可越障爬壁機器人研究與設(shè)計

蘇崇濤，沙晗，黃利春，趙春霞

1. 南京理工大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094

2. 北方信息控制研究院集團有限公司，江蘇 南京 211153

爬壁機器人作為一種壁面移動機器人，結(jié)合了地面機器人的移動方式和壁面附著能力，將運動以及應(yīng)用范圍拓展至垂直立面空間。越障式爬壁機器人，則是針對凹凸的復(fù)雜性壁面開展的研究工作，其結(jié)構(gòu)特點集成了壁面吸附能力、平面移動能力以及越障能力。

目前，越障式爬壁機器人廣泛用于反恐偵察、樓宇壁面清潔等場合。雖然該類機器人的吸附能力和平面移動能力不斷提升，但越障能力依然存在瓶頸。面對因煤氣管道、空調(diào)和遮雨棚等各種設(shè)施變得錯綜復(fù)雜的壁面時，該類機器人便捉襟見肘，因此越障能力是該類機器人當(dāng)下研發(fā)的焦點。因移動與附著能力直接關(guān)系著爬壁機器人的越障性，這2 種因素是突破該類機器人越障極限的難點。

根據(jù)爬壁機器人的移動模式，Chu 等[1]將爬壁機器人分為足式 (legged)[2-4]、輪式 (wheel-driven)[5-7]、履帶式 (tracked)[8-10]、轉(zhuǎn)化式(translation)[11-13]、柔索驅(qū)動式(cable-driven)[14-16]以及綜合型(combined)[17-19]6 大類。本文則根據(jù)移動模式的不同對可越障礙的爬壁機器人進行了歸納總結(jié)，并將可越障的爬壁機器人分為足腿式、蠕動式與飛吸式3 類。

1 國內(nèi)外相關(guān)研究情況概述

表1 對本文將要介紹的越障式爬壁機器人相關(guān)情況進行了歸納。

表1 越障式爬壁爬壁機器人性能對比

下面將具體介紹每一種越障式爬壁爬壁機器人的性能。

1.1 足腿式爬壁機器人

足腿式爬壁機器人不需要像輪式或履帶式爬壁機器人一樣在連續(xù)的路徑上行駛，它可以避免不必要的立足點，因此對壁面的適應(yīng)能力更強，可運用的場景也更復(fù)雜。

圖1 為1991 年日本東京工業(yè)大學(xué)的Nagakubo等早期設(shè)計出的四足爬壁機器人。該機器人為世界上第一臺擁有越障性能的足腿式爬壁機器人，它使用閥調(diào)節(jié)式多管吸盤作為吸附裝置，可以在粗糙的壁面上行走，也可以完成簡單的交叉面過渡。該機器人自重達45 kg，最大速度為0.16 m/s，體型笨重，且步態(tài)遲緩。

圖1 四足機器人NINJA-I 結(jié)構(gòu)[20]

2002 年，美國密歇根州立大學(xué)Tummala 等[21]研發(fā)出了機器人歷史上第一種小型雙足結(jié)構(gòu)爬壁機器人。與當(dāng)時最輕的4 kg 重的雙足爬壁機器人ROSTAM IV[22]相比，Tummala 等的爬壁機器人只有350 g 左右，如圖2 所示。該機器人可以完成交叉面的過渡。它的缺點是研究團隊為了減輕機器人自重而減少了制動器，導(dǎo)致機器人只有4 個自由度。

圖2 雙足機器人完成交叉面的過渡[21]

圖3 是2010 年 我 國Zhu 等[23]在Tummala 的雙足爬壁機器人基礎(chǔ)上設(shè)計出的W-Climbot。與Tummala 的爬壁機器人相比，W-Climbot 自重達16.1 kg, 有5 個自由度，由3 個吸盤和1 個支撐盤構(gòu)成。為了產(chǎn)生足夠的真空，該機器人運用了一個可以產(chǎn)生小于25 kPa 真空的干式旋片真空泵。W-Climbot 最長可跨越750 mm，最大速度可達2.2 m/min，擁有1.5 kg 載荷能力。該機器人利用3 個安裝在吸附模塊上的超聲波傳感器來檢測吸附模塊的相對位置，可以自主檢測并調(diào)整吸附模塊以實現(xiàn)可靠吸附[24]。W-Climbot 可以完成交叉面的過渡，也可以跨越最寬205 mm(高400 mm)或最高415 mm(寬80 mm)的盒狀障礙物以及壁面上400 mm 的裂痕。

圖3 爬墻中的W-Climbot[23]

美國哈佛大學(xué)在2017 年研發(fā)的機器人Flippy[25]，是受到雙足式結(jié)構(gòu)啟發(fā)的軟性機器人。與其他雙足結(jié)構(gòu)機器人不同，F(xiàn)lippy 具有自主性且不需要外置旋轉(zhuǎn)泵來提供負壓吸附的能量。

Flippy 的身體由軟硬混合的材料組成，其中鑲嵌了鏈接母板的電路線，通過翻轉(zhuǎn)的步態(tài)實現(xiàn)表面之間的攀爬與過渡，如圖4 所示。當(dāng)Flippy的感應(yīng)器發(fā)現(xiàn)斜面時，它柔軟的身體使得足部的夾持器能夠順應(yīng)斜面的角度，通過該夾持器與尼龍壁面完成附著，每一步前進或后退都經(jīng)翻轉(zhuǎn)身體完成，并可完成為60°、90°以及120°的交叉面過渡。缺點是只能在尼龍材質(zhì)的墻壁上行走。

圖4 Flippy 完成交叉面過渡[25]

2018 年，Liu 等[26]研究出了AnyClimb-II。Any-Climb-II 是一種依賴于范德華力吸附技術(shù)的連動式機器人，采用極簡設(shè)計，由一個長方形身體與干粘附腳掌組成，長方形身體由四連桿機構(gòu)連接的內(nèi)骨架與外骨架構(gòu)成，如圖5 和圖6 所示。該機器人通過四連桿機構(gòu)帶動內(nèi)骨架與外骨架的轉(zhuǎn)動與前移向前移動，在遇凹凸型障礙物時，機器人的身體將發(fā)生傾側(cè)并轉(zhuǎn)移自重至著力腳以跨越障礙物。它可以從平滑的墻面爬上一層最高達15 mm(機器人高度的30.6%)的階梯，并從階梯上爬下至墻面。影響AnyClimb-II 越障的主要因素是機器人足部的黏合能力：在跨越較長的障礙物時，如果機器人不能一次性跨過，而需要將足部先與障礙物表面接觸的話，越障有時會因為接觸后的黏性不足而以失敗告終。

圖5 AnyClimb-II 機器人在平滑墻面上前進過程[26]

圖6 AnyClimb-II 機器人上下樓梯的過程[26]

1.2 蠕動式爬壁機器人

蠕動式爬壁機器人的優(yōu)勢是它們?nèi)犴g性更好，可以跨越更加復(fù)雜的障礙物。部分機器人通過仿生，性能更優(yōu)。

MultiTrack[27]是韓國在2015 年研發(fā)的無源負壓吸附式爬壁機器人，由5 個驅(qū)動模塊以及2 個鏈接模塊構(gòu)成，如圖7 和圖8 所示。每個驅(qū)動模塊內(nèi)有6 只吸盤實現(xiàn)吸附，當(dāng)吸盤通過傳動帶的旋轉(zhuǎn)運動接觸到壁面時，吸盤上的按鈕1 被按下，第一機械閥自動啟動，吸盤內(nèi)的啟動氣缸下降后按下按鈕2，第二個機械閥自動開啟，擠壓掉吸盤內(nèi)的空氣對壁面進行吸附。當(dāng)吸盤離開壁面時，按鈕松開，氣缸回升，吸盤松開壁面。通過這種簡單運動，MultiTrack 可以完成對角等復(fù)雜墻面翻越工作，并具有15 kg 的高負載能力。圖9 為Multi-Track 在完成交叉面過渡時的示意圖。

圖7 MultiTrack 在平面上的附著機制[27]

圖8 MultiTrack 的移動機制[27]

圖9 交叉面過渡中的MultiTrack[27]

受到水蛭的啟發(fā)，日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)與英國劍橋大學(xué)聯(lián)合研發(fā)LEeCH[28]。該機器人利用柔索驅(qū)動，身體材料為剛性軟管，通過真空泵充、排空氣拉動軟管收縮，內(nèi)部齒輪嚙合軟管表面螺旋槽精準控制動作，讓身體可以完成前后左右自由伸展，如圖10 所示。圖中P1和P2為首尾2 個吸盤；L1、L2、L3為3 根軟管，通過真空泵抽取掉吸盤中的空氣來完成壁面附著。

圖10 Leech 機器人結(jié)構(gòu)[28]

移動時，LEeCH 后吸盤先附著在墻面上，前吸盤松開，隨后身體上每個軟管都會伸展開來，幫助前吸盤達到指定位置后完成吸附，之后后吸盤松開，身體收縮，把后吸盤拉過來并吸附到指定位置。通過這種仿生蠕動，LEeCH 可以完成三維爬升動作，這些動作包括圖11 中的過角、翻越薄墻、0°～180°的交叉面過渡。

1.3 飛吸式爬壁機器人

飛吸式爬壁機器人結(jié)合了飛行吸附與爬行2 種運動方式，通常情況下由飛行器或螺旋槳的推動形成飛行吸附力，通過飛行完成越障。

圖12 為南京理工大學(xué)在2014 研制的飛行吸附機器人[29]，該機器人由一個吸附裝置以及四旋翼飛行器構(gòu)成，可以通過其吸附裝置長時間棲息在墻面上以達到偵查和監(jiān)控的目的。機器人機體輕、移動速度快、續(xù)航能力強，但載荷能力以及抗風(fēng)能力有限，較難控制。

圖11 LEeCH 機器人[28]

圖12 飛行機器人棲息在墻壁與窗戶之上[29]

美國斯坦福大學(xué)研制的SCAMP[30]機器人，不僅可以利用2 只具有仿生吸附的腳來攀爬不光滑的墻壁，還可以完成起飛、飛行以及降落等動作。起飛時，SCAMP 會啟動它的起飛脊柱，脊柱從機體后端旋轉(zhuǎn)直至附著在墻面上起到穩(wěn)固的作用，隨后SCAMP 的上半身先從墻面脫離，下半身也離開墻面。飛行時，SCAMP 使用了商用四旋翼飛行器Crazyflie。降落時，機尾先與墻面接觸，旋翼繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，使其向上仰起，后腳先固定在墻面之后，前腳再附著于墻面上。SCAMP 的2 條長腿由碳纖維和高強輕質(zhì)Spectra 纖維制造，通過兩腳輪換承載力來爬行。圖13 為該機器人附著于墻壁時的情形。該機器人可以通過飛行來規(guī)避障礙物，但是在爬行時卻沒有越障能力。

圖13 可飛行且爬壁的SCAMP[30]

VertiGo[31]是2015 年由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院與迪士尼研究院合作完成的一種利用螺旋槳產(chǎn)生負壓吸附力的輪式機器人，如圖14 所示。VertiGo由8 個獨立控制的發(fā)動機組成，底盤是一個由3D 打印制作完成的碳纖維底板，上面放置了所有的電子設(shè)備、連接線以及一個計算裝置。它通過使用2 個360°可傾斜的螺旋槳產(chǎn)生向上的推力，使得機器人可以完成地面與墻垂直面的過渡。Vertigo 的前端安裝了2 個紅外距離傳感器來估計機器人在空間中的方位。運用這些空間位置數(shù)據(jù)，機器人可以設(shè)計出適合每個發(fā)動機的最佳位置從而改變機器人的方向。由于Vertigo 的運動和附著方式完全依賴于螺旋槳的推力，穩(wěn)定性和負載能力欠佳。

圖14 輪式機器人VertiGo[31]

同樣利用螺旋槳推動力完成壁面附著的還有2017 年日本早稻田大學(xué)與埃及曼蘇爾大學(xué)共同開發(fā)，用于監(jiān)測石油化工容器的EJBot 爬壁機器人[32]，如圖15 所示。該機器人由推動模塊、驅(qū)動模塊以及控制模塊構(gòu)成，自重為1.66 kg，在結(jié)合螺旋槳與車輪扭矩后能產(chǎn)生的最大推動力高達5 kg。EJBot 可克服的障礙物尺寸最大為40 mm，足以應(yīng)對焊接線以及管道表面絕大部分的突起物。EJBot 并不具有自主性，需要通過遠程控制才可完成規(guī)定作業(yè)。

圖15 EJBot 實拍[32]

2 可越障爬壁機器人設(shè)計

早在2010 年起，南京理工大學(xué)智能機器人研究團隊就開始關(guān)注可越障爬壁機器人技術(shù)的研究與系統(tǒng)設(shè)計。

圖16 為該團隊設(shè)計的第一款此類機器人的典型結(jié)構(gòu)，由移動及越障機構(gòu)、吸附機構(gòu)以及控制箱體3 部分構(gòu)成。顧名思義，移動及越障機構(gòu)負責(zé)改變機器人在三維空間里的物理位置；吸附機構(gòu)的主要作用是克服重力，同時使機器人能夠附著于壁面上不脫落；而機器人的控制箱體可以用來放置通訊鏈接、控制與計算等裝置。此款步行方式，雖然具有較好的吸附能力和一定的帶載能力，但移動步態(tài)復(fù)雜，移動速度較緩。

圖16 雙足機器人

之后南京理工大學(xué)在2015 年提出僅用輪足式機構(gòu)完成越障的機器人[33]，采用滾輪來實現(xiàn)機器人的平面移動，利用靜吸附足和關(guān)節(jié)機構(gòu)實現(xiàn)跨越障礙能力。該文章所設(shè)計的機器人由移動模塊、翻越模塊以及吸附模塊組成，吸附模塊以及翻越模塊能夠使機體空腔形成負壓，并在經(jīng)吸附足吸盤的幫助下，實現(xiàn)機體在負重狀態(tài)下也可吸附跨越障礙的固定能力。這樣的構(gòu)造，使得機器人既具有輪式爬壁機器人的快速移動能力，又具有靜吸附的吸附牢固能力，從而具有更加強的移動性與靈活性。圖17 為該機器人在垂直墻壁上越障的過程。

圖17 爬壁機器人越障過程[33]

在該機器人的基礎(chǔ)上，南京理工大學(xué)在2019年研發(fā)出由多腔吸附的輪腿式結(jié)合爬壁機器人[34]，如圖18 所示。與現(xiàn)有爬壁機器人不同的是，該機器人擁有4 個由可抽氣的橡膠吸盤與微型真空泵構(gòu)成的負壓吸附腔，每個吸盤能夠獨立吸附，通過壓力差使得機器人緊貼墻壁，即使在2 個吸盤失去吸力的情況下仍可移動，3 個吸盤失去吸力的情況下機體也不會墜落。它以輪式運動機制驅(qū)動前進，通過擁有3 個自由度的三段式起動臂進行越障。在碰到障礙物時，機器人先移動至障礙物的邊緣，將起動臂置于障礙物對面的壁面上，通過起動臂上的真空泵將起動臂附著于壁面，待固定后，關(guān)閉底盤上的真空泵使得底盤脫離壁面，并使底盤旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)至障礙物的側(cè)壁面上，此時關(guān)閉起動臂上的真空泵并啟動底盤上的真空泵使機體吸附于壁面，收回起動臂，穩(wěn)定機體，完成越障。該機器人的行駛速度比純足式運動的爬壁機器人快；微型真空泵使得機器人更加穩(wěn)定安全，且續(xù)航時間更長；起動臂能夠讓機器人適應(yīng)更加復(fù)雜的壁面環(huán)境?，F(xiàn)已研制成功具備完成越障能力的機器人樣機。

圖18 多腔吸附的輪腿式結(jié)合爬壁機器人[34]

3 爬壁機器人設(shè)計問題分析

雖然近幾十年來爬壁機器人的研究層出不窮，但是爬壁機器人的很多本質(zhì)問題并沒有得到很好地解決，在工程中得以應(yīng)用推廣仍存在問題。這些問題包括爬壁機器人的吸附、越障以及作業(yè)能力。因為在垂直墻壁上的任何障礙都有可能導(dǎo)致機器人的跌落，爬壁機器人的吸附能力直接關(guān)系著越障與作業(yè)能力，并影響著它們在應(yīng)用場景下的可靠性。因此，在設(shè)計爬壁機器人時需要考慮到以下問題。

1）穩(wěn)定性。是否可以穩(wěn)定地在應(yīng)用環(huán)境下移動并不掉落。爬壁機器人主要有負壓吸附、仿生吸附、磁吸附、分布式向內(nèi)抓取吸附和螺旋槳推力等幾種方式，不同的吸附方式意味著機器人能夠適應(yīng)的墻壁表面不同。吸附力越大，機器人越不容易從壁面滑落，安全性與穩(wěn)定性能也越好。在考慮到穩(wěn)定性時，還需注意機器人自身重量要是否夠輕，是否能夠在應(yīng)用環(huán)境下移動并能夠在消耗低能源的情況下帶動附屬設(shè)備來確保爬壁時的穩(wěn)定性。

2）靈活性。是否可以自如地在各類墻壁立面上運動，并能夠跨越各類大小、形狀不一的障礙物。爬壁機器人的主要移動方式有足式、輪式、蠕動式和飛吸式等，每一種方式與其吸附模式相輔相成。負壓吸附式的足式爬壁機器人由于每一個動作都需要完成消除吸力、產(chǎn)生吸力的動作，在運動時會顯得相對緩慢與笨重。相對而言，當(dāng)負壓吸附與輪式機器人相結(jié)合時，通常情況下只需要一個吸盤來起到定向以及固定的作用，這將機器人運動的任務(wù)分擔(dān)給了移動模塊中的滾輪，大大提高了機器人的靈活性。

3）功能性。是否容易操作，且具有泛化能力。目前，部分負壓吸附式機器人已可適應(yīng)較為粗糙的壁面，但是這類機器人需要在接觸面上形成正負壓強，無法應(yīng)用于只有真空的外太空。利用范德華力的仿生吸附機器人常被運用于航天航空領(lǐng)域，但由于材料本身的限制，壽命較短、無法多次使用。其他幾種附著方式的機器人也具有一定局限性，尤其是部分仿生式機器人，在控制上相對較難，在工業(yè)應(yīng)用方面的能力不強。

4）智能性。無論是利用真空吸盤吸附、仿生黏附或其他吸附模式，爬壁機器人都有可能因為墻面的不平滑而摔落或傾翻，從而導(dǎo)致越障的失敗。因此，能夠穩(wěn)定地吸附在壁面上是爬壁機器人成功跨越障礙物的基礎(chǔ)。與此同時，爬壁機器人也需要智能機制來準確判斷出墻壁上的障礙物，從而成功跨越這些障礙。綜上所述的智能機制可以是像W-Climbot 利用超聲波傳感器的反饋系統(tǒng)，也可以像是帶有三維力傳感器的機器人控制系統(tǒng)，或像紅外線傳感器等來控制爬壁機器人的運動。

4 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷迭代變革，機器人的能源供給方式從一般的電、氣等發(fā)展到由新能源動力電池的供給，大大延長了機器人的運動時間，使得爬壁機器人的運行空間越來越廣泛，也對爬壁機器人的設(shè)計要求越來越高。如何設(shè)計出輕便、無纜、無源吸附的爬壁機器人，并能夠使其承載一定有效負荷，也逐漸成為了未來研究的話題。

由于人工智能發(fā)展的突發(fā)猛進，爬壁機器人也已從原來的半自助式發(fā)展為現(xiàn)代完全自主且擁有一定自主決策能力的智能機制，機器人人工智能控制已是現(xiàn)代研究的焦點。在提高機器人跨越障礙能力以及提高吸附墻面的技術(shù)基礎(chǔ)上，利用人工智能(如語音協(xié)控、計算機視覺)來控制機器人，使其翻越甚至將障礙物移動至指定地點，并能夠讓機器人與行進路上的目標進行其他類型的智能交互，這將會是未來爬壁機器人的發(fā)展趨勢。