文献综述 - 图文

摘要

随着社会的发展高层建筑越来越多，社会对爬壁机器人的需求也越来越大。现在爬壁机器人被广泛应用于军事、工业、民用等各个领域。爬壁机器人的功能强大，可以胜任各种检测，结构焊接，喷漆，除锈，壁面清洁等等。爬壁机器人的应用可以有效的减少工人的工作量，提高工作效率，降低人员伤亡，满足社会发展的要求。对爬壁机器人的研究是科学研究的一大趋势，国内外各大高校纷纷把对爬壁机器人的机械结构设计，动力学分析，空间定位，三维空间路径规划等研究方向作为重要课题进行研究。

关键字：爬壁机器人，发展趋势

Abstract

With the development of society and high-rose buildings’ built, climbing robots are needed for society's growing.Climbing robots are widely used in Military,Industrial,Civilian use and so on. Climbing robots are powerful and competent various works such as testing, structural welding, painting, rusting, wall cleaning, etc. Application of climbing robot can effectively reduce the workload of workers, improve efficiency, reduce casualties which meets the development of the society. Research on climbing robots for their mechanical design,dynamic analysis, space orientation and three - dimensional path planning is a main trend of scientific research and the college from all around the world pay a lot of attention to it.

Keywords:climbing robots;development trends

1爬壁机器人的研究现状

1.1爬壁机器人简介

壁面爬行机器人（简称爬壁机器人）是一种能够在壁面爬行作业的特殊机器人，它集机构学、传感技术、控制和信息技术等为一体，可以代替人进行危险作业。近几十年来，随着科技的不断进步爬壁机器人的研究已经取得了巨大进步，在各个行业中也得到了越来越广泛的使用[1-8]，如表1所示。

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表格 1 爬壁机器人的应用

核工业 石化工业 建筑行业 消防部门 造船行业

对核废液储罐进行设觉检查，测厚及焊缝探伤等 对大型储罐内外壁面进行检测，喷砂除锈，喷漆防腐等 喷涂巨型墙面，清洗瓷砖，玻璃壁面等 用于传递救援物资，进行救援工作等 用于喷涂船体或轮船内壁等 对电站锅炉水冷壁管壁厚度的测量等

电力行业

爬壁机器人要完成作业任务必须具备吸附功能、移动功能和作业功能。爬壁机器人的吸附方式分为磁吸附、负压吸附、正压吸附、仿生吸附、静电吸附；移动方式分为轮式、履带式和足式。下表2中解释分析了多种吸附方式的工作原理和特点及与之适合的移动方式。不同的吸附方式和移动方式的爬壁机器人适用于不同的环境和用途[9-15],所以要根据实际情况和工作性质来选择。

1.2国外爬壁机器人发展及研究现状

爬壁机器人在工业、军事、民用领域的突出表现，引发各发达国家相继投入大量的人力、物力，致力于爬壁机器人的科研研究，如美国、日本、俄罗斯、英国、德国等等，已经相继开发出多个类型的爬壁机器人，并且走出实验室，活跃在社会生活、生产的各个角落。

日本是最先在世界上进行爬壁机器人研究的国家，早在 1966 年，日本大阪府立大学工学部的西亮成功制作了第一款负压吸附壁面移动机器人，利用电风扇进气端低压空气产生的负压效应，在内外压差作用下实现机器人的吸附，并在 1975 年以实用性为目标成功制作出二号样机，该代样机采用改进的单个大吸盘结构，整个机器人更加稳固地贴附在壁面上；在移动方式上，利用履带机构实现爬壁机器人在垂直壁面上的移动功能。

日本光荣公司研制了一种多吸盘爬壁机器人,该机器人装有两组真空吸盘,如图1所示。机器人本体上自带两个真空泵、电池、控制系统和无线通讯系统。机器人一次充电可以工作约30 min，工作范围为距遥控天线10 m以内，最大行走速度为30 cm /min，可用于高大建筑物墙壁的检测，清洗工作。

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表格 2 吸附方式特点比较

吸附方式 说明 特点 适合移动方式

依靠永磁铁或电磁铁的磁吸附

磁吸附

力产生吸附。

吸附力大，无需消耗能量（永磁铁）或者只消耗电能，噪音大。

履带式

依靠真空发生装置，如气泵等产

负压吸附 生负压，依靠吸盘内部与外界大

气压差产生吸附。

壁面适应范围广，但是对壁面粗糙度要求高，噪音大。

腿足式

依靠机器人自身装置产生背离

正压吸附 墙面方向气体，在反作用力下实

现机器人吸附。

可实现小型化、轻型化、但是推力行程有限，且易受外界环境影响，噪音大，可靠性差。

轮式、履带式

利用人造的仿生纤毛材料（纳米

仿生吸附 级）与壁面间通过范德华力吸

附。

壁面适用范围广，无噪音，但是仿生足制造难度大，难以实现市场化。

履带式、足式

借助静电吸附力吸附在竖直壁

静电吸附

面或者天花板上

能适应多种壁面材质，噪音小，履带式、足式 但是不适应于潮湿环境

1997 年俄罗斯莫斯科机械力学研究所研制出用于大型壁面和窗户清洗作业的爬壁机器人，采用单吸盘结构。如图2所示，该机器人同样利用风机产生真空负压来提供吸附力，不同的是在移动方式上，机器人吸盘腹部装有 4 个驱动轮,使得机器人可在壁面上进行全方位移动，更方便空间作业[16]。

在磁吸附方面的研究技术上，1984 年，日本日立制作所的内藤绅司等人研制了磁吸附式爬壁机器人，采用脚式移动方式，如图3，配备 8 只永磁体的脚，通过内侧四只脚和外侧四只脚的交替变换吸附在壁面上，实现机器人在壁面上的前进、后退、移动，通过内外框之间的相对转动，实现机器人的转向，每条腿相对于壁面可以作直线运动，机器人的最大移动速度可达到 100mm/s[17]。

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图1 日本多吸盘爬壁机器人 图2 俄罗斯单吸盘清洁爬壁机器人

图3 步行式磁吸附爬壁机器人

图4 车轮式磁吸附爬壁机器人

日本钢管株式会社(NKK)开发了车轮型磁吸附壁面移动机器人，如图4，它可以吸附油罐、船体等各种大型构造物上，代替人工进行检查或者维修作业，机器人靠磁性车轮贴附在壁面上，手臂用来夹持作业工具，由两台直流电机分别驱动左右两组车轮，机器人行走平稳，移动速度快，并具有较强的壁面适应能力[18]。

1995 年,日本宫崎大学的西亮教授研制成功了用螺旋桨驱动的飞行爬壁机器人，该机器人借鉴航空技术，采用两个螺旋桨产生向上的推力和指向壁面的贴附力，由于推力始终指向壁面，因此机器人可以实现越障。1997 年，他们又继续开发了一种能够作短暂飞行后停附在壁面上的爬壁机器人，该机器人采用两个主螺旋桨提供推升力，同时增加八个小螺旋桨用于控制机器人的飞行姿态，该机器人在无线电遥控操作下几乎能够在

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任何工况下进行工作，如图5所示[19]。

图5 飞

行机器人 图6 Stickybot机器人

在仿生吸附方

面，以美国斯坦福大学的 BDML 实验室在 2006 年开发出仿壁虎机器人 Stickybot 系列为代表，如图6，该机器人自重只有 450g，采用仿生吸附方式。机器人每个足部有四个脚趾，趾底附着有仿壁虎足部纤毛的表面材料。机器人脚掌通过附着在掌上的软脚筋实现展平和外翻，使脚掌能够与壁面实现最大面积的附着接触[20]。

2007 年，日本东京大学首先提出柔性电极概念，采用柔性电路板工艺的柔性电极，在此基础上研制完成了两部原理样机，图7为原理样机 I 型，利用平面双电极作为吸附装置，通过尺蠖形式的运动使之能够在垂直导体壁面上行走，机器人总重 327g，移动速度 6.6mm/s，机器人长 130mm，宽 75mm，每片电极总 12g，在 1.5kV 的电压下最大载荷 750g。图8，为原理样机 II 型，采用梳齿电极作为吸附装置，采用履带驱动方式，能够在绝缘壁面上行走，例如玻璃壁面。机器人移动速度 7mm/s 速度，但由于没有连续电极引导机构，机器人每行走 4 秒就需要 12 秒的间隔进行高压离子充电，以保持电极的吸附力[21]。

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图7 原理样机 I 型

图8 原理样机 II 型

1.3国内壁面移动机器人的发展及研究现状

国内早期研制的爬壁机器人大多集中于建筑幕墙清洗作业。1994 年哈尔滨工业大学机器人研究所开发了用于高楼壁面清洗作业的 CLR 系列爬壁机器人，采用单吸盘吸附和轮式移动机构，机器人通过电力线载波实现本体和地面控制站之间的通讯联系，该机器人清洗效果较好，移动速度快，但是缺点是不能跨越障碍或者不同壁面间的过渡，如图9[22]；1996 年以来北京航空航天大学机器人研究所研制了 Cleanbot-I 和蓝天洁士-I 型等系列真空吸附足式擦窗机器人，如图10所示[16]，技术上采用全气动驱动的框架式移动机构，多足多吸盘吸附方式，能在一定程度上适应玻璃壁面的凹凸不平，清洗效果也较好、智能化程度高，缺点是移动速度慢、结构复杂且制作成本也较高；近几年上海交大也设计了一种依靠壁面牵引实现机器人移动的壁面清洗机器人样机，机器人依靠腹部的两个吸盘交替抬起吸附从而实现跨越水平窗框障碍运动，如图11所示。

图9 哈工大 CRLII 图10 北航蓝天卫士 图11 上交大爬壁机器人

以上所述爬壁机器人采用负压吸附吸附，重量和体积都比较大，而且还需要提供额外的辅助装置，如气泵，电源等等，难以实现轻量化及远程工作。

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对于新型的静电爬壁机器人，国内大学也相继展开研究，目前成果，哈尔滨工程大学制成第一款静电爬壁机器人，采用单履带式移动结构，铝箔为电极，可以在室内石灰壁面上稳定爬行[15]。

2爬壁机器人的发展趋势

由于传统爬壁机器人具有很多的不足之处(如对壁面的材料和形状适应性不强,跨越障碍物的能力弱,体积大,质量重等),因此未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展。

2.1吸附装置

最近几年,美、英、俄等国的研究小组真正揭示了壁虎在墙上爬行的秘密,这个秘密就是分子间的作用力——范德华力\范德华力是中性分子彼此距离非常近时产生的一种微弱电磁引力\。通过壁虎脚的附着力得到的启示应用于研制爬壁机器人。在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用机理的基础上,运用类比,模拟和模型方法,通过高分子材料化学,工程材料科学,力学和机械学的交叉研究,探索出一种与壁虎脚趾表面结构相近的,经物理改进的极性高分子材料——人造壁虎仿生脚干性粘合剂,并应用精密微机械加工的手段,设计并制作模拟壁虎脚趾的吸附装置,该吸附装置将适应于各种材质(如玻璃,粉墙和金属等)和任意形状的表面(如平面,柱面,弧面和拐角等)。这种装置如果研制成功将使爬壁机器人的实用化迈出坚实的一大步。

2.2移动方式

在移动机器人中,轮式和履带式移动方式已获得广泛的应用,但是足式移动方式具有轮式和履带式所没有的优点。足式移动方式的机器人可以相对较容易地跨过比较大的障碍(如沟、坎等),并且机器人的足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活,对凸凹不平的地形适应能力更强。足式机器人的立足点是离散的,与壁面接触的面积小,可以在可达到的范围内选择最优支撑点,即使在表面极度不规则的情况下,通过严格选择足的支撑点,也能够行走自如。正是由于足式结构多样，运动灵活,适应于各种形状的壁面上,而且能够跨越障碍物,因此足式结构将在爬壁机器人上有着较好的应用前景。

2.3驱动设备

传统伺服电机因功率重量比低,必须安装在远离驱动的地方,而且电机高速运行后需有减速齿轮来降低速度,致使传动系统复杂,结构累赘,不能满足实用化的要求,为此

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需要研制利用功能材料构成的体积小，重量轻，高效率密度的新型电机。微特电机所组成的驱动伺服系统和位置速度传感系统是机器人关键部件,研制开发直接驱动，大力矩，小体积，重量轻，精度高，反应灵敏，工作可靠的各类微特电机是提高我国机器人的研究开发水平,满足国内机器人高性能微特电机的基础保障。

超声波电极利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动,将弹性材料(压电陶瓷)的微观形变通过共振放大和摩擦涡合转换成转子或滑块的宏观运动。由于其独特的运行机理,超声波电机具有传统电磁式电机不具备的优点:(l)靠摩擦力驱动,因而断电后具有自锁功能,不需制动装置;(2)转矩密度大,低速下可产生大转矩,不需齿轮减速机构,因而体积小，质量轻，控制精度高，响应速度快;(3)运行无噪声,不产生也不接受电磁干扰等。正是由于超声波电机具有众多优点,所以它在爬壁机器人上将有非常好的实用价值。

2.4能源问题

迫切的需要探索出一种新的能源,体积小,供电性能强的电池,或者通过遥控途径对机器人提供能量和控制信号。目前国内外正对此进行积极研究,这方面日本取得了较大的成果。日本己经较为成功的将微波技术应用到一台无线机器人上,该技术成功的应用将会使爬壁机器人的运动范围得到较大的扩展[23]。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fq93.html