爬壁機(jī)器人吸附方式機(jī)理及其應(yīng)用

關(guān)鍵詞：爬壁機(jī)器人；吸附方式；吸附機(jī)理；移動方式

0 引言

受產(chǎn)業(yè)升級和城市化進(jìn)程推進(jìn)的影響，各國建筑、交通、石化、核能、消防、造船等行業(yè)對垂直墻體作業(yè)的需求急劇增加，高空作業(yè)造成的墜落事故頻發(fā)[1]。采用爬壁機(jī)器人代替人工在垂直壁面上作業(yè)可有效解決上述問題，不僅降低了人員傷亡的風(fēng)險，也提高了工作效率，因而得到了廣泛的關(guān)注與研究。目前，爬壁機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于各種特殊環(huán)境表面的檢測與清潔、焊接、偵察監(jiān)測等[2-6]。

爬壁機(jī)器人能否在不同傾角甚至豎直壁面上工作，主要取決于它吸附能力的大小[7]，穩(wěn)定可靠的吸附是爬壁機(jī)器人完成指定工作任務(wù)的前提。隨著自動化、智能化設(shè)備的快速發(fā)展，爬壁機(jī)器人的需求量在不斷增加，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出了更高的要求[8]。如何保證機(jī)器人在壁面上穩(wěn)定可靠地吸附，成為爬壁機(jī)器人設(shè)計過程中必須考慮的問題。現(xiàn)有爬壁機(jī)器人的主要吸附方式有磁吸附、負(fù)壓吸附、靜電吸附、仿生吸附等[9]。

目前，對于爬壁機(jī)器人吸附機(jī)理及其應(yīng)用的研究尚未形成系統(tǒng)化的對比分析。為了全面了解爬壁機(jī)器人吸附方式對其工作狀態(tài)的影響，本文分析了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，對爬壁機(jī)器人現(xiàn)有的吸附方式（磁吸附、負(fù)壓吸附、靜電吸附、仿生吸附）進(jìn)行綜述，并對其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 磁吸附方式

磁吸附是爬壁機(jī)器人常用的吸附方法之一，該吸附方式可以產(chǎn)生較大的吸附力，且不受壁面粗糙度、裂縫、凹凸等環(huán)境因素的限制；但根據(jù)其吸附原理，要求接觸壁面必須導(dǎo)磁。磁吸附可細(xì)分為永磁吸附、電磁吸附、電永磁組合吸附3種方式[10]。

1. 1 永磁吸附

永磁吸附是在導(dǎo)磁金屬表面產(chǎn)生的吸附。爬壁機(jī)器人的永磁吸附系統(tǒng)主要通過磁鐵、隔磁氣隙和壁面構(gòu)成的閉合磁回路的磁通來產(chǎn)生吸力[11]，其吸附物理模型如圖1所示。

永磁吸附裝置的工作磁場通常被看成靜態(tài)磁場，滿足麥克斯韋方程組[12]，其吸附力表達(dá)式[13]為

式中，μ0為真空導(dǎo)磁率；k1為漏磁系數(shù)；k2為磁阻系數(shù)；B 為磁通密度；H 為磁場強(qiáng)度；V1為永磁體的體積；L2為永磁體與工作壁面的間隙。

由式（1）可知，永磁體的材料、體積、形狀、磁極排布以及壁面間隙等都會對磁吸附力產(chǎn)生影響。

永磁吸附不需額外提供能量，也不會因系統(tǒng)故障而引起吸附力消失繼而導(dǎo)致機(jī)器人墜落，所以，永磁吸附方式提供的吸附力穩(wěn)定可靠[14]，被廣泛應(yīng)用。永磁體通?？芍瞥捎来泡?、永磁履帶等結(jié)構(gòu)，與壁面直接接觸；或?qū)⒂来朋w置于底盤上，與壁面間接接觸。所以，永磁吸附又可分為接觸式與非接觸式。

接觸式永磁吸附通常采用永磁履帶、永磁輪等作為移動吸附裝置與壁面直接接觸[15-16]。該方式將吸附結(jié)構(gòu)與移動結(jié)構(gòu)集成于一體，簡化了爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)。由式（1）可知，永磁吸附力受距離影響明顯，吸附裝置與壁面直接接觸可為爬壁機(jī)器人提供更加充足的吸附力。

HU等[17]設(shè)計了一種改進(jìn)型磁性履帶式爬壁機(jī)器人[圖2（a）]，履帶與壁面的接觸面積大，故能提供強(qiáng)大的吸附力，當(dāng)機(jī)器人在壁面爬行時，能始終保持18個永磁吸附單元與壁面接觸。同時，永磁吸附單元上焊有可在導(dǎo)軌內(nèi)運動的T形桿，載荷可以通過彈簧變形均勻地分配到各個永磁吸附單元。載荷分散機(jī)理如圖2（b）所示。這種設(shè)計極大提高了機(jī)器人的負(fù)載能力，試驗得到的靜態(tài)負(fù)載可達(dá)150 kg。履帶式爬壁機(jī)器人雖然提供了穩(wěn)定的吸附力，但是，采用該移動方式的機(jī)器人移動速度以及轉(zhuǎn)向等較為緩慢。輪式移動方式則會提高機(jī)器人的運動靈活性，緩解上述不足。CAI等[18]設(shè)計了一種永磁輪式吸附爬壁機(jī)器人，其吸附與行走機(jī)構(gòu)由3個大型的永磁輪組成。利用Ansoft Maxwell 軟件對永磁輪磁場進(jìn)行模擬，得知該種磁路模型提供的吸附力滿足設(shè)計要求，驗證了其吸附力的可靠性。

在爬壁機(jī)器人移動方式的選擇中，輪式、履帶式的爬壁機(jī)器人應(yīng)用較為廣泛，足式應(yīng)用較少[19]429。但在一些工作環(huán)境較為復(fù)雜的場合、需要爬壁機(jī)器人具有較強(qiáng)的越障能力時，前述兩種方式就會顯現(xiàn)出一定的局限性，足式結(jié)構(gòu)更能發(fā)揮其越障能力強(qiáng)的特點?；诖?， 部分學(xué)者提出采用永磁足式結(jié)構(gòu)來提高機(jī)器人的越障能力以及壁面的適應(yīng)性。呂志忠等[19]429-435設(shè)計了一種永磁吸附的四足爬壁機(jī)器人[圖3（a）]。該機(jī)器人足部采用永磁材料制成，與壁面直接接觸；各個關(guān)節(jié)由電動機(jī)驅(qū)動，能完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、越障等各種動作，具有良好的越障能力。此類多自由度足式機(jī)器人的靜、動力學(xué)分析以及驅(qū)動力的分配較為復(fù)雜，并且移動速度較慢，這成為限制其發(fā)展的不利因素。為了兼顧越障能力與運行速度，BU等[20]結(jié)合兩種移動方式的優(yōu)勢，設(shè)計了一種輪-腿式混合爬行機(jī)器人[圖3（b）]。該機(jī)器人最具特色的設(shè)計是輪足模塊，可針對不同的工作環(huán)境實現(xiàn)不同方式爬壁：通過輪子進(jìn)行全方位移動（輪式模式），通過4條腿進(jìn)行爬行（足式模式），通過腿和輪協(xié)調(diào)運動（輪-足協(xié)調(diào)模式）。該機(jī)器人具備移動速度快、適應(yīng)能力強(qiáng)以及良好的越障性能等特點，可以在鋼結(jié)構(gòu)不連續(xù)的壁面上行走。

在不同的工作環(huán)境下采用不同移動方式，可以提高爬壁機(jī)器人的工作效率。不同移動方式的優(yōu)缺點對比如表1所示。

永磁輪、永磁履帶等造價較高，在爬壁機(jī)器人長時間爬行過程中易受到磨損；并且當(dāng)爬壁機(jī)器人在不平整的壁面上爬行時，吸附力變化明顯。故有研究者提出使用非接觸式解決該問題。非接觸式是指在吸附裝置和壁面之間留有一定的工作氣隙，通常將永磁吸附裝置安裝在移動機(jī)構(gòu)的底盤上[21]。

SILVA等[22]設(shè)計了一款輪式非接觸永磁吸附爬壁機(jī)器人[圖4（a）]。該機(jī)器人通過傳感器獲取吸附裝置與爬行壁面的距離信息，利用電動機(jī)驅(qū)動蝸桿軸實現(xiàn)動態(tài)、實時調(diào)整，以確保該距離的恒定，從而保證機(jī)器人爬行過程中吸附的穩(wěn)定。這種設(shè)計方法克服了接觸式易磨損以及受吸附間隙波動影響大的缺點，但為了實現(xiàn)對吸附間隙實時調(diào)控，需要進(jìn)行復(fù)雜的控制系統(tǒng)的設(shè)計。DISSANAYAKE等[23]設(shè)計了一種永磁非接觸履帶式爬壁機(jī)器人[圖4（b）]，將永磁鐵放置在履帶移動模塊的中間，磁鐵與壁面之間約有9 mm的間距。通過Comsol軟件仿真與理論計算，其吸附力滿足設(shè)計要求；在實際試驗中測得，機(jī)器人負(fù)載50 N時也能穩(wěn)定吸附。

采用非接觸式永磁吸附使吸附機(jī)構(gòu)與移動機(jī)構(gòu)分隔開，吸附力受距離波動影響較小。相較于接觸式吸附易受壁面凹凸不平等因素引起吸附狀態(tài)變化，非接觸式可提供更加穩(wěn)定的吸附力，但其吸附力往往偏小。因此，非接觸式更適用于負(fù)載較小的情況。

1. 2 電磁吸附

永磁吸附提供的吸附力通常在設(shè)計完成時即確定，難以實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整，導(dǎo)致其應(yīng)用受到一定限制。電磁吸附所提供的吸附力可以調(diào)整。在一些吸附力需要靈活變化的場合，電磁吸附可以彌補(bǔ)永磁吸附的不足。

電磁吸附依據(jù)電磁原理在導(dǎo)磁金屬表面產(chǎn)生吸附力，當(dāng)電磁鐵的勵磁線圈通入直流電后，由勵磁線圈產(chǎn)生的磁力線依次穿過內(nèi)磁極、氣隙、鋼板、氣隙、外磁極和磁軛，形成閉合回路，產(chǎn)生電磁吸附力[24]341，其磁路模型如圖5所示。

由式（3）可知，電磁吸附力的大小主要與線圈匝數(shù)、電流大小、氣隙大小、鐵心體積、壁面厚度等有關(guān)。

爬壁機(jī)器人的負(fù)載能力與吸附力成正相關(guān)，隨著吸附力的增大，機(jī)器人在爬壁過程中需克服更大的摩擦力。因此，需要在保證充足吸附力的同時，兼顧如何實現(xiàn)低阻力運行，一些學(xué)者在這方面開展了較多相關(guān)研究。

HUANG等[26]設(shè)計了一種基于電磁吸附的履帶式爬壁機(jī)器人[圖6（a）]。基于電磁工作原理，將電磁鐵等距地安裝在同步帶上，并設(shè)計了U形導(dǎo)電槽，電磁鐵只有進(jìn)入U形導(dǎo)電槽后才能通電產(chǎn)生磁性工作。圖7為該機(jī)器人裝配圖。通過該結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人爬壁過程中，安裝于同步帶上同步運動的電磁鐵依次進(jìn)入或者退出工作，實現(xiàn)了僅與壁面接觸的電磁吸附單元能通電工作，在保證滿足吸附力的前提下，盡可能地減少了移動運行的阻力。

PALANGWATANAKUL等[27]設(shè)計了一種具有自適應(yīng)電磁力的雙模塊爬壁機(jī)器人[圖6（b）]。該機(jī)器人同時使用了永磁吸附與電磁吸附模塊。采用由8塊永磁鐵組成的車輪作為移動機(jī)構(gòu)提供吸附力，同時在底盤安裝可以調(diào)節(jié)吸附力的電磁鐵及力傳感器，并通過PID控制器來對電磁力進(jìn)行調(diào)整，在永磁吸附力不足時提供輔助吸附力。

以上闡述了永磁吸附、電磁吸附等吸附方式的工作機(jī)制及具體應(yīng)用。不同磁吸附方式的優(yōu)缺點對比如表2所示。

磁吸附提供吸附力充足且穩(wěn)定可靠，成本較低，可以攜帶檢測、維護(hù)等設(shè)備，完成指定工作；但對壁面材料要求嚴(yán)格，僅限于在導(dǎo)磁的壁面上應(yīng)用，在混凝土、玻璃、塑料等不導(dǎo)磁壁面上無法使用，限制了這種吸附方式的應(yīng)用，而負(fù)壓吸附方式適用范圍較廣。

2 負(fù)壓吸附方式

某一特定區(qū)域的氣壓低于大氣壓時，稱為負(fù)壓。外部大氣壓與內(nèi)部壓差產(chǎn)生垂直于吸附面的力，從而實現(xiàn)對物體的吸附，表達(dá)式為

式中，A 為吸附面積；ΔP 為內(nèi)外壓差。

根據(jù)伯努利方程，在理想流體（無黏性、不可壓縮、定常流動）中，單位體積流體的動能、壓力能與重力勢能之和沿流線保持恒定。其原理[28]可表示為

式中，p 為流體中某點的壓強(qiáng)；v 為流體在該點的流速；ρ 為流體密度；g 為重力加速度；h 為該點所在高度；C1為常量。

由式（4）、式（5）可知，在理想狀態(tài)下，流體等高速流動時，流速越大壓力越小?；诖嗽碇瞥傻母鞣N形式的真空發(fā)生器被廣泛應(yīng)用于爬壁機(jī)器人中[29]。負(fù)壓吸附方法主要依靠吸盤內(nèi)外的壓強(qiáng)差，通過大氣壓將機(jī)器人壓附到壁面上。負(fù)壓吸附方式是目前為止應(yīng)用范圍最廣泛的吸附方式，該方式幾乎適用于生活中常見的所有壁面[30]。對于應(yīng)用負(fù)壓吸附的機(jī)器人來說，負(fù)壓環(huán)境的產(chǎn)生裝置及密閉性裝置極為重要。

負(fù)壓吸附方式較早應(yīng)用于爬壁機(jī)器人，1966年誕生的第一臺爬壁機(jī)器人就是利用風(fēng)扇進(jìn)氣側(cè)低壓原理來實現(xiàn)的吸附功能[31]。負(fù)壓吸附爬壁機(jī)器人根據(jù)其產(chǎn)生負(fù)壓方式的不同可以分為真空泵式、離心風(fēng)扇式、文丘里管式、其他負(fù)壓方式[32]。

2. 1 真空泵式

真空泵的種類較多，其中活塞泵是最為常用的一種。其通常由電動機(jī)驅(qū)動，連接曲柄機(jī)構(gòu)，將電動機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運動，最終通過活塞的往復(fù)運動來產(chǎn)生真空?；钊玫脑砣鐖D8所示。

由真空泵在真空吸盤內(nèi)產(chǎn)生真空的負(fù)壓吸附方式具有真空度高、噪聲小、易于小型集成化等優(yōu)點，但對壁面的光潔度等要求較高。

SHI等[34]基于負(fù)壓吸附設(shè)計了一款6自由度柔性吸附足式爬壁機(jī)器人[圖9（a）]。該機(jī)器人采用6自由度的腿式結(jié)構(gòu)，并在末端安裝兩個大型吸附吸盤。單個大型吸盤可最大限度地提高有效吸附面積，同時，吸盤底部由柔性樹脂材料制成，壁厚從上到下逐漸減小，較薄的部分容易變形以貼合不同粗糙度的壁面；較厚的中上部不易變形，在爬壁時能保持一定的剛度。將該機(jī)器人在玻璃、木板、鐵板等不同粗糙度的壁面上進(jìn)行爬壁試驗以及越障性能試驗，都取得了不錯的效果。

真空吸盤作為吸附裝置，不可避免地要考慮泄漏問題，傳統(tǒng)阻止泄漏的方法功耗較高且在粗糙表面上工作困難。因此，SHI等[35]提出了一種零壓差法（Zero Pressure Difference， ZPD）。該方法將水注入腔室，由于風(fēng)機(jī)的外半徑略小于真空腔室的半徑，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動腔內(nèi)的水和空氣轉(zhuǎn)動，在真空區(qū)外圍建立一個旋轉(zhuǎn)水層，水層外（真空區(qū)邊界）達(dá)到大氣壓，使得在真空區(qū)邊界處不存在壓差，從而實現(xiàn)真空不泄漏。其原理如圖9（b）所示。將該技術(shù)應(yīng)用到一款六足爬壁機(jī)器人[圖9（c）]中，該機(jī)器人每個足部都裝有可產(chǎn)生500 N吸附力的ZPD吸盤，最終機(jī)器人最大有效負(fù)載約為43. 5 kg。但是，該機(jī)器人需要通過電纜和管道持續(xù)供電和供水，才能保證穩(wěn)定吸附。

2. 2 離心風(fēng)扇式

采用離心風(fēng)扇作為負(fù)壓發(fā)生器的吸附裝置是通過內(nèi)部離心風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)將腔體內(nèi)的部分氣體抽出，產(chǎn)生壓強(qiáng)差，從而使機(jī)器人吸附于壁面上。離心風(fēng)扇基本結(jié)構(gòu)如圖10所示。該吸附方式產(chǎn)生的吸附力大小主要取決于離心風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越快，產(chǎn)生的吸附力越大。雖然采用離心風(fēng)扇提供的吸附力有限，但該方式受壁面環(huán)境的影響較小，在壁面環(huán)境較惡劣的情況下仍能提供穩(wěn)定的吸附。

YAMAGUCHI等[37]設(shè)計了一種用于飛機(jī)檢測的全向爬壁機(jī)器人。由于飛機(jī)的機(jī)身是非磁性的且是彎曲的，在吸附過程中可能會產(chǎn)生較大的吸附間隙，故采用離心風(fēng)扇產(chǎn)生負(fù)壓的方式較為可靠。其負(fù)壓發(fā)生裝置的原理如圖11（a）所示。通過分析吸附力與體積和面積的關(guān)系，確定在此工作環(huán)境下，直徑為120 mm、高度為20 mm、質(zhì)量為69 g的吸附裝置提供的吸附力最大。彭晉民等[38]設(shè)計了一款負(fù)壓爬壁機(jī)器人[圖11（b）]。該機(jī)器人采用由離心葉輪組成的吸盤作為吸附裝置，采用高彈性聚氨酯與毛墊組合的復(fù)合材料作為密封件，該結(jié)構(gòu)提升了機(jī)器人適應(yīng)不平整壁面與跨越障礙的性能。為了減小最小吸附力，在機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計上將兩個驅(qū)動輪布置在機(jī)器人的幾何軸線上，讓密封原件來平衡傾覆力矩。最終通過試驗，質(zhì)量為2. 6 kg的機(jī)器人能負(fù)載2 kg的載荷并越過5 mm高的障礙。

2. 3 文丘里管式

文丘里管由意大利科學(xué)家G. B. 文丘里發(fā)明而得名，其基本結(jié)構(gòu)如圖12所示，由圓筒段、收縮段、喉部、擴(kuò)散段組成。其工作原理是高速氣流進(jìn)入文丘里管，流經(jīng)擴(kuò)張段擴(kuò)張后會產(chǎn)生負(fù)壓差，從而產(chǎn)生吸附力。這種方式產(chǎn)生的真空度較離心風(fēng)扇式產(chǎn)生的負(fù)壓真空度高，且沒有構(gòu)件的相互運動，對設(shè)備的損耗較小，幾乎不需要維修。

由于混凝土的表面粗糙多孔且不導(dǎo)磁，不容易吸附，HUSTON等[40]設(shè)計了一款用于混凝土檢測的吸附足式爬壁機(jī)器人[圖13（a）]。該機(jī)器人將文丘里管作為真空發(fā)生器，利用加壓的空氣源驅(qū)動，在機(jī)器人的足部產(chǎn)生真空。圖13（b）展示了文丘里管工作的細(xì)節(jié)，其采用六足移動，足的末端連接文丘里管提供負(fù)壓的密封式雙層吸腳。當(dāng)吸腳首次放置在混凝土上時，軟層變形以適應(yīng)粗糙的表面，提供密封；在達(dá)到吸力后，硬層提供必要的剛度支撐，保證良好的密封性與剛性。采用文丘里管產(chǎn)生的真空更為集中，損失更小，但需要大量的壓縮空氣驅(qū)動吸盤。

2. 4 其他負(fù)壓方式

負(fù)壓吸附具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，在一些特殊場合也能使用。基于負(fù)壓原理吸附的水下攀爬機(jī)器人在船體水下部分檢測、水下勘測等方面發(fā)揮著積極作用[41]。GUO等[42]基于伯努利負(fù)壓原理設(shè)計了一款水下攀爬機(jī)器人，其各部分組成如圖14（a）所示。該機(jī)器人可以利用對轉(zhuǎn)螺旋槳模組（Contra-Rotating Propellers，CRPs）吸附于水下船體，從而完成清潔、檢測等工作。其中，CRPs負(fù)壓吸附模塊包含1個逆時針的螺旋槳（Counter-Clock Wise， CCW）和1個順時針的螺旋槳（Clock-Wise， CW）[圖14（b）]，兩個螺旋槳以相同的速度同軸反向旋轉(zhuǎn)，使海水在柱形管道內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流體，從而沿著圖14（b）中紅色箭頭所示的方向被排出管道。根據(jù)式（5），流速與壓強(qiáng)成反比，在忽略高度變化的條件下產(chǎn)生使機(jī)器人吸附在船體上的壓力。通過試驗，該CRPs吸附模塊可產(chǎn)生427 kg的吸附力。

吸盤主要分為主動吸盤與被動吸盤。主動吸盤需要真空泵來連續(xù)創(chuàng)造負(fù)壓環(huán)境且噪聲較大，但提供的吸附力較為可觀；被動吸盤無需持續(xù)的能量供應(yīng)且噪聲較小，但對壁面要求較高。GE等[43]利用被動吸盤設(shè)計了一款導(dǎo)軌式爬壁機(jī)器人（圖15）。為了保證穩(wěn)定吸附，要對吸盤施加預(yù)緊力，吸盤經(jīng)過導(dǎo)軌會被壓在工作表面上，同時，將要脫離導(dǎo)軌的吸盤拉離表面，從而確保機(jī)器人在爬壁過程中實現(xiàn)穩(wěn)定吸附。該機(jī)器人吸附雖不消耗能量但對壁面的光滑與清潔程度要求較高。通過試驗，每個吸盤可提供31 N的吸附力，該機(jī)器人可以15 mm/s的速度在有機(jī)玻璃上爬行。

以上闡述了常用的真空發(fā)生裝置的工作機(jī)理及實際應(yīng)用，不同的方法適用于不同的工作環(huán)境。不同真空發(fā)生裝置的優(yōu)缺點對比如表3所示。

負(fù)壓吸附幾乎不受壁面材質(zhì)的限制，但該吸附方式大部分需要持續(xù)提供能量來創(chuàng)造真空環(huán)境，工作過程往往噪聲較大；同時要考慮泄漏問題，在有裂縫或者凹凸不平的壁面上工作時，可能會導(dǎo)致吸附的失效，發(fā)生墜落事故。所以，該吸附方式的使用需要考慮真空發(fā)生裝置的選用、密封裝置的氣密性以及工作壁面的實際狀況等，而靜電吸附往往不受上述場景的限制。

3 靜電吸附方式

近年來，靜電吸附技術(shù)逐漸被應(yīng)用于爬壁機(jī)器人的吸附裝置之中[44]。靜電吸附是對導(dǎo)電電極施加高壓靜電，從而在電極上產(chǎn)生大量自由電荷，利用自由電荷所激發(fā)的高壓強(qiáng)電場促使壁面極化，進(jìn)而產(chǎn)生極化電荷，通過壁面和電極上極性相反電荷間的電場力作用實現(xiàn)吸附[45]22。圖16為單電極吸附模擬圖。

由圖16可知，壁面與吸附電極共同構(gòu)成了吸附電容系統(tǒng)，并且該吸附力來自于電場力，服從庫侖定律?？赏茖?dǎo)出壁面與電極間吸附力的表達(dá)式[46]為

式中，qj為極板上的點電荷；q'm 為壁面上的點電荷；r 為兩點電荷間距離。

通過式（6）可知，壁面與吸附電極間的吸附力可表示為壁面上電荷與吸附電極上電荷間的庫侖力的矢量和。

若圖16所示的電場是均勻電場，那么，根據(jù)平行板電容公式以及虛功原理[47]可得出靜電場的靜電力與電壓之間的關(guān)系式[48]為

式中，εr 為極板與壁面間實際相對介電常數(shù)；a 為電極板的長；b 為電極板的寬；d 為電極與壁面的距離；C 為極板與壁面構(gòu)成的電容；U 為電壓；ε0 為真空介電常數(shù)，在國際單位制中，真空介電常數(shù)的數(shù)值約為8. 854 187 817×10-12 F/m。

通過式（7）可知，靜電吸附力的大小主要與電容的大小、壁面與吸附表面的距離、電壓大小有關(guān)。通過調(diào)節(jié)距離與電壓大小，可增大靜電力，但這種增大不是無上限的。因為任何材料都有自身的介電強(qiáng)度極限，一旦超過，材料就會被擊穿，導(dǎo)致吸附失效，并損壞吸附設(shè)備及壁面。

黃之峰等[49]基于柔性靜電吸附技術(shù)設(shè)計了一款爬壁機(jī)器人[圖17（a）]。該機(jī)器人采用雙向拉伸聚丙烯（Biaxially Oriented Polypropylene， BOPP）鍍鋁薄膜作為吸附電極材料，通過化學(xué)方法在薄膜上腐蝕出電極，從而與壁面產(chǎn)生吸附力。這種材料具有柔順性，能夠有效貼合粗糙的壁面，從而縮小電極與壁面的間距，提高吸附效果。電極表面采用硅膠覆蓋，防止電極擊穿及周圍空氣電離。通過試驗，該機(jī)器人在4 kV的電壓之下，在粉刷壁面上可獲得0. 57 N的吸附力和41. 6 N的靜摩擦力。XIE等[50]設(shè)計了一款采用靜電吸附墊（Electrostatic Adhesion Pads， EAP）的履帶式爬壁機(jī)器人[圖17（b）]。該吸附墊用16. 7 μm的電解銅箔作為電極，電極寬度和電極間距均為1 mm，同時用厚25 μm的聚酰亞胺（PI）材料作為絕緣層，最終由柔性印刷電路（Flexible Printed Circuit， FPC）蝕刻工藝制備而成。EAP同時作為吸附裝置和移動履帶，可有效減輕機(jī)器人的質(zhì)量。該機(jī)器人能在大部分壁面上穩(wěn)定吸附，以花崗巖為例，當(dāng)施加1. 5 kV電壓時，該機(jī)器人能以5 cm/s的速度沿垂直壁面穩(wěn)定爬行。

上述基于靜電吸附設(shè)計的爬壁機(jī)器人多用履帶作為吸附機(jī)構(gòu)，履帶與壁面的接觸面積較大，可以容納更多的自由電荷。由式（6）可知，電荷量增多能增大吸附力，從而能夠承受更大的載荷。這種類型的爬壁機(jī)器人負(fù)載能力強(qiáng)，在一些壁面粗糙度大的非導(dǎo)磁壁面應(yīng)用較為廣泛，但機(jī)器人結(jié)構(gòu)較大。

WANG 等[51]設(shè)計了一種基于靜電吸附的超薄柔性仿尺蠖爬壁機(jī)器人[圖18（a）]。該機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)的電極薄膜由聚酰亞胺基層、銀漿印刷的線性電極、樹脂做成的絕緣覆蓋層組成，整體厚約90 μm。在驅(qū)動力方面，該機(jī)器人采用靜電薄膜致動器，可模仿尺蠖在壁面上爬行?；谏鲜鰞煞N技術(shù)，制造出了本體厚度只有2. 5 mm的超薄、輕量化、可變形的攀爬機(jī)器人，能攜帶0. 4 N的有效載荷爬上垂直鋁板壁面。WU等[52]基于靜電吸附原理，利用紙和形狀記憶合金（Shape Memory Alloy， SMA）制作了一款爬壁機(jī)器人[圖18（b）]。設(shè)計了4個紙基靜電吸附墊作為吸附機(jī)構(gòu)，采用75 μm厚的紙作為基材，然后將交叉電極以1 mm的間距印在紙基材的一側(cè)。當(dāng)高電壓施加到電極上時，紙墊接觸的表面局部極化，從而產(chǎn)生吸附力。該機(jī)器人由記憶合金做驅(qū)動器，這種材料在室溫下拉伸，在激活狀態(tài)下會收縮產(chǎn)生位移，儲存在機(jī)器人體內(nèi)的彈性能量使其能夠在收縮后自動恢復(fù)，從而實現(xiàn)可重復(fù)的周期驅(qū)動。通過試驗，該機(jī)器人在特定基板上產(chǎn)生的摩擦力最高可達(dá)1. 65 N，可以1 mm/s的速度攀爬垂直壁面。

這兩款機(jī)器人采用仿生移動方式，機(jī)器人的負(fù)載能力雖然不強(qiáng)，移動也較為緩慢，但是其質(zhì)量較輕，靈活性較好，可以在一些空間狹小的特殊環(huán)境里部署工作，也具有較好的應(yīng)用前景。

相較于磁吸附僅限于導(dǎo)磁表面、負(fù)壓吸附效率較低等不足，靜電吸附對除某些塑料外的各種表面都能有效吸附，還具有質(zhì)量輕、功耗低、噪聲小、結(jié)構(gòu)簡單以及對壁面沒有損傷和吸附力可控等優(yōu)點，這些優(yōu)點促進(jìn)了靜電吸附方式在爬壁機(jī)器人中的應(yīng)用，也拓展了爬壁機(jī)器人的應(yīng)用場合。但也應(yīng)看到，靜電吸附受吸附力小、移動速度較為緩慢等缺點的限制，只能在部分特定環(huán)境下使用。

4 仿生吸附方式

自然界中的生物在自身的演化過程中進(jìn)化出了多種多樣的干態(tài)、濕態(tài)摩擦黏附器官，用于適應(yīng)生存環(huán)境的變化[53]?？茖W(xué)家在分析壁虎、樹蛙以及各種昆蟲等生物的特征后，紛紛效仿其在壁面上爬行的本領(lǐng)，用于研制爬壁機(jī)器人或者進(jìn)行其他科研活動[54]。根據(jù)其黏附機(jī)理的不同，學(xué)者們大體把生物界的吸附方式分為兩類：一是基于干黏附機(jī)理的吸附（如壁虎、蜘蛛、甲蟲）；二是基于濕黏附機(jī)理的吸附（如樹蛙、竹節(jié)蟲、螽斯）[55]?；谏鲜鑫綑C(jī)理，目前常用的仿生吸附方式有仿生干式吸附[56]和仿生濕式吸附[57]。

4. 1 仿生干式吸附

干式吸附在生物界最顯著的代表就是壁虎，由于其非凡的爬壁能力，近年來一直被科學(xué)家所研究。支撐壁虎在壁面上穩(wěn)定快速爬行的吸附力主要來自于壁虎的足部，通過觀察其足部的顯微結(jié)構(gòu)可知：壁虎腳上有近50萬根直徑僅有人類頭發(fā)絲十分之一的角質(zhì)毛或剛毛，雖然每根的面積很小，但幾十萬根加在一起使得有效面積相當(dāng)大[58]。其微觀結(jié)構(gòu)如圖19所示。壁虎足部的毛是柔順的，故可以通過變形來適應(yīng)不同粗糙度的表面，同時，其還具有疏水性，可保證爬行過程中足部干燥與清潔，從而穩(wěn)定吸附于壁面。施加預(yù)緊力后，柔順的毛會自發(fā)正確地貼合表面從而黏附在一起，產(chǎn)生吸附力[59]432。

由仿生纖維組成的黏附裝置是設(shè)計與制造仿生干式吸附爬壁機(jī)器人的關(guān)鍵。近年來，得益于納米制造技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人造仿生纖維黏附裝置的制造成為可能[60]。諸如電子束光刻技術(shù)、靜電紡紗技術(shù)、熔體吹煉工藝、離心紡絲方法、雙組分纖維紡絲技術(shù)等被廣泛用于納米纖維的制造[61-62]。

作為合成仿生纖維的必要成分， MENON等[59]431-436提出了兩種制備納米纖維的技術(shù)[63]，并提出仿生干式吸附爬壁機(jī)器人的3點主要設(shè)計要求，即最大接觸面積、表面預(yù)緊力、分離階段的剝離力，基于此，分別設(shè)計了輪腿式和履帶式仿生干式吸附爬壁機(jī)器人[圖20（a）、圖20（b）]。通過試驗，輪腿式爬壁機(jī)器人能夠垂直地爬上光滑丙烯酸表面，但有時會從壁面上脫落，可靠性不高；履帶式爬壁機(jī)器人能夠穩(wěn)定地爬上75°斜面的丙烯酸表面。GREUTER等[64]基于仿生干式吸附設(shè)計了一種微型爬壁機(jī)器人[圖20（c）]。該機(jī)器人采用皮帶式履帶作為移動與吸附機(jī)構(gòu)，上面附著很多納米級別的纖維，提供了數(shù)百萬個柔順的接觸點，使得爬壁機(jī)器人可利用分子間的作用力吸附在壁面上。該機(jī)器人質(zhì)量僅有11 g，能以3. 3 mm/s的速度在垂直壁面上爬行。SANTOS等[65]基于仿生壁虎足設(shè)計了一款爬壁機(jī)器人Stickybot[圖20（d）]，該機(jī)器人的仿生壁虎足由聚氨酯制成，具有各向異性，同時，仿生吸附纖維是可控的，具有切向力為0時黏附力為0的特性，能實現(xiàn)吸附與分離的快速切換，從而保證機(jī)器人高效地爬行。

4. 2 仿生濕式吸附

在爬壁機(jī)器人領(lǐng)域， 雖然干式黏附應(yīng)用廣泛[66]1235，但仍具有一定的局限性。以壁虎為靈感設(shè)計的機(jī)器人沒有考慮壁虎在潮濕表面爬行的能力。研究表明，相對濕度的增加會使壁虎足部的剛毛發(fā)生力學(xué)特性變化[67]，從而影響其吸附的穩(wěn)定。而爬壁機(jī)器人的工作環(huán)境往往涉及濕度較大場合，故研究可以適應(yīng)潮濕環(huán)境、并能在潮濕環(huán)境下穩(wěn)定爬行的吸附方式是十分必要的。

自然界利用濕吸附機(jī)理吸附的生物很多，諸如樹蛙、螞蟻、竹節(jié)蟲等，它們在壁面上行走時，其光滑的足墊與壁面之間會產(chǎn)生一層薄薄的液體膜，進(jìn)而產(chǎn)生吸附力。圖21所示為濕式吸附模型。研究表明，濕式吸附力主要來自于表面張力、毛細(xì)力以及黏性力[68]100。

黎明和等[69] 設(shè)計了一款輪爪式爬壁機(jī)器人[圖22（a）]，其濕式吸附仿生足墊由刻有特殊結(jié)構(gòu)花紋的硫化硅橡膠制成，當(dāng)機(jī)器人在壁面上爬行時，足墊接觸壁面后爪子會給其斜向下的預(yù)緊力，使得足墊與壁面充分接觸從而產(chǎn)生吸附力，該過程類似于昆蟲足墊與壁面的吸附。剝離時與該過程相反，由于輪爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計使得剝離角大于90°，故可以輕松剝離。通過試驗，該機(jī)器人可以吸附在最大角度為85°的濕潤玻璃壁面上，并可以在65°的濕潤玻璃壁面上平穩(wěn)地爬行。HE等[70]設(shè)計了一款基于濕式吸附的仿生六足爬行機(jī)器人[圖22（b）]，該機(jī)器人以熱塑性彈性體（Thermoplastic Elastomer， TPE）為材料，制作了與竹節(jié)蟲足墊相似的仿生墊，該材料具有熱塑性、黏彈性、親水性、在非密封環(huán)境中容易受潮等特點。將采用電鑄與軟光刻相結(jié)合的方法制備的微結(jié)構(gòu)層粘接在仿生墊的接觸面上，可有效提高仿生墊的濕黏合力。同時，該仿生墊具有方向性，易從壁面剝離，提高了爬行的效率。通過試驗，該機(jī)器人可以在80°以上的壁面爬行，并可以穩(wěn)定吸附在垂直表面上，該機(jī)器人較上述機(jī)器人的爬壁能力有所提升。SUZUKI等[66]1235-1244基于螞蟻的黏附器官設(shè)計了一款利用毛細(xì)力吸附的爬壁機(jī)器人[圖22（c）]，分別在機(jī)器人的下方以及前方安裝了兩款親水玻璃墊，當(dāng)該機(jī)器人爬壁時，在玻璃墊表面提供水滴后，就會跟特定的壁面產(chǎn)生法向附著力。由于壁面與玻璃墊片的摩擦力足夠小，該機(jī)器人可以在玻璃墊保持吸附的同時，由車輪驅(qū)動沿著壁面滑行，完成爬壁的動作。通過試驗，質(zhì)量為10. 2 g的機(jī)器人能垂直于丙烯酸表面以12. 3 mm/s的速度移動，相較于上述兩個機(jī)器人，該機(jī)器人的爬壁能力更強(qiáng)，但對壁面環(huán)境要求更高。

4. 3 其他仿生吸附

除了上述提到的仿生干式吸附與仿生濕式吸附，學(xué)者們通過觀察生物的結(jié)構(gòu)、分析吸附爬行原理等，還設(shè)計出一些獨特的仿生爬壁機(jī)器人。

AOYAGI等[71]受到章魚的啟發(fā)，設(shè)計了一款6條腿的仿章魚爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人的吸附模擬了章魚觸手抓取東西的過程，以此設(shè)計的多自由度柔性機(jī)械手機(jī)構(gòu)[圖23（a）]，在觸手根部帶蝸輪的伺服電動機(jī)的作用下，連接觸手的鋼絲開始變短，從而帶動整個仿生觸手的收縮，使機(jī)器人攀附在物體表面。在攀爬未知柱狀體時，能夠精準(zhǔn)地捕捉物體的形狀并利用機(jī)械手握住物體，從而穩(wěn)定地攀附在物體表面。最終通過試驗，該機(jī)器人可在柱管、方柱上攀爬[圖23（b）]。JI等[72]受到動物可以用爪子在粗糙表面上攀爬的啟發(fā)，利用機(jī)械互鎖原理設(shè)計了一種適應(yīng)于粗糙表面的四足爬壁機(jī)器人，其每個爪墊由10個末端帶有45°倒刺且呈放射狀的腳趾組成[圖23（c）]，腳趾之間互不干擾，該設(shè)計增加了鉤住粗糙表面的可能性。該機(jī)器人能以兩種步態(tài)進(jìn)行攀爬，即快速的對角線步態(tài)和緩慢的三角形步態(tài)。通過試驗，該機(jī)器人能夠以46 mm/s的速度爬上混凝土墻壁，并且能夠輕松地向前、向后和轉(zhuǎn)彎[圖23（d）]。

以上內(nèi)容闡述了仿生吸附中干式吸附、濕式吸附等的吸附機(jī)理及實際應(yīng)用。不同仿生吸附方式的優(yōu)缺點對比如表4所示。

仿生吸附的壁面適應(yīng)能力強(qiáng)，吸附基本不需要消耗額外的能量，該吸附方式拓展了爬壁機(jī)器人的應(yīng)用場景。但是，仿生吸附方式的負(fù)載能力弱，移動緩慢，吸附裝置的設(shè)計和制造復(fù)雜且造價昂貴，在爬壁過程中容易造成損耗。

5 爬壁機(jī)器人吸附方式的研究總結(jié)與展望

綜上可知，目前磁吸附與負(fù)壓吸附在實際工程中已得到廣泛應(yīng)用，但磁吸附僅限于導(dǎo)磁壁面，負(fù)壓吸附對壁面光潔度要求較高，這些不足限制了它們的進(jìn)一步推廣應(yīng)用；靜電吸附、仿生吸附得益于新材料與新加工制造技術(shù)的快速發(fā)展，其吸附力較小的缺點得到了一定程度的改善，雖然仍不及前述兩種吸附方式，但在一些不導(dǎo)磁、潮濕等特殊環(huán)境中能彌補(bǔ)磁吸附與負(fù)壓吸附不足，從而得到了一定的認(rèn)可。不同吸附方式的優(yōu)缺點對比如表5所示。

隨著爬壁機(jī)器人應(yīng)用場合的不斷擴(kuò)大，其需求量也在同步增加，隨之而來的是對其在吸附能力、可靠性以及適應(yīng)性等方面提出了更多、更高要求。為了讓爬壁機(jī)器人滿足實際工作需求，爬壁機(jī)器人吸附方式的發(fā)展方向涉及以下幾個方面：

1） 吸附力自適應(yīng)性——智能化。爬壁機(jī)器人應(yīng)用于實際工業(yè)需求時，面對復(fù)雜多變的壁面結(jié)構(gòu)與工作環(huán)境，要求吸附裝置具有與實際工作狀態(tài)相適應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制策略。如在越障過程中，機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行動作的同時可能會影響部分吸附結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài)，此時應(yīng)對吸附力進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)動態(tài)分配與自適應(yīng)以滿足需求。智能控制與傳感器技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，也使吸附裝置在動態(tài)感知與吸附力調(diào)整等方面有了提升的空間，以適應(yīng)吸附環(huán)境的變化，實現(xiàn)吸附的智能化與高效性。

2） 多種吸附方式組合——多模態(tài)化。前述分析可知，當(dāng)前幾類主流吸附方式的優(yōu)缺點與適應(yīng)性都相對明確，而隨著爬壁機(jī)器人工作環(huán)境的日益苛刻，單一吸附方式往往難以滿足全部要求，這時需要多模態(tài)吸附系統(tǒng)的開發(fā)，將多種吸附模式整合到一起，充分發(fā)揮各自吸附方式的優(yōu)點，補(bǔ)償各自吸附方式的不足，實現(xiàn)吸附方式的互補(bǔ)。根據(jù)環(huán)境的變化智能地切換吸附模式，以最大限度發(fā)揮各種吸附方式的優(yōu)勢，從而提高爬壁機(jī)器人的吸附能力與適用范圍。

3） 利用新材料、尋求新吸附方法——新興化。隨著具有自清潔能力、自恢復(fù)能力以及廣泛實用性新材料的研發(fā)應(yīng)用，將會在提高靜電吸附、仿生吸附等吸附性能的同時，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單化、質(zhì)量輕量化、機(jī)構(gòu)模塊化的目標(biāo)，提高爬壁機(jī)器人在不同工作表面的負(fù)載能力與吸附可靠性。近年來，仿生吸附、熱熔吸附等新型吸附方式逐步得到了更多的關(guān)注，新型吸附方式的開發(fā)研究成為爬壁機(jī)器人的發(fā)展方向之一。

4） 減少能源消耗——節(jié)能化。節(jié)能環(huán)保是當(dāng)今發(fā)展的主旋律。為了實現(xiàn)該目標(biāo)，可以尋求新能源為爬壁機(jī)器人提供吸附力，高效地利用能源，避免能源浪費；也可通過對現(xiàn)有吸附裝置的不同參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，以實現(xiàn)在滿足吸附力要求的前提下能耗最低、質(zhì)量最輕。如：針對磁吸附方式，可對磁輪裝置的磁極排布進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，增加吸附力；針對負(fù)壓吸附方式，在不提高功率的前提下，通過改進(jìn)吸附結(jié)構(gòu)提高密封裝置的氣密性，提高其吸附力。

6 結(jié)論

分類闡述了爬壁機(jī)器人中幾種主流的吸附方式的吸附原理與工作特點，舉例介紹了不同吸附方式的發(fā)展進(jìn)展與研究現(xiàn)狀，對比分析了不同吸附方式的優(yōu)缺點與應(yīng)用場合，并對吸附方式的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。隨著社會與科技的進(jìn)步，爬壁機(jī)器人在檢測、維護(hù)、清潔等方面的應(yīng)用越來越廣泛，也會對爬壁機(jī)器人的性能提出更高的要求，而爬壁機(jī)器人的吸附方式將會向著智能化、多模態(tài)化、新興化、節(jié)能化的方向發(fā)展?？梢灶A(yù)見，爬壁機(jī)器人將會代替人工在各個領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。