磁吸附爬壁控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展

鄭東梅 王慶喜

摘要：本文通過對國內(nèi)外磁吸附爬壁機器人以及控制系統(tǒng)的研究進行分析，探討國內(nèi)外在爬壁機器人研究中的新技術(shù)，洞察爬壁機器人未來的發(fā)展趨勢，從而為我國爬壁機器人的進一步研究提供可靠的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：爬壁機器人；磁吸附；控制系統(tǒng)；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

中圖分類號： TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

一、磁吸附爬壁控制系統(tǒng)的研究意義

隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展和人的觀念的更新，對于一些高危工作和繁重勞動人們逐漸開始用科技的眼光審視，因此爬壁機器人便應(yīng)用而生。爬壁機器人作為一種特種機器人，能夠在高、陡的壁面上作業(yè)，替代了人的工作，實現(xiàn)了人類的解放。爬壁機器人于1966年由日本的西亮教授研制成功，并且實現(xiàn)了地面的移動和吸附技術(shù)兩者之間的融合，提高機器人在垂直墻壁上的運動功能，爬壁機器人應(yīng)用的領(lǐng)域十分的廣泛，主要分為6個重要的行業(yè)。在核工業(yè)中的應(yīng)用主要是檢測核反應(yīng)堆，對核廢液儲罐的壁厚和焊縫進行檢查。在石化工業(yè)中的應(yīng)用主要是在立式和球形的金屬罐表面以及內(nèi)壁進行噴漆和噴砂作業(yè)，目的是為了防腐和除銹在建筑行業(yè)的應(yīng)用主要是對高層建筑外表面的瓷磚、玻璃進行清洗。在造船業(yè)中的應(yīng)用主要是在大型的船舶表面進行噴漆和除銹等作業(yè)。在消防部門的應(yīng)用主要是傳送救援的物資等。在偵查活動中主要用于軍事的反恐，能夠嵌入到敵人的內(nèi)部進行環(huán)境的監(jiān)測。

二、磁吸附爬壁控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自從日本第一個爬壁機器人誕生以來，爬壁機器人便獲得了良好的發(fā)展前景。之后在一些發(fā)達國家相繼被研究。我國爬壁機器人的研制是從20世紀80年代開始的，國內(nèi)的許多高等院校和研究結(jié)構(gòu)開始投入對爬壁機器人的研究，并且出現(xiàn)了多種型號的爬壁機器人，有些在一些生產(chǎn)行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。

（一）國外研究綜述

爬壁機器人主要分為真空吸附和磁吸附兩種方式，其中我國對真空吸附爬壁機器人的研究比較多，但缺少對磁吸附爬壁機器人的研究，并且與日本等發(fā)達國家相比明顯落后。日本在掌握了真空吸附技術(shù)的前提下，研制出一種真空吸附爬壁機器人（VACS），并且在生產(chǎn)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。該類型的機器人主要采用履帶式的移動方式，在履帶上安裝了多個的吸盤室。在真空吸附爬壁機器人研制成功之前，日本的公司還研制出一臺Wall Cleaner的真空吸附移動機器人，主要用于核電站中。日本國際機器人公司成功研制出一臺能夠清洗窗戶的爬壁機器人——“真空勇士”，該機器人主要采用的也是真空吸附的方式，采用腳式移動方式。（如圖1所示）

日本的石川島播磨重工業(yè)公司研制的磁吸附爬壁機器人，采用磁吸附和輪式——四輪行走的移動方式，主要包含兩個永磁盤式輪和吸附結(jié)構(gòu)，在運行時最大的速度為每分鐘達到10厘米，負載能夠最大可以達到25千克。Hagen Schempfi等研制出的爬壁機器人主要采用履帶式的移動方式，采用無線遙控以及PID進行控制。在機器人的控制系統(tǒng)中主要設(shè)定了機器人的移動軌跡，并且具有簡單的人機操作界面，能夠?qū)C器人自身的工作狀態(tài)和情況顯示出來，這樣能夠更加方便對機器人的運動進行合理的規(guī)劃和控制。

（二）國內(nèi)研究綜述

我國對爬壁機器人的研究開始于20世紀80年代，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)當(dāng)中，發(fā)揮了重要的作用和價值。國內(nèi)爬壁機器人主要應(yīng)用于油罐的檢測以及船舶的噴漆和除銹等，替代人的高空作業(yè)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所自1988年以來研制出多種類型的爬壁機器人，吸附方式多種多樣。BF-I型爬壁機器人主要用于清理工作中，檢測核廢液儲罐罐壁厚的情況，主要的吸附方式為負壓吸附，控制系統(tǒng)采用遙控，能夠在儲罐壁上自由移動，檢查油罐的焊縫以及壁厚情況。該機器人還配備了許多的功能設(shè)備，如照明系統(tǒng)和清掃系統(tǒng)等，能夠?qū)C器人的運行狀態(tài)進行檢查，完成清理工作。CLR-I型爬壁機器人采用的是負壓吸附方式，由遙控和OLC進行控制操作。CLR-II型爬壁機器人是專門為了清理高層建筑外觀玻璃而設(shè)計的，采用負壓吸附和兩輪移動，采用計算機、電力載波通信以及遙控盒作為控制系統(tǒng)的重要組成部分，并且配備了噴霧、擦洗等裝置，提高工作的效率。1995年研制出我國第一臺磁吸附履帶式爬壁機器人，主要用于噴漆和防腐，如圖2所示。

該類型機器人采用雙履帶以及永磁吸附和遙控控制方式相結(jié)合，能夠在重金屬的罐壁上移動，依靠雙履帶的正反移動進行轉(zhuǎn)彎，主要的任務(wù)是在重金屬罐壁上進行噴漆、清理和除銹等。哈爾濱大學(xué)還研制出一種水冷壁清掃和檢查的爬壁機器人，該機器人主要采用雙履帶式和永磁吸附方式相結(jié)合，控制系統(tǒng)采用PLC和有線遙控組成，運行中主要對管壁進行清理和除渣，超聲探頭還能夠測量管壁的厚度。

清華大學(xué)實驗室研制出一種爬壁機器人主要用于對油罐的自動檢測，采用遙控控制系統(tǒng)，永磁吸附方式，工控機加上兩層的運動控制，能夠在油罐壁上自由的移動，對油罐壁進行清理和除銹。上海交通大學(xué)研制出爬壁機器人能夠檢測油罐的容積狀況，該機器人根據(jù)油罐的性質(zhì)采用履帶式移動方式，主要是油罐的內(nèi)壁上有一層油膜，且具有凸起的焊縫，采用永磁吸附的方式具有較高的吸附能力。該機器人能夠檢測到油罐的容積，在罐壁上自由行走。

三、爬壁機器人發(fā)展趨勢

隨著科技發(fā)展進步，爬壁機器人呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢。從吸附的方式上來看，目前主要有磁吸附和真空吸附。但英美等發(fā)達國家在研究壁虎爬行原理的基礎(chǔ)上研究出一種壁虎腳趾的仿生物質(zhì)，這樣爬壁機器人的吸附方式就不會受限。從移動的方式上看，目前主要廣泛應(yīng)用的有履帶式和輪式，在未來的發(fā)展中將會大力研發(fā)足式移動方式，該方式與壁面的接觸面積較小，且支撐點較多，如果能夠深入的研究，足式移動方式將會獲得良好的發(fā)展前景。從控制系統(tǒng)上看，呈現(xiàn)出小型化和微型化的發(fā)展趨勢。無纜化將會成為爬壁機器人未來的主要發(fā)展方向之一，無纜化能夠?qū)崿F(xiàn)對爬壁機器人的靈活控制，接受的裝置也有更大的選擇余地。

結(jié)語：爬壁機器人作為科技進步和發(fā)展的重要研究成果之一，在國內(nèi)外都得到過不同的研究和應(yīng)用，并且隨著科技的不斷發(fā)展，爬壁機器人的控制系統(tǒng)將會更加的完善，也會更加程度上將人類從繁重的勞動中解放出來。

參考文獻：

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