爬壁機器人氣壓吸附及磁吸附專利技術綜述

趙彥文+黎開虎

摘 要： 爬壁機器人可以吸附在不同材質(zhì)的垂直或者傾斜面上，進行各種極限條件下的作業(yè)任務，氣壓吸附和磁吸附方式是爬壁機器人技術領域最成熟應用最廣泛的吸附方式。

關鍵詞： 機器人；爬壁；吸附

前言

爬壁機器人是移動機器人領域的一個重要分支，它把地面移動機器人技術與吸附技術有機結合起來，可在垂直壁面上附著爬行，并能攜帶工具完成一定的作業(yè)任務，大大擴展了機器人的應用范圍。本文將著重對爬壁機器人氣壓吸附及磁力吸附的專利技術發(fā)展路線進行梳理。

1.爬壁機器人吸附方式概述

攀爬機器人的設計需要針對工作任務、環(huán)境，選擇合適的吸附方式。目前，吸附方式主要有氣壓吸附、磁吸附、仿生吸附以及靜電吸附，這些吸附方式有各自的優(yōu)勢，也有各自的局限性，所研制的爬壁機器人往往針對性較強，例如在玻璃或光滑壁面上工作時，主要采用真空吸附或者仿生吸附，在鋼制壁面上主要采用磁力吸附，在金屬等材料相互混雜的壁面上主要采用靜電吸附，在復雜壁面上或者是彎曲壁面上大多采用混合吸附方式。各種吸附方式的性能對比，參見表1。

2.氣壓吸附及磁吸附的發(fā)展路線

2.1 氣壓吸附

真空吸附法是通過真空發(fā)生裝置，使吸盤內(nèi)腔產(chǎn)生負壓，機器人利用吸盤內(nèi)外的壓力差貼附在壁面上。真空吸附法由于不受壁面材質(zhì)的限制，適應范圍廣，但當壁面凹凸不平時吸盤容易漏氣，從而吸附力下降，承載能力降低。推力吸附借鑒了航空技術，使用螺旋漿或涵道風扇產(chǎn)生合適的推力，使機器人穩(wěn)定、可靠地貼附在壁面上，并在壁面上移動。這種吸附方式具有壁面適應性好，越障容易等優(yōu)點，但控制系統(tǒng)復雜。

在氣壓方面，從最初的日本大阪府立工學部的西亮教授于1966年研制出來的垂直壁面移動機器人樣機，利用電風扇進氣側的低壓作用作為吸附力開始，一直到1973年才有正式記錄的專利申請，即專利申請?zhí)枮镴P4607373A的由日本的本田技研工業(yè)株式會社申請的利用風扇吸氣產(chǎn)生內(nèi)部外部壓力差的爬壁機器人，后期針對氣壓的爬壁機器人進行了相應的改進，但問題在于，這些改進更多的是集中在爬壁機器人的行走方式上，而對于吸附方式卻沒有實際意義的革命性發(fā)展；到1995年由本田技研工業(yè)株式會社就利用負壓吸盤進行吸附的爬壁機器人申請了專利，專利申請?zhí)枮镴P1820995A；之后的一段時間內(nèi)針對單吸盤與多吸盤的氣壓式吸附爬壁機器人專利申請量很大，而這些申請里大多是利用輪式、履帶式作為行走方式的；到2001年，有ASPECT與日立公司聯(lián)合申請的利用真空泵抽出吸盤內(nèi)的氣體，利用真空的低壓進行吸附的爬壁機器人，專利申請?zhí)枮镴P2001253768A。

在之后的發(fā)展中，中國的大專院校占據(jù)了絕對的申請量，在質(zhì)量上也非常的優(yōu)秀，如2007年哈爾濱工業(yè)大學申請的仿蜘蛛吸盤機器人，專利申請?zhí)枮镃N200710072319；2008年北京理工大學申請的負壓與反推力結合實現(xiàn)的吸附方式，專利申請?zhí)枮镃N200810227554，需要強調(diào)的是該專利將兩種吸附方式進行結合，可以有效的提高吸附的成功率與穩(wěn)定性；2012年華東理工大學申請的針對不平墻面的非接觸吸附，專利申請?zhí)枮镃N201010617410，該申請針對非平整墻面的吸附方式進行了相應的改進。

2.2 磁吸附

磁吸附法要求壁面必須是導磁材料，但它結構簡單、吸附力大，對壁面的凹凸適應性強，不存在氣壓吸附法的漏氣問題，因而當壁面材料導磁時，使用磁吸附式爬壁機器人有它突出的優(yōu)點。

在磁力吸附方面，最早的申請來自UNIVERSAL CRAWLER CO LTD申請的履帶式電磁吸附爬壁機器人，專利申請?zhí)枮镈E2413688A，該申請利用履帶的連續(xù)性以及與墻壁接觸面積大的優(yōu)點，可以使爬壁機器人能夠向履帶式全地形車在地面上行走一樣，可以在墻壁表面持續(xù)的全方向行走，為爬壁機器人的工業(yè)推廣奠定了基礎；之后到1985年株式會社東芝就利用永磁體的爬壁機器人申請了專利，專利申請?zhí)枮镴P7356884A，相對于電磁吸附，永磁吸附的優(yōu)點在于，其可以提供持續(xù)的吸附力度，缺點在于磁力的開啟與切斷較難實現(xiàn)，以及吸附力的控制方面可能弱于電磁體；1992年日立金屬公司就履帶式永磁體吸附方式技術申請了專利，專利申請?zhí)枮镴P30956992。

在90年代之后，中國在磁吸附方面的專利申請量開始呈現(xiàn)爆發(fā)之勢，這也得益于中國在90年代開始在工業(yè)方面開始大踏步前進，促使了工業(yè)爬壁機器人的需求量增加。2005年，清華大學就利用非接觸式永磁吸附方式的爬壁機器人申請了專利，專利號為CN200510086383；2010年，九江精密測試技術研究所就磁吸附與推力吸附復合吸附申請了專利，其利用兩種吸附方式結合的創(chuàng)新，使爬壁機器人在吸附穩(wěn)定方面取得了一定的進步，申請?zhí)枮镃N201020548859；2012年浙江大學就曲面自適應磁吸附裝置，利用了磁輪加磁塊的磁吸附方式申請了相關專利，專利申請?zhí)枮镃N201210540925。

2.3氣壓吸附及磁吸附國內(nèi)外專利申請趨勢

雖然國內(nèi)氣壓吸附與磁吸附爬壁機器人專利申請相對于國外起步略晚，但之后的發(fā)展速度很快，在2005年之后國內(nèi)申請量已經(jīng)遠遠超過了國外，也從側面顯示出我國在氣壓吸附及磁吸附爬壁機器人領域的取得了一定的成績。

3 結語

爬壁機器人吸附方式仍然是爬壁機器人研究的熱點，也仍然是爬壁機器人應用推廣的瓶頸。其中，氣壓吸附和磁吸附技術已經(jīng)非常成熟，在許多領域都有比較好的應用，而且國內(nèi)的相關專利申請在“量”上已經(jīng)遠超國外，但是今后在“質(zhì)”方面還有更進一步的空間。另外，需要強調(diào)的是仿生吸附和靜電吸附也是未來爬壁機器人吸附領域的發(fā)展熱點，這需要國家和企業(yè)更多的資金投入以及高校和研究所更多的技術投入。■