爬壁機器人技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

王思佳 吳珊紅 李雷

摘 要：近年來移動機器人技術(shù)飛速發(fā)展，很多種類的移動機器人開始應(yīng)用到實際中。爬壁機器人作為移動機器人領(lǐng)域的一個重要分支，把地面移動機器人技術(shù)與吸附技術(shù)有機結(jié)合起來，大大擴(kuò)展了機器人的應(yīng)用范圍。本文通過對爬壁機器人應(yīng)用及研究目的分析，根據(jù)其行走機構(gòu)介紹了目前爬壁機器人的種類，最后進(jìn)一步討論了目前磁吸附爬壁機器人的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：爬壁機器人；行走機構(gòu)；發(fā)展趨勢

1 爬壁機器人技術(shù)研究的意義和目的

智能移動機器人根據(jù)移動方式可分為：輪式移動機器人、步行移動機器人（單腿式、雙腿式和多腿式）、履帶式移動機器人、爬行機器人、蠕動式機器人和游動式機器人等類型。垂直壁面作業(yè)超出人的極限，且勞動力消耗極大，爬壁機器人便應(yīng)運而生。

研究爬壁機器人的目的是為了讓其代替人類在石化企業(yè)、建筑行業(yè)、消防部門、船舶、水下等領(lǐng)域中的危險作業(yè)。

2 爬壁機器人國內(nèi)外研究進(jìn)展

爬壁機器人要實現(xiàn)導(dǎo)航技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，主要取決于機器人的行走機構(gòu)和工作臂。行走機構(gòu)的設(shè)計，決定了機器人工況適應(yīng)性、工作可靠性和工作安全性。爬壁機器人按其行走機構(gòu)大致可分為輪式、履帶式、足式三類。

2.1 輪式爬壁機器人

在各種移動機構(gòu)中，輪式移動機構(gòu)最為常見，也是磁吸附爬壁機器人中比較早出現(xiàn)的一種行走機構(gòu)。它的主要優(yōu)點是運動速度快，結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，但是它也存在吸附力不易控制，壁面適應(yīng)能力差等問題。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的W.Fischer、F.Tache等人提出了磁輪爬墻機器人。[1]該系統(tǒng)有一對“母子”機器人，較大的機器人（母親）只在厚的金屬板處移動，其質(zhì)量對環(huán)境結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并不重要，所以這種機器人可建造的足夠大，可輕松越過各種障礙，較小的機器人（孩子）不具備垂直攀爬能力，只能水平移動，工作時，較大的機器人背著較小的機器人越過焊縫和其他障礙物，到達(dá)焊接處時，較小的機器人在金屬板的焊接處水平地移動，進(jìn)行探測。

張衛(wèi)、黃哲軒等人發(fā)明了一種模塊化輪式磁吸附爬壁機器人，該機器人包括兩個相互獨立的車體模塊和四組結(jié)構(gòu)相同的輪式永磁吸附單元，兩個相互獨立的車體模塊分為左車體模塊和右車體模塊，兩者結(jié)構(gòu)相同，使機器人在狹小空間工作時，可根據(jù)作業(yè)需求進(jìn)行快速拆解、運輸和對接。

2.2 履帶式爬壁機器人

履帶式爬壁機器人采用履帶結(jié)構(gòu)的行走方式，并通過不同履帶體之間形成的速度差來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，且機器人的履帶與壁面的接觸面積大，具有很強的吸附力，因此與采用其他行走方式的機器人相比具有更強的帶負(fù)載能力和越障能力。

德國kamat公司研制了一種永磁吸附、履帶式爬壁機器人。用于搭載船舶除銹清洗器，該機器人采用雙履帶行走機構(gòu)，通過氣壓馬達(dá)驅(qū)動。

北京史河科技有限公司研制了塔筒清洗履帶式爬壁機器人。[2]履帶由多個強磁鐵排列而成，通過強磁吸附在金屬塔筒表面，采用兩自由度的鉸鏈左右連接履帶，可適應(yīng)不同曲率的曲面，操作者可以通過無線電遙控器控制左右履帶進(jìn)行上下移動或拐彎，配合清洗工具，從而完成塔筒表面的清洗作業(yè)。

2.3 足式爬壁機器人

多足式爬壁機器人是當(dāng)前比較熱門的一個研究領(lǐng)域，一般的多足爬行機器人多由舵機或者電動缸控制腿部運動。它的優(yōu)點在于行動靈活，可適應(yīng)多種工況，但是其負(fù)載能力小、機械足的協(xié)調(diào)控制困難。

韓國成均館大學(xué)的Hyoukryeol Choi等人設(shè)計了一種足式封閉連接結(jié)構(gòu)的爬壁機器人。該機器人的行走機構(gòu)由兩只對稱的腿和一個軀干組成，每條腿由執(zhí)行器驅(qū)動的平面閉合運動鏈組成，并且它們兩者同步運動。

遼寧石油化工大學(xué)的方杰、佟仕忠等人設(shè)計了一種變磁力吸附多足爬壁機器人。該機器人的足式機構(gòu)以4只仿生足構(gòu)成，仿生足位于立方體側(cè)下端，平均分布于鋁板的4個方向，吸附裝置的永磁體的磁力是可控的，當(dāng)嵌入永磁體的旋轉(zhuǎn)軸的角度為0°時，永磁體的吸附力為0，當(dāng)角度為 90°時，永磁體的吸附力處于最大值。

3 爬壁機器人的發(fā)展趨勢

未來爬壁機器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實用化的方向發(fā)展。爬壁機器人的發(fā)展趨勢歸結(jié)起來主要有以下幾方面。

1）多功能化。爬壁機器人在作業(yè)時，要根據(jù)需要，能夠同時完成多作作業(yè)任務(wù)，其任務(wù)將由現(xiàn)在的由單一化向多功能化方向發(fā)展。

2）微型化。隨著新技術(shù)的推廣，爬壁機器人將向著小型化、微型化方向發(fā)展，以適應(yīng)更多的無人環(huán)境作業(yè)。

3）無纜化。目前爬壁機器人的體積較大，工作時耗電較大，隨著先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展及機器人體積減小，將通過電池可其它方式（如光、磁）提供電源，維持機器人作業(yè)所需要電能提供。

4）智能化。將人工智能技術(shù)及視覺技術(shù)應(yīng)用于爬壁機器人將是今后發(fā)展的重要目標(biāo)，使爬壁機器人能夠更加靈活可靠的完成各項工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]W.Fischer，F(xiàn).Tache，R.Siegwart.Inspection system for very thin and fragile surfaces，based on a pair of wall climbing robots with magnetic wheels.Proceedings of 2007 IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems，2007.

[2]36氪.從風(fēng)電塔筒清洗業(yè)務(wù)切入，史河科技推出曲面自適應(yīng)磁吸附爬壁機器人.[2017-06-26].http：//www.sohu.com/a/152038067_114778.html.