爬壁機器人發(fā)展現(xiàn)狀與關鍵技術研究綜述

姜澤，王珉，趙哲，李藝超，許允斗,c

爬壁機器人發(fā)展現(xiàn)狀與關鍵技術研究綜述

姜澤a，王珉b，趙哲a，李藝超a，許允斗a,c

（燕山大學 a.河北省并聯(lián)機器人與機電系統(tǒng)實驗室 b.燕山大學圖書館 c.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室，河北 秦皇島 066004）

隨著爬壁機器人技術的發(fā)展，為解決其產(chǎn)品應用化問題，對爬壁機器人的研究進展進行梳理、分析和歸納，討論未來的發(fā)展方向，為設計應用于高危環(huán)境和特殊場景的爬壁機器人提供思路和參考。將爬壁機器人按移動方式分為履帶式、輪式、足式及混合式，通過文獻研究法對不同移動方式的爬壁機器人進行綜述；將真空吸附、磁吸附、推力吸附等不同吸附方式的爬壁機器人進行對比，介紹了爬壁機器人自適應技術的研究現(xiàn)狀及存在問題；總結(jié)并分析了爬壁機器人在工業(yè)、軍事等領域的發(fā)展趨勢?？偨Y(jié)了不同移動方式的爬壁機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了爬壁機器人不同吸附方式的優(yōu)缺點，歸納預測了爬壁機器人的發(fā)展方向。

爬壁機器人；移動方式；吸附方式；自適應性

隨著機構學、人工智能等技術的快速發(fā)展及人們對高危環(huán)境中工作安全意識的提高，利用機器人代替人力完成高危工作已經(jīng)成為一種普遍趨勢[1-4]。爬壁機器人是工業(yè)移動式機器人及特種機器人研究的分支，其因具備有效的壁面吸附與移動特性，可通過搭載偵查、檢測、維修等設備，完成高空立面作業(yè)任務，在軍事、船舶、風電等領域有著廣闊的應用前景[5-8]。

在2015年《中國制造2025》計劃頒布后，我國工業(yè)機器人進入迅速發(fā)展時期，許多研究部門重點投入了爬壁機器人領域的研究，在基礎理論知識、結(jié)構的優(yōu)化設計、機構協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)等方面進行了有益探索，深度融合傳感器等技術，實現(xiàn)爬壁機器人智能化，代替人工高效率作業(yè)。

本文結(jié)合近年來爬壁機器人領域的研究成果，總結(jié)分析不同類型機器人的研究現(xiàn)狀，探討其關鍵技術及發(fā)展方向，為未來爬壁機器人的工程化設計提供有效的借鑒與參考。

1 爬壁機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

爬壁機器人主要由吸附裝置、移動機構和驅(qū)動裝置三部分組成，按移動方式的不同可分為履帶式、輪式、足式及混合式爬壁機器人。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

1.1.1 履帶式爬壁機器人

卡內(nèi)基梅隆大學的Menon等[9]研制了履帶式機器人Tankbot，如圖1a所示，該機器人履帶由黏性材料制成，黏附面積較大，因此負載能力較大，但轉(zhuǎn)彎不穩(wěn)定?？▋?nèi)基梅隆大學的Unver等[10]研發(fā)的爬壁機器人在機器人底部鋪設了大量多孔薄膜，如圖1b所示，將薄膜內(nèi)部采用抽真空的方式造成真空負壓以吸附在壁面上，該機器人的質(zhì)量較小，但其工作環(huán)境較為苛刻，必須為光滑壁面。美國斯坦福大學設計了一款多體永磁履帶爬壁機器人，如圖1c所示，它依靠柔性關節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)兩個垂直壁面拐角處的過渡[11]。2018年法國南特中央科學實驗室的Olivier[12]針對船體焊接任務，研制了履帶式永磁爬壁機器人，如圖1d所示，該機器人能夠攜帶包括自身質(zhì)量在內(nèi)的100 kg的有效載荷，可以完成焊接、船體表面信息掃描等工作。Fukui等[13]設計了一款可在屋頂快速移動的爬壁機器人HanGrawler，如圖1e所示，該機器人借助履帶上的特殊裝置可承載60 kg在壁面上以0.1m/s的速度直線行駛，以8.5°/s的旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)彎。

1.1.2 輪式爬壁機器人

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學的Fischer等[14]針對船舶檢測提出了“母子”爬壁機器人，如圖2a所示?！澳浮睓C器人在厚金屬板處移動，其質(zhì)量不影響環(huán)境結(jié)構的穩(wěn)定性，故“母”機器人可建造得足夠大，以輕松越過障礙?！白印睓C器人只能水平移動，工作時“母”機器人背著“子”機器人跨越焊縫等障礙物，當運動到焊接處時，“子”機器人便可以水平移動進行探測。澳大利亞的La等[15]研發(fā)了對鋼結(jié)構和橋梁進行視覺和3D結(jié)構檢查的四輪磁吸附爬壁機器人，如圖2b所示，該機器人可以在導磁表面自由移動，通過攜帶傳感器進行數(shù)據(jù)收集，并實時發(fā)送到地面站進行監(jiān)控和進一步處理。英國倫敦南岸大學的Gabriela等[16]設計了一種永磁吸附爬壁機器人SIRCAUR，如圖2c所示，該機器人通過輪驅(qū)動來探測混凝土結(jié)構中鋼筋和空隙的存在、位置和深度。機器人由輕型材料鋁合金、碳纖維搭建而成，故其質(zhì)量較小，但能夠搭載7.6 kg的重物。葡萄牙加州大學國際研究中心使用一種彈性體和ABS塑料組成了柔性被動底盤，如圖2d所示，機器人能夠在不需要驅(qū)動的情況下適應曲面，同時車輪使用全向輪，以最小自由度提供360°全向運動，運動更加靈活[17-18]。俄羅斯莫斯科理工大學的Nunuparov等[19]研制了一款借助離心泵以空氣動力吸附在壁面上的輪式爬壁機器人，如圖2e所示，該機器人可以自適應任意定向壁面。

圖1 國外履帶式爬壁機器人

圖2 國外輪式爬壁機器人

1.1.3 足式爬壁機器人

美國密歇根州立大學在2000—2004年研制了兩種雙足真空吸附的小型爬壁機器人[20]。圖3a所示的機器人由5個運動關節(jié)組成，即1個移動關節(jié)和4個轉(zhuǎn)動關節(jié)。圖3b所示的機器人只有4個轉(zhuǎn)動關節(jié)，兩個機器人均為欠驅(qū)動系統(tǒng)，降低了自身的質(zhì)量并節(jié)約了能耗。韓國成均館大學的Kim等[21]研發(fā)了一種四足式爬壁機器人，如圖3c所示，該機器人由兩組相互對稱的腿和一個軀干組成，每條腿均由三個主動關節(jié)和一個被動關節(jié)組成，使機器人能夠很好地過渡兩個平面的凹處和凸處。日本的Inoue等[22]通過模擬人體攀巖壁面技術成功研發(fā)了六足爬壁機器人Asterisk Robot，如圖3d所示，它依靠前臂分支的擺動和后足分支的伸縮實現(xiàn)吊掛功能，六條分支的協(xié)調(diào)動作能實現(xiàn)多維度爬行。以色列本古里安大學研究團隊設計了一款四足機器人CLIBO[23]，如圖3e所示，該機器人每條腿分支由2個4自由度的連桿組成，足端有魚鉤狀的鉤刺，每個鉤刺互不影響，使其能在凹凸不平的粗糙壁面爬行。日本千葉工業(yè)大學同樣運用鉤爪吸附原理提出了一款六足爬壁機器人[24]，如圖3f所示，該機器人每條腿分支的足端有兩組微型鉤爪，使其可以吸附在混凝土墻面緩慢爬行。韓國蔚山國家科學技術研究所（UNIST）開發(fā)的四足機器人UNIclimb[25]，如圖3g所示，該機器人軀體與腿、腿與足端之間均安裝有伺服電機，機器人通過三角步態(tài)在工作表面上實現(xiàn)穩(wěn)定黏附運動，但其負載能力較弱且對吸附壁面要求較高。韓國漢陽大學與江南大學聯(lián)合研究了一種連桿式爬壁機器人[26]，如圖3h所示，該機器人通過四桿機構連接內(nèi)、外框架實現(xiàn)直線越障運動，借助兩個錐齒輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

1.1.4 混合式爬壁機器人

瑞士聯(lián)邦理工學院研究團隊研制了爬壁機器人TRIPILLAR[27]，如圖4a所示，該機器人采用鈍角三角形結(jié)構和磁吸附履帶結(jié)構相結(jié)合的行走機構，能夠攀爬鐵磁表面，且其具有兩個自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)平面到平面的過渡。內(nèi)基梅隆大學的Murphy等[28]通過輪式和足式混合式結(jié)構研制了一款類壁虎剛毛群吸附技術的爬壁機器人WaalBot，如圖4b所示。地中海島國塞浦路斯的COMBIJET公司[29]研制了一款輪履結(jié)合式船舶清洗機器人RJE-1000，如圖4c所示，機器人將永磁吸附裝置安放在驅(qū)動輪的中間位置，利用帶傳動運動，解決了永磁鐵吸附鐵屑殘渣的問題，但這樣使吸附裝置的可靠性有所降低。為保證工作人員的安全，避免遭受核輻射，韓國Kim等[30]提出了一種自主運動的輪履混合式爬壁機器人，如圖4d所示，該機器人采用了主動密封和真空抽吸技術，可以在干燥容器儲存系統(tǒng)等場所中進行無損檢測和輻射測量。

圖3 國外足式爬壁機器人

圖4 國外混合式爬壁機器人

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1.2.1 履帶式爬壁機器人

湖南大學和河北工業(yè)大學合作研發(fā)了一款改進的磁履帶爬壁機器人，該機器人可攜帶75 kg的有效載荷在曲率半徑為3 000 mm的圓柱形壁上移動[31]。此外，Wang等[32]研制了一種用于可變曲率立面的履帶式爬壁機器人，該機器人由兩個牽引模塊和一個連桿模塊組成，牽引模塊可以調(diào)整機器人姿態(tài)以適應曲率變化。中國石油大學為解決高層設施的故障檢測問題，提出了一種新型爬壁檢測機器人[33]，該機器人通過防傾覆機構增大了其抗傾覆能力，可攜帶10 kg的有效載荷越過10 mm的障礙。劉志輝等[34]為檢測三峽大壩流道的缺陷，設計了一種新型的滾動密封式爬壁機器人，該機器人具有耐磨性好、負載大、壁面適應性強的特點。國內(nèi)履帶式爬壁機器人，見圖5。

1.2.2 輪式爬壁機器人

上海交通大學為解決石化行業(yè)儲罐的維護和水電行業(yè)大型壓力管道的檢修問題，基于Halbach陣列設計了一種雙層磁路的爬壁機器人[35]，如圖6a所示，該機器人提高了磁能利用率和吸附的安全性。Zhang等[36]同樣針對石化儲罐維護問題提出了一種能適應不同曲率的新型爬壁機器人，如圖6b所示，該機器人可以在立面上安全穩(wěn)定地移動，并完成自動精確檢測。Jiang等[37]基于四連桿機構設計了一款能被動自適應不同曲率的爬壁機器人，如圖6c所示，該機器人可攜帶5.5 kg的有效載荷，順利通過8 mm的焊縫。浙江大學針對遠洋漁船外板除銹研發(fā)了一款輪式爬壁機器人[38]，如圖6d所示，該機器人使用永磁鐵吸附在船舶表面，通過充氣輪翻越焊縫實現(xiàn)除銹功能。

1.2.3 足式爬壁機器人

合肥智能機械研究所受到天牛爪子和壁虎的啟發(fā)[39-40]，提出了一種用于粗糙或光滑表面的四足爬壁機器人，如圖7a所示，該機器人可通過彎曲自身的軀體適應不同直徑的圓柱形壁面。此外，該團隊基于五連桿和齒輪傳動裝置，研發(fā)了一款新型的爬壁機器人，如圖7b所示。廣東工業(yè)大學研發(fā)團隊設計了一款雙足式爬壁機器人W-Climbot[41]，如圖7c所示，該機器人適用于框架立面結(jié)構，其具有良好的跨壁面和障礙物的能力。燕山大學的鞠忠金[42]設計了一種4SRRR足式爬壁機器人，如圖7d所示，有4個支腿，每條支腿具備6個自由度，同時每條支腿安裝有3塊電磁鐵，增大了與壁面的吸附面積，可在不同工作環(huán)境中穩(wěn)定行走。

1.2.4 混合式爬壁機器人

中國科學技術大學團隊結(jié)合棘輪與履帶研發(fā)了一款新型爬壁機器人，如圖8a所示，該機器人能在0～360°的工作表面爬行[43]。蘭州理工大學的黃華等[44]設計了一種基于行星履帶輪混合雙吸附的爬壁機器人，如圖8b所示，該爬壁機器人能夠在壁面上靈活移動、穩(wěn)定越障。鄭勇峰等[45]為解決爬壁機器人在大型變曲率金屬立面上的自適應問題并提高越障能力，提出了一種分體柔性輪足復合式爬壁機器人，如圖8c所示，該機器人通過調(diào)整運動姿態(tài)實現(xiàn)在變曲率立面上的穩(wěn)定運動，具有良好的變曲率自適應能力。

圖5 國內(nèi)履帶式爬壁機器人

圖6 國內(nèi)輪式爬壁機器人

圖7 國內(nèi)足式爬壁機器人

圖8 國內(nèi)混合式爬壁機器人

2 爬壁機器人關鍵技術分析

2.1 吸附技術

爬壁機器人能在立面上依靠吸附機構產(chǎn)生的作用力克服機器人所受重力，使其不產(chǎn)生下滑。目前，吸附方式主要有真空負壓吸附、磁吸附（永磁吸附和電磁吸附）、推力吸附等方式。

真空吸附式爬壁機器人[46-47]主要用于較為平整光滑的壁面，如高樓大廈的玻璃表面、外墻壁面，否則吸附接觸面時容易產(chǎn)生氣體泄漏，導致機器人發(fā)生墜落危險。推力吸附爬壁機器人主要依靠機器人背部的螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生反作用力使其吸附在壁面[48-50]，近年來研究人員通過同軸雙槳、多軸旋翼使機器人產(chǎn)生更大的吸附力甚至在地空多維度空間運動[51-52]。磁吸附爬壁機器人[36-37]多用于大型船舶、儲油罐等導磁材料壁面的除銹清潔、焊縫檢測任務，具有高負載和高移速的特點，但由于磁鐵自身材料特性，此類爬壁機器人只能用于導磁材料壁面，適應性較差。仿生爬壁機器人的吸附方式主要分為兩種，一是運用壁虎剛毛陣列原理制備黏附材料[53-54]，吸附在工作壁面；二是通過爪刺產(chǎn)生的機械力抓持吸附[39,55]，但驅(qū)動控制較為復雜。表1為常見的幾種吸附方式的優(yōu)缺點對比，由表1可知，這些吸附方式均有各自的局限性，爬壁機器人常常是針對某一特殊環(huán)境、某種特定任務而研制的，較難通用化。

2.2 自適應技術

爬壁機器人多采用一體式剛性機械結(jié)構，而實際工況中的大型立面更為復雜，曲率多變、障礙凸起等問題制約著爬壁機器人的推廣應用，對機器人的自適應性提出了更高的要求。

爬壁機器人自適應技術主要分為主動自適應和被動自適應。主動自適應多應用于多足式爬壁機器人[21,42]，多足式爬壁機器人通過增加分支腿的主動驅(qū)動數(shù)量來增大自由度，以提升工作壁面適應性，但這種主動自適應在提高自適應能力的同時，增加了爬壁機器人自身的質(zhì)量和控制難度。此外，部分研究人員通過多體式設計方法提升機器人的適應性[56-57]，即將兩個剛性機器人通過轉(zhuǎn)動副連接，使其與壁面形成空間約束關系，實現(xiàn)整體姿態(tài)調(diào)整，但該方法使機器人的結(jié)構體增多，機體變長，造成轉(zhuǎn)彎半徑增大，使機器人避障的靈活性降低，增大了運動規(guī)劃的難度。

被動自適應主要為兩種，一種是如文獻[37]提到的爬壁機器人，通過結(jié)構設計增加一定的變曲率立面的自適應性；另一種是將機器人的部分剛性結(jié)構替換為柔性材料[15]，柔性材料通過形變提升對變曲率立面的自適應性，雖然此種爬壁機器人的姿態(tài)更加靈活，但柔性材料形變不易控制，且負載能力低，無法滿足機器人的運動穩(wěn)定性和作業(yè)需求。

表1 吸附方式對比

Tab.1 Comparison of adsorption methods

3 爬壁機器人發(fā)展趨勢

結(jié)合上述研究現(xiàn)狀和吸附技術分析可知，爬壁機器人經(jīng)過幾十年的大力發(fā)展，雖然取得了一些科研成果，但大部分高校、機構的研究尚處于實驗室階段，并未應用到實際工程中，距離產(chǎn)業(yè)化還有很大的距離[58-60]。未來的爬壁機器人應著重朝實用化、工業(yè)化方向發(fā)展。

3.1 智能化

智能化是爬壁機器人研究的最終發(fā)展目標。目前，爬壁機器人仍需要人工遠程操控協(xié)助完成避障、路線規(guī)劃等功能。將機器視覺技術與人工智能技術應用于爬壁機器人是未來發(fā)展的目標，使爬壁機器人能夠根據(jù)不同的工作環(huán)境完成自主避障、自主路徑規(guī)劃等，且根據(jù)不同的任務需求自行采用不同的執(zhí)行機構或工具完成作業(yè)任務。

3.2 輕量化

輕量化是爬壁機器人的發(fā)展趨勢。目前工業(yè)爬壁機器人的體積和質(zhì)量均較大，不易搬運，并且在軍事等特殊領域需要更小、更輕、更隱蔽的機器人完成偵查等任務。因此，在能滿足功能的前提下，爬壁機器人需向輕量化、小型化發(fā)展，各種微型驅(qū)動元件、控制元件及新型材料為其奠定了基礎。

3.3 無纜化

爬壁機器人長時間作業(yè)需要通過電纜、管道為其吸附、運動、作業(yè)提供能源，但帶纜作業(yè)不僅增加了機器人的負重，還極大地限制了爬壁機器人的作業(yè)范圍與空間，無纜化成為爬壁機器人亟須解決的問題。

3.4 通用化（高適應性）

目前爬壁機器人多為某單一特殊環(huán)境而研發(fā)，如大型船舶、立式儲油罐、高樓外墻壁面等。由于吸附技術限制和行走機構適應性差等問題，機器人只能在某個或某幾個類似工況中完成作業(yè)。對于爬壁機器人，未來應不斷創(chuàng)新吸附技術，并在行走機構創(chuàng)新上發(fā)力，打破壁壘，使爬壁機器人的制作成本更低、應用更加廣泛。

3.5 仿生化

自然界的攀爬生物經(jīng)過千百萬年的進化，其肢體可以完美地適應多種野外復雜環(huán)境，因此，可以借鑒壁虎、蜥蜴、天牛等肢體結(jié)構特點，對爬壁機器人機體進一步優(yōu)化，使其更好地適應復雜的立面環(huán)境。

4 結(jié)語

經(jīng)過多年的發(fā)展，爬壁機器人領域取得了相當豐碩的研究成果，但只有極少的爬壁機器人在某些領域得到了實際應用，隨著新技術的發(fā)展和需求的增加，對爬壁機器人的設計也提出了更新、更高的要求。本文從爬壁機器人的移動方式角度出發(fā)，進行了分類與綜述，并對幾種常見的爬壁機器人吸附方式的優(yōu)缺點進行了分析對比。最后提出，爬壁機器人的研究將朝著智能化、輕量化、無纜化及通用化方向發(fā)展，未來將在船舶、風電、石油化工、偵查救災等領域大展身手。

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Review on Development Status and Key Technologies of Wall-climbing Robots

JIANG Zea, WANG Minb, ZHAO Zhea, LI Yi-chaoa, XU Yun-doua,c

(a.Parallel Robot and Mechatronic System Laboratory of Hebei Province, b.Yanshan University Library, c.Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science, Ministry of Education of China, Yanshan University, Hebei Qinhuangdao 066004, China)

The work aims to sort out, analyze and summarize the research progress of wall-climbing robots in order to solve the practical application problems of products with the development of wall-climbing robot technology and discuss the future development directions to provide ideas and references for designing wall-climbing robots used in high-risk environments and special scenarios. Firstly, wall-climbing robots were divided into crawler, wheeled, legged, and hybrid wall-climbing robots according to movement modes. The wall-climbing robots with different movement modes were reviewed by literature research method. Secondly, the wall-climbing robots with different adsorption methods such as vacuum, magnetic, and thrust adsorption were compared. The research status and existing problems of adaptive technology of wall-climbing robots were introduced. Finally, the development trend of wall-climbing robots in industrial and military fields was summarized and analyzed. The research status of wall-climbing robots with different movement modes in China and abroad is summarized, the advantages and disadvantages of wall-climbing robots with different adsorption methods are analyzed, and the development directions of wall-climbing robots are summarized and predicted.

wall-climbing robot; movement method; adsorption method; adaptivity

TB472

A

1001-3563(2023)12-0029-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.12.003

2023–02–09

國家自然科學基金（51875495）；河北省教育廳在讀研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)資助項目（CXZZBS2023059）

姜澤（1994—），男，博士生，主要研究方向為爬壁機器人裝備及智能化系統(tǒng)設計。

許允斗（1985—），男，博士，教授，主要研究方向為并聯(lián)機器人、可展機構、特種機器人技術。

責任編輯：馬夢遙