壁面爬行機器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

李宗興，袁安康，張學武，劉 軒，賀靜思，舒政捷

（石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003）

目前世界各國的制造業(yè)正向著智能制造的方向轉(zhuǎn)型，“中國制造2025”“德國工業(yè)4.0”等發(fā)展戰(zhàn)略對智能機器人的未來發(fā)展提出了新的要求[1]。作為機器人領(lǐng)域的重要分支，壁面爬行機器人結(jié)合了地面機器人移動技術(shù)與壁面吸附技術(shù)，使機器人在垂直壁面上貼附、移動的同時能夠完成作業(yè)任務[2]。在建筑業(yè)、船舶制造、航空航天等多方面壁面機器人都得到了廣泛的應用，如對高樓玻璃幕墻進行清洗、對船舶壁面進行探傷，對飛機蒙皮進行檢測等，取得了巨大的經(jīng)濟與社會效益。

1 壁面爬行機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自1966年日本研發(fā)了第一代壁面爬行機器人起，壁面爬行機器人便成為了機器人領(lǐng)域的一個研究熱點。此后，美國、葡萄牙、加拿大等發(fā)達國家也都相繼研發(fā)了多種壁面爬行機器人；我國的壁面爬行機器人研究相比國外起步較晚，存在一定差距，自20世紀80年代以來，國內(nèi)諸多科研院所與高校研制出了多種壁面爬行機器人，在壁面爬行機器人領(lǐng)域取得了巨大的進步。

1.1 壁面爬行機器人國外研究現(xiàn)狀

日本的A.NISHI于1966年成功研制出了世界上第一臺負壓式垂直壁面爬行機器人，通過電風扇產(chǎn)生的吸附動力使機器人成功貼附在壁面上。1975年又研制了更為實用的單吸盤壁面爬行機器人，有效地增強了吸附力及爬壁的可靠性，同時推動了多吸盤壁面爬行機器人的研究[2]。

波音公司在1989年推出了一種履帶式壁面爬行機器人（圖1），該機器人設計了嚴密的氣動回路。利用真空吸附原理，履帶移動時將帶動若干個真空吸附室移動，并通過氣動回路使真空吸附室與壁面間形成真空，從而履帶貼緊地面，實現(xiàn)對壁面的吸附，使機器人具備較好的吸附穩(wěn)定性和較強的負載能力，但是結(jié)構(gòu)較為復雜。

圖1 履帶式壁面爬行機器人

三菱重工2002年提出了一種輪式壁面爬行機器人，該機器人采用磁吸附的方式實現(xiàn)對大型導磁體壁面的吸附，并可對壁面進行檢修、清潔和粉刷等工作[3]。葡萄牙科英布拉大學Mahmoud Tavakoli等研制的三輪永磁吸附壁面爬行機器人（圖2），其磁輪上存在多個小磁鐵，可實現(xiàn)對不同曲率導磁體壁面的自適應，具有較好的機動性[4]。

圖2 葡萄牙Omni Climbers

加拿大西蒙弗雷澤大學的Menon，C等于2008年研發(fā)的仿蜘蛛型太空攀爬機器人Abigaille-I，采用仿生結(jié)構(gòu)設計，用光刻的方式在PDMS基底刻劃粘附陣列，并在行走時提供必要的預緊力便可實現(xiàn)在60°壁面上的穩(wěn)定粘附與移動。斯坦福大學的Mark Cutkoky研制的仿壁虎壁面爬行機器人Sticky BotⅢ，采用干性黏附材料制作腳掌，模擬了壁虎腳趾結(jié)構(gòu)并且具備微型仿生剛毛，可通過范德華力的作用實現(xiàn)對玻璃、光滑瓷磚等豎直的光滑壁面的吸附，同時舵機驅(qū)動機器人四肢使機器人在壁面上移動[4]。

1.2 壁面爬行機器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國壁面爬行機器人的研究始于20世紀80年代，在“863”計劃的支持下，哈爾濱工業(yè)大學率先研發(fā)出我國第一臺垂直壁面爬行機器人，之后又相繼研制了CLR-I、CLR-II型的壁面清潔機器人。前者采用了全方位移動機構(gòu)，可實現(xiàn)機器人的原地轉(zhuǎn)向；后者將單吸盤吸附與車輪運動組合，同時協(xié)調(diào)兩車輪的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)機器人的全方位移動，具有良好的吸附穩(wěn)定性[2]。

北京航空航天大學研制了一種多足式壁面清洗機器人（圖3），該機器人主要由移動平臺、清洗裝置和地面控制平臺組成，通過控制平臺對機器人進行遠程遙控，利用多足式吸盤機構(gòu)實現(xiàn)壁面上的吸附與移動，自動化程度較高，避障能力強，但移動緩慢[5]。

圖3 多足式壁面清洗機器人

南京航空航天大學的陳磊等研制了一種負壓式飛機蒙皮檢測機器人，壁面爬行機器人在變曲率壁面上的自適應控制進行了研究。通過對機器人曲面姿態(tài)控制器、吸盤組吸附力控制系統(tǒng)、機器人外部輔助定位模塊及聲源定位系統(tǒng)的設計及機器人的曲面步態(tài)分析，實現(xiàn)對飛機蒙皮的無損探傷[6]。

大連海事大學衣正堯等研制了一種永磁真空混合吸附式壁面除銹機器人（圖4），該機器人通過履帶上的永磁體實現(xiàn)對船舶壁面的吸附，并可根據(jù)爬壁高度的變化實現(xiàn)對負載管路質(zhì)量及重心的自動調(diào)節(jié)。在垂直壁面工作時，該機器人的爬壁高度不低于30 m，穩(wěn)定性較好[7]。

圖4 船舶壁面除銹機器人

西安理工大學劉彥偉等人基于毛蟲腹足對抓機理研制了一種爪刺對抓式壁面爬行機器人，通過凸輪、滾輪的配合驅(qū)動爪刺對垂直壁面進行連續(xù)的抓附、脫附，且由于抓附和脫附動作均在平行于壁面的狀態(tài)下執(zhí)行，抓附穩(wěn)定且易于脫附[8]。

2 壁面爬行機器人的技術(shù)現(xiàn)狀

目前壁面爬行機器人為適應特定工作環(huán)境、完成攀爬作業(yè)任務，主要進行以下研究內(nèi)容。

2.1 吸附方式

壁面爬行的前提要求機器人與工作表面有良好的吸附性能，能夠穩(wěn)定地保持在壁面上。目前，真空吸附、磁吸附、仿生吸附等吸附技術(shù)是壁面爬行機器人的主要研究方向。真空吸附主要適用于光滑大平壁，吸附能力較強，但吸盤氣密性要求較高；磁吸附則需要保證相對運動表面為鐵磁性材料，更能適應所需吸附力較大的壁面，包括永磁吸附和電磁吸附；仿生吸附承載能力一般，但對于體積較小的爬行裝置具有很好的應用前景，且仿生學理論的應用是現(xiàn)階段壁面爬行機器人吸附方式的熱門研究領(lǐng)域[9]。綜上所述，目前正在研究的吸附方式都有自身的亮點和局限，針對不同的工作環(huán)境和需求采用合適的吸附方式完成特定任務。

2.2 移動方式

現(xiàn)階段，壁面爬行機器人主要以履帶式、足式和輪式等移動方式開展壁面爬行的研究。履帶式運動的突出優(yōu)勢是具有較強的越障性能，可適應凹凸不平的壁面，但自身重量較大、工作效率低；足式運動能夠滿足各種地形條件，但行進速度緩慢且易側(cè)翻；輪式運動的移動效率較高，更容易實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、前進和后退，但其越障和地形適應能力較差。

2.3 吸附裝置與移動裝置的復合

目前壁面爬行機器人吸附裝置與移動裝置的突出問題常表現(xiàn)為兩者易發(fā)生工作復合，較大的吸附力是該機器人能夠在壁面爬行的前提，而移動又要突破吸附力，故壁面爬行機器人在吸附穩(wěn)定性與運動靈活性之間存在矛盾。因此在設計過程中需要根據(jù)工作環(huán)境及任務考慮吸附裝置與移動裝置的適用范圍，選擇合適的吸附方式與移動方式進行組合設計。

3 壁面爬行機器人的發(fā)展趨勢

近年來，城市中的高層建筑層出不窮，因此需要大量人工來進行墻壁的粉刷、噴涂和清潔等高空危險作業(yè)。壁面爬行機器人作為高空極限作業(yè)的自動化機械裝置，能夠代替人工完成高強度高危險性作業(yè)，因此隨著科技創(chuàng)新的發(fā)展，對于壁面爬行機器人的研究將更為深入，朝著更為實用化的方向發(fā)展。壁面爬行機器人的發(fā)展趨勢可總結(jié)為以下幾個方面。

3.1 吸附與爬行的相互適應性

壁面爬行機器人的工作面與地面成一定角度，這要求該機器人具有較大吸附力的同時能夠爬行自如。目前壁面爬行機器人的吸附機構(gòu)與移動機構(gòu)之間多存在耦合情況，如多足式爬壁機器人，其腿部串并聯(lián)的設計和足部的吸盤設計是關(guān)鍵，工作時需要完成“穩(wěn)定吸附-抬起腿部-邁開腿部-落下腿部-穩(wěn)定吸附”一系列步驟。而現(xiàn)有吸附方式與移動方式在試驗階段存在矛盾，穩(wěn)定吸附的同時難以移動，靈活移動的同時難以吸附，因此在今后的研究過程中要保證壁面爬行機器人的吸附機構(gòu)與移動機構(gòu)相互協(xié)調(diào)適應。

3.2 單一功能向多功能化過渡

現(xiàn)有的壁面爬行機器人多進行清潔、檢測、除銹等作業(yè)，多完成單一工序，需要多種壁面爬行機器人完成一套任務。未來將以壁面爬行機器人為載體向著多功能化、作業(yè)模塊集成化方向發(fā)展，在提高工作效率的同時大大提高壁面爬行機器人的有效利用率。

3.3 帶纜作業(yè)向無纜作業(yè)發(fā)展

當壁面爬行機器人進行大型作業(yè)時，為保證長時間連續(xù)工作，需要外界為機器人帶纜作業(yè)提供吸附與爬行所需的能量。但在工作過程中易造成線纜纏繞、纜繩過度磨損等問題，因此為減輕壁面爬行機器人負重和降低作業(yè)風險，無纜作業(yè)是壁面爬行機器人未來發(fā)展的必然趨勢。

3.4 輕量便攜一體化發(fā)展趨勢

在保證機器人結(jié)構(gòu)強度和安全性的前提下，最大程度地減低壁面爬行機器人的質(zhì)量，不僅能夠保證壁面爬行機器人吸附穩(wěn)定性，而且有利于降低運行阻力、節(jié)省制動所需能量。通過優(yōu)化機器人結(jié)構(gòu)設計、采用新型材料以使機器人變得輕量便攜。

3.5 三維空間表面無障礙攀爬

目前壁面爬行機器人的工作方式僅適用于特定平面，如真空吸附適用于光滑大平壁，磁吸附要求相對運動表面為鐵磁性材料等。由于工況條件復雜多樣，現(xiàn)有的吸附技術(shù)和爬行技術(shù)僅能適應特殊情況，可實施的作業(yè)條件有限，因此為應對各種工作環(huán)境，未來新型吸附和爬行關(guān)鍵技術(shù)是研究的重點。

3.6 智能化自動化精準化控制

利用人工智能、機器視覺和計算機網(wǎng)絡等技術(shù)，借助傳感器、控制算法等實現(xiàn)壁面爬行機器人環(huán)境認知、圖像處理、自主作業(yè)。通過集成多功能模塊，進行信息處理、分析判斷、操作控制以實現(xiàn)精準化工作，未來的壁面爬行機器人能根據(jù)復雜的工作環(huán)境和需求完成自主化任務。