國內(nèi)外高空作業(yè)機(jī)器人的研究綜述

房欣欣

（廣東碧品居建筑工業(yè)化有限公司，廣東 佛山528000）

近年來，高層建筑物越來越多，隨之也產(chǎn)生了諸如幕墻清洗、外墻噴涂、外墻保溫等的一系列高空作業(yè)。高空作業(yè)即指工人借助于吊籃、吊繩、腳手架等在超過兩米的高處進(jìn)行作業(yè)。高空作業(yè)危險性較高，傷亡事故很難避免，且對工人的身體、心理素質(zhì)都要求較高。且由于工人在高空中處于欠約束狀態(tài)，作業(yè)的效率、質(zhì)量很難保證。因而高空作業(yè)機(jī)器人有著較為廣闊的應(yīng)用市場，其大力推廣將成為必然。

高空作業(yè)機(jī)器人根據(jù)其工作方式主要分為四種：懸架吊籃式、爬壁式、并聯(lián)柔索式及復(fù)合式。懸架吊籃式高空作業(yè)機(jī)器人是由現(xiàn)在建筑工地上常用的人工吊籃發(fā)展而來的，它主要由屋面懸架和空中吊籃兩大部分組成，二者通過鋼絲繩相連，吊籃的升降運動借助懸架上卷軸器的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)，吊籃的水平運動借助于懸架的橫向行走實現(xiàn)。由于吊籃內(nèi)空間較大，因而此類機(jī)器人一般用于承載量較大的場合。吊籃在作業(yè)時只受到鋼絲繩和壁面的約束作用，極易在氣流、核心末端作業(yè)裝置運動、反沖等擾動的影響下，發(fā)生晃動，偏離穩(wěn)定狀態(tài)，因而如何提高作業(yè)穩(wěn)定性是此類高空作業(yè)機(jī)器人的研究難點。提高作業(yè)穩(wěn)定性的方法有多種，如安裝螺旋槳增大推力、增加質(zhì)量塊平衡執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動慣性、柔性吸附壁面等。爬壁式高空作業(yè)機(jī)器人沒有鋼絲繩牽引，借助于磁、負(fù)壓、推力、仿生等吸附方式在壁面上自行運動，此類機(jī)器人一般結(jié)構(gòu)緊湊，承載量較小，運動較為靈活。2007年，哈工大學(xué)成功研發(fā)了一款反恐偵察爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人采用單吸盤負(fù)壓吸附方式，機(jī)器人總重8 kg，行進(jìn)速度10 m/min，可在多種相對光滑的壁面上運動。并聯(lián)柔索式高空作業(yè)機(jī)器人的四個點上各捆綁了一條柔鎖，通過改變各條柔索的長度即可使機(jī)器人沿壁面的各個方向運動，此類機(jī)器人運動速度快、精度高，但控制較為復(fù)雜。復(fù)合式即采用了上述任意兩種方式的高空作業(yè)機(jī)器人。

吸附方式、行走方式、越障方式是高空作業(yè)機(jī)器人最重要的三個研究方向。三者決定了機(jī)器人可以在何種壁面上工作，工作的可靠性以及最大承載力等。

目前，常用的吸附方式主要有磁吸附、負(fù)壓吸附、推力吸附、仿生吸附四種。磁吸附要求壁面材質(zhì)必須為導(dǎo)磁面，可采用永磁鐵或電磁鐵產(chǎn)生磁力。磁吸附式高空作業(yè)機(jī)器人現(xiàn)已在船舶、油罐的除銹、檢測等方面有了一定的應(yīng)用。負(fù)壓吸附通常采用真空泵或離心風(fēng)機(jī)配合吸盤實現(xiàn)，此種方式可擺脫對壁面材質(zhì)的要求，但其對壁面的平整度、清潔度、干燥度要求較高，壁面凹凸不平或者灰塵較多或者有水都會導(dǎo)致吸盤可靠性降低，且吸盤存在漏氣風(fēng)險。現(xiàn)國內(nèi)已有多家公司研發(fā)了負(fù)壓吸附式幕墻清潔機(jī)器人，使用效果較佳。常見的推力吸附實現(xiàn)方式為在機(jī)器人背部對稱布置若干個螺旋槳，根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系，螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)會使周圍氣流對機(jī)器人產(chǎn)生較大的推力，此原理同飛機(jī)上升方式。除了螺旋槳，還可以采用涵道風(fēng)機(jī)為機(jī)器人提供推力。如需較大推力，則需選用功率較大的電機(jī)來驅(qū)動螺旋槳或涵道風(fēng)機(jī)，且工作噪聲較大。仿生吸附是目前較為熱門的一個研究方向。壁虎腳上長著數(shù)以百萬計的細(xì)長剛毛，這些剛毛與壁面分子間累積的范德華力使壁虎對各種壁面有著超強(qiáng)的黏附力。實驗證明壁虎足對平整木板和玻璃的切向黏附力可達(dá)7～10 N/cm2。當(dāng)剛毛與壁面成30°角時，二者會突然發(fā)生脫離。目前應(yīng)用仿生吸附方式的高空作業(yè)機(jī)器人尚處于實驗室階段。

高空作業(yè)機(jī)器人的行走方式可分為履帶式、足式、輪式三種。對于履帶式高空作業(yè)機(jī)器人，可以將吸附組件安裝于履帶上，因此它的最大優(yōu)點是與壁面的接觸面積較大，對壁面的吸附力更大，但其越障較困難。輪式運動速度快，轉(zhuǎn)彎靈活，但其越障較困難。足式越障能力強(qiáng)，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。因此現(xiàn)在出現(xiàn)了輪足復(fù)合式高空作業(yè)機(jī)器人，兼顧了運動靈活和越障能力強(qiáng)的優(yōu)點。

通常，建筑物壁面上會有裝飾臺階、遮雨檐等凸出物，這就要求高空作業(yè)機(jī)器人必須具備越障能力。要實現(xiàn)越障，首先要識別障礙，通常借助于機(jī)器視覺或者BIM（Building Information Modeling）技術(shù)來實現(xiàn)。在機(jī)器人身上安裝工業(yè)相機(jī)，通過拍照、圖像處理，識別運動路徑中的障礙物，并根據(jù)預(yù)先編寫好的程序行進(jìn)越障。BIM即建筑信息模型，它借助計算機(jī)技術(shù)建立了包含整個建筑物完整數(shù)據(jù)信息的3D參數(shù)化模型，可以在位置信息服務(wù)領(lǐng)域為機(jī)器人的室內(nèi)室外導(dǎo)航提供數(shù)據(jù)支持。首先，機(jī)器人向服務(wù)器發(fā)送請求，請求內(nèi)容包含待作業(yè)建筑物的標(biāo)號及所需提供的具體參數(shù)，針對高空作業(yè)機(jī)器人所請求的具體參數(shù)即指壁面障礙物位置、尺寸。然后服務(wù)器生成待作業(yè)建筑物的BIM模型，并將此模型參數(shù)化，根據(jù)機(jī)器人要求提取相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建壁面地圖。然后服務(wù)器根據(jù)構(gòu)建好的地圖和作業(yè)起始點，對機(jī)器人進(jìn)行壁面路徑規(guī)劃。待服務(wù)器將規(guī)劃好的路徑正式下發(fā)后，機(jī)器人開始正式工作。越障主要分為跨越越障和蠕動越障兩種?？缭皆秸项愃朴谌丝玳T檻，最常見的是交錯足結(jié)構(gòu)，即機(jī)器人有前后對稱的一對或多對足，在作業(yè)過程中總有半數(shù)足在壁面上。當(dāng)遇到障礙時，前足直接跨過去，跨過去的過程是先后退遠(yuǎn)離壁面，然后沿行進(jìn)方向伸長，最后靠近壁面。蠕動越障類似于軟體動物爬行，最常見的是多節(jié)式結(jié)構(gòu)，即機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)有多節(jié)構(gòu)成，相鄰兩節(jié)之間可相對轉(zhuǎn)動。當(dāng)遇到障礙時，機(jī)器人一節(jié)一節(jié)地沿著障礙物的輪廓爬行。

高空作業(yè)機(jī)器人想要得到快速發(fā)展，安全性、可靠性、智能化是要解決的重要問題。安全性是指其高空掉落的風(fēng)險性大小、高空掉落的應(yīng)急方案。對于有柔索牽引的高空作業(yè)機(jī)器人，柔索存在斷裂或忽升忽降的風(fēng)險；對于沒有柔索牽引的高空作業(yè)機(jī)器人，它是依靠各種吸附方式貼在壁面上的，而吸附方式存在失效的風(fēng)險?？赏ㄟ^配置安全繩、多層吸附裝置等方式避免高空掉落事故的發(fā)生。可靠性是指其對不同壁面以及各種惡劣作業(yè)環(huán)境，如大風(fēng)、大雨的適應(yīng)性。在不同壁面、不同作業(yè)環(huán)境中，機(jī)器人的作業(yè)效率、作業(yè)質(zhì)量都需要滿足要求，并且能夠?qū)r進(jìn)行判斷，在惡劣工況下，應(yīng)能立即停止工作，返回安全位置。智能化是指其能根據(jù)指令自主規(guī)劃最優(yōu)作業(yè)路徑，順利通過壁面障礙物，無須人工干預(yù)。智能化是高空作業(yè)機(jī)器人普及的重要條件，它對機(jī)器人的導(dǎo)航定位控制算法有著很高的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高空作業(yè)機(jī)器人必將取代“蜘蛛人”，這將是人類歷史上又一重大進(jìn)步。