閆久江，趙西振，左 干，李紅軍

(武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430073)

0 引言

機(jī)器人是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物［1］，爬壁機(jī)器人作為移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域一個(gè)重要組成部分，它是將移動(dòng)機(jī)構(gòu)(車輪、履帶、腿等)與將它吸附在壁面上的吸附機(jī)構(gòu)(磁鐵、吸盤等，根據(jù)使用環(huán)境選擇)組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它將地面移動(dòng)技術(shù)拓展到垂直空間上，充實(shí)了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。早在1966 年，日本的 A.NISHI［2］設(shè)計(jì)出了一臺(tái)簡(jiǎn)單的爬壁機(jī)器人樣機(jī)，它的原理是利用電風(fēng)扇進(jìn)氣，產(chǎn)生低壓空氣，以產(chǎn)生的負(fù)壓為吸附動(dòng)力制作而成的，這被看做是爬壁機(jī)器人的研究開端。自此，爬壁機(jī)器人技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。筆者結(jié)合典型的爬壁機(jī)器人最新成果總結(jié)分析爬壁機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，并探討其應(yīng)用前景。

1 爬壁機(jī)器人國(guó)外研究現(xiàn)狀

西班牙的 R.Lal Tummala［3］等人設(shè)計(jì)了一種兩種低功耗微型雙足爬壁機(jī)器人，見圖1，該機(jī)器人采用DSP控制的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)四個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。韓國(guó)的Hwang Kim［4］等人研制了一臺(tái)如圖2的履帶式吸盤機(jī)器人，他將真空吸盤安裝在履帶上，有別于傳統(tǒng)的輪式真空吸附方式，能有效提高真空吸附的效率和吸附力。

圖1 足式爬壁機(jī)器人

圖2 履帶式爬壁機(jī)器人

葡萄牙的 Mahmoud Tavakoli［5］等人研制了 1 個(gè)如圖3所示的有全向輪永磁機(jī)器人，該機(jī)器人的車身3個(gè)展開臂的連接處安裝了扭轉(zhuǎn)彈簧，具有被動(dòng)自適應(yīng)不同曲率曲面的能力，同時(shí)由于其采用全向輪驅(qū)動(dòng)，使其擁有較好的機(jī)動(dòng)性。德國(guó)的Tache.F［6］等人研發(fā)了如圖4的一種用于檢測(cè)鋼制復(fù)雜結(jié)構(gòu)管道內(nèi)部的磁輪機(jī)器人。該機(jī)器人有五個(gè)活動(dòng)的自由度，每個(gè)主動(dòng)輪上有用于升降穩(wěn)定的側(cè)桿臂和一個(gè)轉(zhuǎn)向單元。側(cè)桿臂上安裝有磁輪，側(cè)桿臂上磁輪高度略小于主動(dòng)高度，主要是為了減小磁鐵吸附作用和保持機(jī)器人平衡。

日本的Inoue.K［7］等人根據(jù)人體攀巖壁面附著原理成功研制了名叫The asterisk robot攀爬網(wǎng)狀壁面的爬壁機(jī)器人，如圖5所示，它有多個(gè)機(jī)械抓臂與蜘蛛六足相似，通過(guò)抓臂前端人手臂關(guān)節(jié)的擺動(dòng)和足的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)吊掛功能，通過(guò)六足的協(xié)調(diào)動(dòng)作就可以懸掛在各種網(wǎng)狀壁面上，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)多維度運(yùn)動(dòng)。

圖3 雙輪式爬壁機(jī)器人

圖4 全向輪爬壁機(jī)器人

以色列的Avishai Sintov［8］等人開發(fā)了具有自主攀爬能力的機(jī)器人，能夠攀上垂直和粗糙的表面，如圖6所示。它采用四條腿，每條腿由一個(gè)四個(gè)自由度的連桿組成，在每條腿的前端上安裝有類似魚鉤狀的爪子，每個(gè)爪子可以在壁面上獨(dú)立移動(dòng)。這種設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要類似于壁虎尾巴的結(jié)構(gòu)來(lái)平衡壁面受力。

圖5 機(jī)械力抓持爬壁機(jī)器人

圖6 仿生吸附式爬壁機(jī)器人

美國(guó)的Ozgur Unver［9］等人開發(fā)了基于彈性體粘合的履帶式爬壁機(jī)器人，如圖7所示。這種機(jī)器人能夠以較快的速度實(shí)現(xiàn)連續(xù)、無(wú)劇烈震動(dòng)的吸附在光滑或粗糙的壁面上運(yùn)動(dòng)。它屬于是輕量級(jí)的(60～150 g)的爬壁類機(jī)器人，可以在光滑的表面攀爬0°到360°坡度。另外該爬壁機(jī)器人最多可攜帶300 g的負(fù)重，同時(shí)還可以越過(guò)高度為16 mm的障礙物。

美國(guó)一公司［10］設(shè)計(jì)了如圖8所示的遠(yuǎn)程遙控爬壁機(jī)器人，它有四個(gè)或六個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，采用負(fù)壓吸附原理吸附在壁面上，自帶可充電鋰聚合物電池組，可給驅(qū)動(dòng)單元和控制單元供電長(zhǎng)達(dá)45～60 min，同時(shí)其能吸附在大部分粗糙不平的壁面上。

圖7 黏性吸附式爬壁機(jī)器人

圖8 負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人

2 磁吸附爬壁機(jī)器人國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)爬壁機(jī)器人的研究起步相對(duì)較晚，直到1996年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所在國(guó)家“863”計(jì)劃的資助下成功研制了多功能履帶式罐壁噴涂檢測(cè)磁吸附爬壁機(jī)器人［11］，如圖9所示。該機(jī)器人主要是針對(duì)石油行業(yè)中的儲(chǔ)油、儲(chǔ)水鋼罐，定期噴砂除銹、噴漆防腐、涂層厚度檢測(cè)等不利于人工操作的工作而研制的特種設(shè)備。作為國(guó)內(nèi)開展爬壁機(jī)器人研究較早的單位，在其后的發(fā)展過(guò)程中又研制了如圖10所示的應(yīng)用于偵查領(lǐng)域基于負(fù)壓吸附的爬壁機(jī)器人［12］。與此同時(shí)國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人研究也逐漸展開，比較有代表性的國(guó)內(nèi)高校有清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、大連海事大學(xué)及寧波大學(xué)等。

國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人技術(shù)研究比較成熟的就是磁吸附類爬壁機(jī)器人，大多偏重于應(yīng)用型，主要用于油罐檢測(cè)與船體壁面清洗、除銹、焊縫檢測(cè)等，主要采用的形式多為履帶式或者輪式。

應(yīng)用永磁吸附的爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)的研究對(duì)象都有以下三個(gè)特點(diǎn):

(1)它們都需要定期的檢查、維修和保養(yǎng)。

(2)它們的表面都是柱狀或者凹凸不平的壁面。

(3)都是屬于鋼制壁面，容易被磁鐵吸附。

圖9 磁吸附爬壁機(jī)器人

圖10 偵查爬壁機(jī)器人

上海交通大學(xué)徐澤亮、馬培蓀［13］等介紹了如圖11所示的基于稀土永磁均勻磁化且有別于傳統(tǒng)普通吸盤結(jié)構(gòu)的履帶多體磁化爬壁機(jī)器人。聞靖［14］研制了基于儲(chǔ)油罐清洗和檢測(cè)工作的爬壁機(jī)器人，如圖12，其在機(jī)械結(jié)構(gòu)上未做重大改變，而是主要針對(duì)機(jī)器人變磁力吸附單元進(jìn)行了研究，根據(jù)有限元仿真得到磁感應(yīng)強(qiáng)度分布及磁吸附力，同時(shí)開發(fā)了基于Visual C++上、下位機(jī)控制的機(jī)器人控制系統(tǒng)。

大連海事大學(xué)的衣正堯［15］開發(fā)了一種履帶式永磁真空混合吸附的爬壁機(jī)器人，如圖13，主要用于船舶壁面除銹。該機(jī)器人特點(diǎn)是體型巨大，由于采用了永磁吸附，因此其帶負(fù)載能力強(qiáng)，另外該機(jī)器人能夠隨著爬壁高度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)器人負(fù)載質(zhì)量與重心位置。

寧波大學(xué)的陳偉［16］設(shè)計(jì)研制了船體拋光小型機(jī)器人彎翹曲面行走系統(tǒng)，如圖14，利用RecurDyn軟件對(duì)行走系統(tǒng)的曲面自適應(yīng)效果進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，模擬小型機(jī)器人在規(guī)則曲面和彎翹曲面上的運(yùn)動(dòng)情況，利用workbench建立對(duì)單個(gè)吸附單元進(jìn)行靜磁分析，分析了鋼板厚度與空氣間隙對(duì)吸附力的影響，從而填補(bǔ)了永磁吸附類爬壁機(jī)器人在吸附理論上的不足，并在實(shí)驗(yàn)中取得良好的運(yùn)動(dòng)效果。

圖11 多體磁化式爬壁機(jī)器人

圖12 變磁力式爬壁機(jī)器人

圖13 永磁真空混合式爬壁機(jī)器人

圖14 船體拋光小型機(jī)器人彎翹曲面行走系統(tǒng)

3 爬壁機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用分析

3.1 爬壁機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀

目前爬壁機(jī)器人不同的研究方向主要?dú)w結(jié)于吸附方式與運(yùn)動(dòng)形式上兩點(diǎn)。根據(jù)上述研究現(xiàn)狀，大多數(shù)研究者是根據(jù)使用用途選用吸附方式，如在玻璃或光滑壁面上工作時(shí)，主要采用真空吸附或者仿生吸附，在鋼制壁面上主要采用磁力吸附，主要包括永磁吸附和電磁吸附;而在復(fù)雜壁面上或者是彎曲壁面上大多采用混合吸附方式，目前爬壁機(jī)器人的吸附方式主要有以下幾種。

若以運(yùn)動(dòng)形式來(lái)分，則可以分為輪式、履帶式、足式以及框架式這幾類，它們的應(yīng)用途徑主要取決于工作壁面的狀況，并于吸附方式組裝后選用，總體來(lái)說(shuō)，其應(yīng)用方式比較固定。

表1 不同吸附方式爬壁機(jī)器人性能對(duì)比

3.2 爬壁機(jī)器人應(yīng)用分析

結(jié)合上述技術(shù)現(xiàn)狀分析與對(duì)比可見，爬壁機(jī)器人經(jīng)過(guò)幾十年的研究發(fā)展，取得了一定的成績(jī)，但是從產(chǎn)業(yè)化或者是從研究應(yīng)用來(lái)講，還有很大的差距，目前大多的研究成果都處在樣機(jī)驗(yàn)證階段，總體來(lái)看爬壁機(jī)器人技術(shù)還存在一些難以克服的問(wèn)題:

(1)工業(yè)應(yīng)用與樣機(jī)驗(yàn)證的差距。目前爬壁機(jī)器人的研究基本上都是針對(duì)某一行業(yè)上的應(yīng)用而展開的，因此其研究?jī)?nèi)容就必然帶有局限性，無(wú)法突破有些特定的思維定式，從而也就制約了其走上產(chǎn)業(yè)化的道路，同時(shí)其行業(yè)應(yīng)用的領(lǐng)域范圍也受到了極大的限制。

(2)運(yùn)動(dòng)靈活性與吸附穩(wěn)定性之間的矛盾。研究爬壁機(jī)器人的兩大主題就是運(yùn)動(dòng)形式與吸附方式。而這兩者是相互矛盾的，運(yùn)動(dòng)越靈活，其吸附力也應(yīng)該越小越好，但是考慮到安全性，吸附力越大，安全性越好，這就形成了一個(gè)惡性循環(huán)。吸附力越大，運(yùn)動(dòng)性能越差;運(yùn)動(dòng)性能越好，吸附力會(huì)不足。因此需要在這個(gè)循環(huán)中找到折中點(diǎn)，這種折中的方式就會(huì)造成設(shè)計(jì)制造出的樣機(jī)存在先天的缺陷。

(3)仿生研究與功能性的背道而馳。現(xiàn)在爬壁機(jī)器人的研究趨勢(shì)多向仿生方向研究發(fā)展，如上提到的彈性吸附式、雙足吸附式等都是基于模仿動(dòng)物、人的動(dòng)作而研制的，這種方式在控制上相對(duì)困難，功能性也相對(duì)較差，其最大的弊病是不能提供相應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用方向，也就是說(shuō)其研究成果僅限于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其研究?jī)r(jià)值也大打折扣。

［1］ 劉淑霞，王 炎，徐殿國(guó)，等.爬壁機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用［J］.機(jī)器人，1999，21(2):148 －155.

［2］ A.NISHI.Development of Wall－ climbing Robots［J］.Computers Elect.Engng，1996，22(2):123 －149.

［3］ Tummala R L，Mukherjee R.Climbing the walls［J］.IEEE Robotics and Automation，2002.9(4):10－19.

［4］ Hwang Kim，Dongmok Kim，Hojoon Yang.Development of a Wall－ climbing Robot using a Tracked Wheel Mechanism［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2008(22):1490 －1498.

［5］ Tache.F，ETH Zurich.Compact Magnetic Wheeled Robot With High Mobility for Inspecting Complex Shaped Pipe Structures［J］.Intelligent Robots and Systems，IROS 2007.IEEE/RSJ International Conference on，2007:261 －266.

［6］ Mahmoud Tavakoli，Carlos Viegas ，Lino Marques，J.Norberto Pires，Aníbal T.de Almeida.OmniClimbers:Omni－ directional Magnetic wheeled Climbing Robots for Inspection of Ferromagnetic Structures［J］.Robotics and Autonomous Systems，61(9):997 － 1007.

［7］ Inoue K，Tsurutani T，Takubo.T Omni－ directional Gait of Limb Mechanism Robot Hanging from Grid－like Structure［C］.Robots and Systems，2006:1732 －1737.

［8］ Avishai Sintov，Tomer Avramovich，Amir Shapiro.Design and Motion Planning of An Autonomous Climbing Robot with Claws［J］.Robotics and Autonomous Systems，59(11):1008 －1019.

［9］ Ozgur Unver，Metin Sitti.Tankbot:A Palm － size，Tank － like Climbing Robot using Soft Elastomer Adhesive Treads［J］.The International Journal of Robotics Research，2010，29(14):1761 －1777.

［10］ ［DB/OL］http://www.clarifyingtech.com/public/robots/robots_public.html.

［11］ 王 炎，劉淑良，潘沛霖，等.噴砂噴漆用履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人［J］.機(jī)器人(增刊).1996(18):783－786

［12］ Shanqiang Wu，Mantian Li，Shu Xiao.A Wireless Distributed Wall Climbing Robotic System for Reconnaissance Purpose［C］.Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation，2006:1308 －1312.

［13］ 徐澤亮，馬培蓀.爬壁機(jī)器人履帶多體磁化結(jié)構(gòu)吸盤的設(shè)計(jì)及優(yōu)化［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40(3):168 －172.

［14］ 聞 靖.罐壁爬行機(jī)器人本體設(shè)計(jì)及其特性研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2011.

［15］ 衣正堯，弓永軍，王祖溫，等.新型船舶壁面除銹爬壁機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模與分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)2010，46(15):23－30.

［16］ 陳 偉.船體拋光小型機(jī)器人彎翹曲面行走系統(tǒng)［D］.寧波:寧波大學(xué)，2014.