爬壁機(jī)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(lái)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)飛速發(fā)展，很多種類(lèi)的移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)始應(yīng)用到實(shí)際中。爬壁機(jī)器人作為移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，把地面移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)與吸附技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，大大擴(kuò)展了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。本文通過(guò)對(duì)爬壁機(jī)器人應(yīng)用及研究目的分析，根據(jù)其行走機(jī)構(gòu)介紹了目前爬壁機(jī)器人的種類(lèi)，最后進(jìn)一步討論了目前磁吸附爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：爬壁機(jī)器人；行走機(jī)構(gòu)；發(fā)展趨勢(shì)

1 爬壁機(jī)器人技術(shù)研究的意義和目的

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

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

2 爬壁機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

爬壁機(jī)器人要實(shí)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(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)和工作臂。行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，決定了機(jī)器人工況適應(yīng)性、工作可靠性和工作安全性。爬壁機(jī)器人按其行走機(jī)構(gòu)大致可分為輪式、履帶式、足式三類(lèi)。

2.1 輪式爬壁機(jī)器人

在各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)最為常見(jiàn)，也是磁吸附爬壁機(jī)器人中比較早出現(xiàn)的一種行走機(jī)構(gòu)。它的主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wèn)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(jī)器人。[1]該系統(tǒng)有一對(duì)“母子”機(jī)器人，較大的機(jī)器人（母親）只在厚的金屬板處移動(dòng)，其質(zhì)量對(duì)環(huán)境結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并不重要，所以這種機(jī)器人可建造的足夠大，可輕松越過(guò)各種障礙，較小的機(jī)器人（孩子）不具備垂直攀爬能力，只能水平移動(dòng)，工作時(shí)，較大的機(jī)器人背著較小的機(jī)器人越過(guò)焊縫和其他障礙物，到達(dá)焊接處時(shí)，較小的機(jī)器人在金屬板的焊接處水平地移動(dòng)，進(jìn)行探測(cè)。

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(jī)器人，該機(jī)器人包括兩個(gè)相互獨(dú)立的車(chē)體模塊和四組結(jié)構(gòu)相同的輪式永磁吸附單元，兩個(gè)相互獨(dú)立的車(chē)體模塊分為左車(chē)體模塊和右車(chē)體模塊，兩者結(jié)構(gòu)相同，使機(jī)器人在狹小空間工作時(shí)，可根據(jù)作業(yè)需求進(jìn)行快速拆解、運(yùn)輸和對(duì)接。

2.2 履帶式爬壁機(jī)器人

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

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

北京史河科技有限公司研制了塔筒清洗履帶式爬壁機(jī)器人。[2]履帶由多個(gè)強(qiáng)磁鐵排列而成，通過(guò)強(qiáng)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(guò)無(wú)線電遙控器控制左右履帶進(jìn)行上下移動(dòng)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(jī)器人

多足式爬壁機(jī)器人是當(dāng)前比較熱門(mén)的一個(gè)研究領(lǐng)域，一般的多足爬行機(jī)器人多由舵機(jī)或者電動(dòng)缸控制腿部運(yùn)動(dòng)。它的優(yōu)點(diǎn)在于行動(dòng)靈活，可適應(yīng)多種工況，但是其負(fù)載能力小、機(jī)械足的協(xié)調(diào)控制困難。

韓國(guó)成均館大學(xué)的Hyoukryeol Choi等人設(shè)計(jì)了一種足式封閉連接結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)由兩只對(duì)稱(chēng)的腿和一個(gè)軀干組成，每條腿由執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的平面閉合運(yùn)動(dòng)鏈組成，并且它們兩者同步運(yùn)動(dòng)。

遼寧石油化工大學(xué)的方杰、佟仕忠等人設(shè)計(jì)了一種變磁力吸附多足爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人的足式機(jī)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(gè)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(shí)，永磁體的吸附力為0，當(dāng)角度為 90°時(shí)，永磁體的吸附力處于最大值。

3 爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

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

1）多功能化。爬壁機(jī)器人在作業(yè)時(shí)，要根據(jù)需要，能夠同時(shí)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(jī)器人將向著小型化、微型化方向發(fā)展，以適應(yīng)更多的無(wú)人環(huán)境作業(yè)。

3）無(wú)纜化。目前爬壁機(jī)器人的體積較大，工作時(shí)耗電較大，隨著先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展及機(jī)器人體積減小，將通過(guò)電池可其它方式（如光、磁）提供電源，維持機(jī)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(jué)技術(shù)應(yīng)用于爬壁機(jī)器人將是今后發(fā)展的重要目標(biāo)，使爬壁機(jī)器人能夠更加靈活可靠的完成各項(xiàng)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(jī)器人.[2017-06-26].http：//www.sohu.com/a/152038067_114778.html.