國(guó)高空及斜面作業(yè)規(guī)模的不斷增加，爬壁應(yīng)用要求不斷提高，人工成本逐年提升。爬壁機(jī)器人平臺(tái)研究是集機(jī)械與材料學(xué)、電子與通訊技術(shù)、力學(xué)計(jì)算、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)等學(xué)科于一體的高科技成果的集中體現(xiàn)。小型多功能爬壁機(jī)器人具有小巧、靈活、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其經(jīng)濟(jì)前景廣闊。

經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，本設(shè)計(jì)的單機(jī)成本遠(yuǎn)低于市場(chǎng)傳統(tǒng)同類(lèi)機(jī)器人，若批量生產(chǎn)可進(jìn)一步降低成本。

該平臺(tái)設(shè)計(jì)預(yù)留了大量可拓展接口，機(jī)器人可通過(guò)搭載不同的模塊滿足不同的應(yīng)用需求，目前平臺(tái)已成功應(yīng)用于光伏板運(yùn)維和消防救援，相信該平臺(tái)能夠滿足未來(lái)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。平臺(tái)可通過(guò)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的加持與新技術(shù)融合應(yīng)用，以有效滿足不同行業(yè)、不同工況下的壁面作業(yè)需求，為“中國(guó)制造2025”做出貢獻(xiàn)。