清洗爬壁機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的綜述

王堯， 馮偉東

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

1 壁面移動(dòng)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

與國(guó)外許多國(guó)家相比，我國(guó)在壁面移動(dòng)機(jī)器人的研究方面起步相對(duì)較晚，我國(guó)于20世紀(jì)70年代初期才開(kāi)始著手研究和開(kāi)發(fā)機(jī)器人。在我國(guó)掀起的第一個(gè)研制機(jī)器人的浪潮是以1975年在北京舉辦的日本科技博覽會(huì)上由川崎重工展示的一款工業(yè)機(jī)器人為起點(diǎn)。自此以后，國(guó)內(nèi)多所著名的大學(xué)、科研院所以及企業(yè)紛紛致力于開(kāi)發(fā)研制機(jī)器人。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研制開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)由我國(guó)自主設(shè)計(jì)與研制的壁面爬行遙控檢查機(jī)器人BH-1。自1998年開(kāi)始哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了兩款爬壁機(jī)器人。圖1是其中的一款用于罐壁噴涂檢測(cè)的多功能履帶式機(jī)器人，該款機(jī)器人的吸附方式為磁吸附。另一款機(jī)器人的吸附結(jié)構(gòu)采用單吸盤(pán)的真空吸附，主要利用微機(jī)進(jìn)行控制，遙控方式為有線遙控。

圖1 履帶式磁鐵吸附機(jī)器人

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

圖2 爬壁機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人翻越障礙的功能，通過(guò)氣缸的伸縮實(shí)現(xiàn)腿部抬起的動(dòng)作從而越過(guò)障礙。在水平氣缸的兩端安裝有清洗裝置，可以讓它進(jìn)行清洗。機(jī)器人用吸盤(pán)可以吸附壁面上。吸附方式采用真空吸附，驅(qū)動(dòng)方式采用氣壓驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活，并能實(shí)現(xiàn)自主判別。但它的不足是裝置的運(yùn)動(dòng)有很多限制，使其工作困難，除此之外，機(jī)器人的整體剛性較差。

2 壁面移動(dòng)機(jī)器人國(guó)外現(xiàn)狀

早在1966年，大阪府立大學(xué)工學(xué)部的講師西亮就研制出了一臺(tái)可以在垂直的壁面上移動(dòng)的機(jī)器人樣機(jī)，這臺(tái)機(jī)器人樣機(jī)的吸附力來(lái)自于電風(fēng)扇進(jìn)氣側(cè)的低壓空氣所產(chǎn)生的負(fù)壓。1975年，已經(jīng)在宮崎大學(xué)工學(xué)院部任教授的西亮又一次研制出了一臺(tái)機(jī)器人樣機(jī)，與第一臺(tái)樣機(jī)不同的是這臺(tái)二號(hào)樣機(jī)以實(shí)用化作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖3 Walker機(jī)器人

2.1 日本

1978年，一臺(tái)名叫Walker的壁面移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，這臺(tái)機(jī)器人由日本的化工機(jī)械技術(shù)服務(wù)株式會(huì)社研制。如圖3所示，這臺(tái)機(jī)器人的吸附方式為單吸盤(pán)式結(jié)構(gòu)。吸附力來(lái)自于真空泵產(chǎn)生的負(fù)壓，通過(guò)上下布置的兩個(gè)行走滾子作為機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)。但若行走軌道上有裂縫的話，會(huì)使產(chǎn)生的負(fù)壓難以維持機(jī)器人的吸附。關(guān)西電力株式會(huì)社所還研究出了一種履帶式壁面移動(dòng)機(jī)器人，這臺(tái)壁面移動(dòng)機(jī)器人的吸附方式為真空吸附，行走方式為履帶式結(jié)構(gòu)。機(jī)器人的直線行走及轉(zhuǎn)向功能通過(guò)均勻分布于履帶及車(chē)體底部的吸盤(pán)實(shí)現(xiàn)，但這臺(tái)機(jī)器人的缺點(diǎn)是翻越障礙及面面之間的轉(zhuǎn)換能力較差。如圖4所示。

圖4 爬壁機(jī)器人模型

圖5 所示的是一臺(tái)能夠清洗玻璃的壁面移動(dòng)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)，主要包括氣體驅(qū)動(dòng)及真空吸附。機(jī)器人系統(tǒng)分別包括本體、室內(nèi)及室外支援裝置。1個(gè)能夠進(jìn)行縱向移動(dòng)的氣缸和2個(gè)進(jìn)行橫向移動(dòng)的氣缸共同組成了機(jī)器人的本體。在氣缸的端部安裝可以進(jìn)行升降的吸盤(pán)，此外將擦洗的裝置安裝于橫向氣缸的端部。室內(nèi)的支援裝置主要包括主控計(jì)算機(jī)、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(jī)器人安全繩的可移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成了室外支援裝置。實(shí)施擦洗作業(yè)時(shí)，機(jī)器人的擦洗順序按照從左到右、自上而下的順序。擦洗的過(guò)程中機(jī)器人可以縱向跨越障礙（主要為窗框），但是不能夠進(jìn)行橫向障礙的跨越。該臺(tái)機(jī)器人能夠?qū)⑶逑垂δ芎鸵苿?dòng)功能相結(jié)合，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕。這是最早的壁面清洗機(jī)器人之一，它精巧的結(jié)構(gòu)造型和合理的規(guī)劃方式為進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)。

圖5 清洗玻璃機(jī)器人

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

2.2 美國(guó)

美國(guó)也是世界上開(kāi)展壁面移動(dòng)式機(jī)器人研究較早的國(guó)家之一。1989年美國(guó)州立威寄托大學(xué)的Benham Bahr領(lǐng)導(dǎo)的小組陸續(xù)研制了ROSTAM系列壁面移動(dòng)機(jī)器人。在機(jī)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(zhì)量。生產(chǎn)制造出了ROSTAM-Ⅰ機(jī)器人的原形，這臺(tái)機(jī)器人有能夠沿著4個(gè)方位進(jìn)行移動(dòng)的4條腿。之后在此基礎(chǔ)上研究人員又對(duì)這臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行了改良，設(shè)計(jì)出ROSTAM-Ⅲ機(jī)器人。一個(gè)直徑比較大的圓形吸盤(pán)被安裝在機(jī)器人的中間下部位置，依靠這個(gè)吸盤(pán)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)任何方向的轉(zhuǎn)動(dòng)及進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整；在機(jī)器人的頭部和尾部的臂上各安裝1組小吸盤(pán)，每個(gè)臂具有轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)2個(gè)自由度，轉(zhuǎn)動(dòng)自由度依靠蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，移動(dòng)自由度依靠氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，與吸盤(pán)相固連的氣缸分別固定在臂的兩端，機(jī)器人移動(dòng)方向的變換則依靠蝸輪蝸桿實(shí)現(xiàn)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)通過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)回路中調(diào)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(xué)的研究人員研制出了一種小型壁面機(jī)器人，該機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式為電氣驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人使用微型的直流電機(jī)對(duì)2個(gè)風(fēng)箱進(jìn)行驅(qū)動(dòng)使其交替地壓縮和舒張，以便獲得2組吸盤(pán)吸附和張開(kāi)所需要的正壓和負(fù)壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的壁面移動(dòng)功能。機(jī)器人的供電方式采用干電池供電，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，構(gòu)思新穎。

密歇根州立大學(xué)的Mark Minor研制出了一臺(tái)微型的兩足壁面移動(dòng)機(jī)器人RAMR，該機(jī)器人的行走結(jié)構(gòu)為雙吸盤(pán)兩足步行結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是應(yīng)用了“Under Actuated”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以使用3臺(tái)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)4個(gè)關(guān)節(jié)。這種兩足式結(jié)構(gòu)機(jī)器人的缺點(diǎn)是重心偏高，由于足端集中的載荷導(dǎo)致了機(jī)器人穩(wěn)定性較差。即使其具有很好的靈活性，但很少應(yīng)用于壁面的移動(dòng)領(lǐng)域。

2.3 英國(guó)

一款具有與蜘蛛的腿腳相似的被稱(chēng)作Robug的機(jī)器人誕生于英國(guó)的樸茨茅斯大學(xué)，這款機(jī)器人的腳步安裝有吸盤(pán)，使其可以沿著壁面進(jìn)行爬行。開(kāi)發(fā)的Robug三代機(jī)器人腳的數(shù)量達(dá)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(gè)吸盤(pán)，采用氣動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。它可以把每個(gè)邊上的4條腿設(shè)為1組，分別讓氣缸對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這樣可以遙控機(jī)器人實(shí)現(xiàn)任意方向的行走，如圖6所示。

圖6 Robug三代機(jī)器人

2.4 意大利

意大利的卡塔尼亞大學(xué)研究小組設(shè)計(jì)研發(fā)了可用于壁面檢測(cè)的Alicia系列機(jī)器人。圖7為Alicia2型機(jī)器人，這款機(jī)器人的主體主要是由1個(gè)吸盤(pán)和2對(duì)輪子組成，吸盤(pán)的作用是使機(jī)器人借助于吸力吸附在墻壁上，這樣可以讓它的行動(dòng)變得靈活。其缺點(diǎn)是翻越障礙的能力較差，為了彌補(bǔ)這一不足重新采用了新穎的設(shè)計(jì)思路開(kāi)發(fā)研制了Alicia3代機(jī)器人，這款三代機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)是由3個(gè)Alicia2形成，每2個(gè)之間采用1根連桿進(jìn)行連接，翻越障礙的時(shí)候進(jìn)行吸附，而另一個(gè)在連桿的作用下進(jìn)行抬起動(dòng)作，這樣就能翻越遇到的阻礙，這樣的設(shè)計(jì)提高了機(jī)器人翻越障礙的能力。

圖7 Alicia2型機(jī)器人

［1］ 閻軍濤.壁面清洗機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.重慶:重慶大學(xué)，2007.

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

［3］ 胡啟寶.多吸盤(pán)式玻璃幕墻清洗機(jī)器人本體設(shè)計(jì)［D］.上海:上海交通大學(xué)，2007.

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