桂仲成

（京東方科技集團股份有限公司，北京，100176）

爬壁機器人能源工業(yè)應用與發(fā)展

桂仲成

（京東方科技集團股份有限公司，北京，100176）

摘 要本文對爬壁機器人在能源工業(yè)的應用進行分析，對爬壁機器人關鍵技術與發(fā)展進行研究，并提出其工業(yè)應用研發(fā)技術路線發(fā)展建議。

關鍵詞：爬壁機器人，能源工業(yè)

1　爬壁機器人工業(yè)應用

1.1 定義

爬壁機器人[1]是一種可以在各式各樣壁面上攀爬、攜帶作業(yè)工具及附屬設備并完成特定作業(yè)的移動機器人，主要代替人從事危險、繁重的現(xiàn)場作業(yè)，無須安裝腳手架，可提高作業(yè)效率、提升作業(yè)質(zhì)量并保障作業(yè)安全。其工業(yè)應用主要包括：

檢查與檢測：包括電廠設備、輸電電纜、管道、石化儲罐、船舶、海洋平臺、橋梁等設施的檢查和無損檢測等；

材料加工：包括石化儲罐、船舶、海洋石油平臺等的切割、焊接、打磨、噴涂等；

維護：包括船舶、飛機等的除銹以及高層建筑物的清洗等；

其他：包括貨物運輸、救援、公共安全等。

1.2 能源行業(yè)應用

1.2.1 應用需求

本節(jié)重點對以能源轉化為核心應用的爬壁機器人需求進行分析。其中，電廠外部主要包括資源運輸以及電力輸送設備，資源運輸涉及的設施包括船舶、管道、火車、儲罐等，電力輸送涉及的設施包括電纜等；發(fā)電設備主要包括鍋爐、汽輪機、發(fā)電機、核島裝備、風機等。

能源變化過程涉及的主要設備往往是大型設備，其特征是“重、大、結構復雜”，很多制造環(huán)節(jié)還是手工作業(yè)，有時還必須在現(xiàn)場作業(yè)，這其中又以焊接作業(yè)最為典型，此類部件是實現(xiàn)制造自動化的瓶頸。

為提升制造水平、提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量，迫切要求實現(xiàn)大型結構件焊接等作業(yè)的自動化。但是，傳統(tǒng)的工業(yè)機器人或?qū)Ｓ米詣踊b備由于在移動靈活性和柔性（智能）等方面受局限，很難在這種場合應用，故迫切需要新的解決方案。解決這一問題的思路之一是采用比工件更大的自動化系統(tǒng)，但這種自動化系統(tǒng)的成本很高且適用的產(chǎn)品種類有限，因此，此類大型自動化系統(tǒng)競爭力較弱。爬壁機器人可在工件表面全方位移動并能適應不同種類的工件，在作業(yè)靈活性和柔性等方面具備很大的優(yōu)勢且成本相對較低，因此其在大型鋼結構件的焊接（包括切割）、噴涂、無損檢測等作業(yè)中具有廣闊的應用前景。

另一方面，能源設備往往都是重要的基礎設施，一般均需要定期檢修。以大型發(fā)電設備檢修為例，這些設施的檢修或者需要撘腳手架、或者需要把檢修對象拆下來在車間內(nèi)進行檢修，這造成檢修周期長。如果能夠免除搭、拆腳手架或者拆卸安裝檢修對象的工序，能在現(xiàn)場完成檢修，這可以減小非必須的輔助工序時間（拆卸、安裝、調(diào)試等），會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。另外，在某些場合下，由于環(huán)境的限制（如放射性的場所、高空），工人進行檢修作業(yè)存在巨大的安全隱患。而由各式各樣的爬壁機器人進行上述檢修作業(yè)，不僅可以縮短檢修周期、提高檢修作業(yè)效率，也可以提升作業(yè)質(zhì)量和保障作業(yè)安全。因此，從上述角度來說，爬壁機器人在此類檢修作業(yè)中應用前景廣闊。

綜上所述，爬壁機器人在能源轉化涉及的海洋石油平臺、船舶、管道、儲罐以及大型發(fā)電設備等設施的制造（或建造）以及在役檢修維護方面具有很大的市場潛力。

1.2.2 應用現(xiàn)狀

本節(jié)重點對已經(jīng)工業(yè)化應用或生產(chǎn)的典型機器人產(chǎn)品進行介紹。

1）Alstom Inspection Robotics

該公司由Alstom（瑞士）和Swiss Federal Institute of Technology于2006年合資成立，致力開發(fā)適用于電廠、化工以及石化工業(yè)設施自主檢測的機器人產(chǎn)品。目前已開

發(fā)出系列檢查機器人，主要有：

A） Alstom模塊化大表面檢測機器人

該機器人自重12 kg，尺寸為410mm×45mm×410mm，負載能力10kg，如圖1（a）所示。機器人采用磁輪吸附（可跨越10mm高的障礙物），遠程控制，可自主跟蹤焊縫以及特定的輪廓，具有自主防碰能力，可集成8-16通道超聲檢測儀以及4通道渦流檢測儀、攝像頭以及水槍等工具，并具備檢測數(shù)據(jù)自動記錄與自主創(chuàng)建缺陷分布圖功能，可用于船舶、大型儲罐與容器、壓力水管以及風機塔架等大型表面的檢查。

B） Alstom小型四輪檢測機器人

Alstom小型四輪檢測機器人，采用永磁吸附方式（間隙吸附），可攜帶超聲等檢測儀器，具備數(shù)據(jù)自動記錄和處理功能，遠程控制，如圖1（b）所示，可用于轉子等規(guī)則零部件的無損檢測。

C） Alstom Magnebike檢測機器人

Alstom Magnebike機器人自重3.5kg，尺寸180mm× 130mm×220mm ，如圖1（c）所示。機器人采用磁輪吸附、自行車運動機構，具備很強的壁面適應能力，可用于汽輪機蒸汽室等復雜結構的現(xiàn)場檢測。

D）Alstom定子檢測機器人

該機器人高度僅有9mm，軸向采用磁輪驅(qū)動，周向采用“蠕動“方式移動，適用于定子在役檢測，如圖1（d）所示。

圖1　Alstom 系列檢測機器人

2）GE Energy

A）GE管道檢測機器人

GE開發(fā)了適用于6-30英寸（15.2-76.2cm）管道檢測的系列機器人，如圖2（a）所示。機器人采用有纜方式供電和傳輸數(shù)據(jù)，可在彎道（1.5倍管子直徑）內(nèi)行走，可攜帶視覺、超聲檢測等工具，最大行駛距離1000英尺（約300m），可用于核電站、油氣運輸、精煉廠等管道的檢測。

B）GE Magic定子檢測機器人

GE開發(fā)的適用于電機定子檢測的機器人高度約12 mm，可完成定子的在役檢測，如圖2（b）所示。

圖2　GE檢測機器人

3）Olympus

WeldROVER機器人可進行全自動數(shù)據(jù)采集、操作簡便的電動掃查，如圖3所示。機器人采用四磁輪吸附方式，具備激光導引焊縫跟蹤功能。最多可使用6個探頭，具有UT、TOFD、PA功能，可對鐵磁性管件或容器進行高效的相控陣焊縫檢測。

4）Jireh Industries

加拿大Jireh Industries公司開發(fā)了兩款無損檢測機器人產(chǎn)品Navic和Tripod，如圖4和圖5所示。Navic尺寸為21cm× 2.6cm×25.4 cm，自重7.7kg，采用模塊化的結構，由2個模塊組成，每個模塊采用2個磁輪，模塊間通過鉸鏈連接，適用表面最小直徑為70mm（周向檢測）、305mm（軸向檢測），遠程控制，可自主跟蹤焊縫，

可攜帶各種檢測儀器。

圖3　Olympus檢測機器人

圖4　Navic檢測機器人

圖5　Tripod檢測機器人

Tripod機器人采用3磁輪機構，尺寸為45cm× 16.5cm×39.3 cm，自重13.6kg，負載能力為13.6kg，遠程控制，可以攜帶攝像頭、檢測儀器等工具。

這兩款機器人均可選配焊縫跟蹤、安裝拆卸輔助裝置、電動掃描支架等模塊。

5）Silverwing

英國Sliverwing公司開發(fā)了Scorpion B-scan 無損檢測機器人，該機器人采用四輪獨立驅(qū)動機構，永磁（間隙）吸附方式，尺寸為385 mm ×222 mm ×102 mm，自重4.75kg，可攜帶13.6kg的負載，如圖6所示，可遠程控制，自動記錄檢測數(shù)據(jù)，本體由電池驅(qū)動，臍帶線最長可達50m。該機器人有一項特殊設計是采用輪式超聲檢測探頭，它可以和機器人無縫集成。根據(jù)大小、適應的壁面不同等，公司已開發(fā)了3種型號的機器人。

圖6　Scorpion B-scan檢測機器人

6）Buckeye Partners

Buckeye Partners開發(fā)的Smart PIG管道檢測機器人，依靠管道內(nèi)液體的壓力驅(qū)動機器人沿著管道運動并完成檢測作業(yè)，如圖7所示。

圖7　Smart PIG管道檢測機器人

7）Chariot Robotics

Chariot Robotics 有限責任公司從美國National Robotic Engineering Center購買了相關專利，開發(fā)用于船舶等表面除銹的機器人，如圖8所示。該機器人采用永磁吸附方式、輪式移動機構，使用高壓水槍除銹工藝。

8）Robotic Technologies of Tennessee

從2007年開始，美國自然科學基金——小企業(yè)創(chuàng)新基金分兩次（2007年、2009年）資助Robotic Technologies of Tennessee研發(fā)爬壁焊接機器人樣機。2012年左右，工程樣機已在美國多個船廠應用和完善。

該機器人采用永磁履帶機構，具備焊縫跟蹤功能（采用Servo Robot或Meta傳感器）。機器人尺寸約47cm×47cm× 26cm，自重約30kg，負載能力約45kg，如圖9所示。

圖8　Chariot Robotics除銹機器人

圖9　Tennessee焊接機器人

9）中國東方電氣集團有限公司[2]

中國東方電氣集團開發(fā)了大型鋼結構用爬壁焊接機器人工程樣機，該機器人采用輪式移動機構，間隙面吸附裝置和磁輪的永磁復合吸附裝置，可自主跟蹤焊縫并進行焊接作業(yè)。該爬壁機器人重25kg，可以攜帶超過60kg的負載，可原地轉向，如圖10所示。機器人已在大型發(fā)電設備焊接中應用驗證。

圖10　東方電氣智能爬壁焊接機器人

10）科沃斯

蘇州科沃斯電器公司開發(fā)了擦窗機器人“窗寶”，采用真空吸附方式，如圖11所示。

1.2.3 小結

從上述調(diào)研可以看出，市場上已經(jīng)存在了一定數(shù)量的爬壁機器人產(chǎn)品，這些產(chǎn)品在管道、船舶、儲罐、發(fā)電設備的檢查與檢測等方面已經(jīng)得到了較廣泛應用，在大型結構件焊接與維護方面的應用也開始起步。

Alstom、GE、Olympus等設備制造商重視爬壁機器人的開發(fā)，但是相對于能源行業(yè)需求來說，現(xiàn)有產(chǎn)品種類和功能還比較單一，應用推廣的普及程度也遠遠不夠，爬壁機器人在能源行業(yè)的應用還有很大潛力可挖。

圖11　科沃斯擦窗機器人

2　爬壁機器人關鍵技術與發(fā)展

作為移動作業(yè)機器人的一種，爬壁機器人關鍵技術主要包括爬壁機構技術和控制技術。其中，爬壁機構技術是爬壁機器人的專有技術，控制等技術和其他類型移動機器人類似，如圖12所示。

本節(jié)主要對爬壁機構技術及發(fā)展進行分析，主要包

括吸附、移動以及壁面適應（或越障）三個方面。其中，吸附機構技術從控制模式上可以分為被動吸附方式和主動控制吸附兩種，移動機構從適用的壁面類型來說可以分為2D移動機構和3D移動機構。

2.1 爬壁機構技術

2.1.1 吸附機構技術

1）機械吸附

機械吸附方式主要模仿人攀爬壁面以及登山裝置的原理，典型方式如圖13所示。

圖12　爬壁機器人關鍵技術

圖13　典型機械吸附方式原理

最直接的壁面攀爬方式是利用壁面上已有的特征；如果沒有合適的特征可以利用，一個替代辦法是利用特定的裝置插入壁面；或者是上述兩種方式的結合，即在軟的壁面采用插入方式，在硬的表面采用利用壁面特征的方式。此類吸附方式的優(yōu)點是機器人的負載能力僅受其與壁面連接強度的限制，缺點是此類吸附方式一般不能采用連續(xù)運動機構（如輪式移動機構），往往無法在天花板上使用，應用受到很大限制。

如果必須使用輪式等連續(xù)運動機構，一個機械吸附的替代解決方案是通過機器人和壁面之間的擠壓產(chǎn)生的摩擦力進行承載。為了產(chǎn)生擠壓力，往往采用彈性機構或者主動控制裝置，或者兩者結合使用。此類裝置往往利用杠桿、鍥以及凸輪或者類似的機構將重力轉化成擠壓力。采用機械吸附的爬壁機器人例如：SpinyBot II[3]使用帶極小刺的腳插入壁面以保證其對壁面的吸附；Tree bot[4]利用其和樹干表面的抓緊力實現(xiàn)攀爬，3dclimber[5]利用機器人和管狀壁面之間的夾緊力實現(xiàn)攀爬；Toshiba 1'' tube crawler[6]利用輪子或履帶和壁面之間的擠壓力產(chǎn)生摩擦力，實現(xiàn)在管道內(nèi)的吸附。采用機械吸附方式的爬壁機器人在管道檢測領域已實現(xiàn)了較大規(guī)模應用。

2）磁吸附

如果壁面是鐵磁性的，采用磁吸附方式往往是優(yōu)先選擇。磁吸附方式可分為電磁吸附和永磁吸附兩種。電磁吸附方式的優(yōu)點是吸附力可調(diào)節(jié)，缺點是需要能源供給且很難和輪或者履帶集成。永磁吸附方式，無須能源供給，能量密度高且易于和輪或履帶等運動機構集成，從而得到了更廣泛的應用，但其缺點是吸附力調(diào)節(jié)相對困難。

永磁體安裝方式主要包括安裝在腿式運動機構的腳上、輪子里、履帶上（直接接觸吸附）或者底盤上（非接觸吸附）。永磁體安裝在底盤的好處是磁體表面吸附的鐵屑等不會對機器人的運行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響（和直接接觸吸附相比）。磁輪吸附方式的優(yōu)點是吸附力對壁面曲率變化的敏感度低（和非接觸吸附相比）。

采用磁吸附方式的典型機器人包括：Robinspec[7]采用電磁吸附方式、腿式移動機構，OmniClimbers[8]采用萬向磁輪機構，WCWR[9]采用輪式移動機構、可調(diào)間隙永磁吸附裝置，Tripillar[10]采用永磁吸附裝置、履帶式移動機構。幾十年以來，磁吸附爬壁機器人已在船舶、儲罐檢測等工業(yè)領域得到了廣泛應用。

3）氣動吸附

氣動吸附又稱為真空吸附，主要包括吸盤（被動式和主動式）、真空室、漩渦三種方式。其中，漩渦吸附方式能量密度相對較高。

典型的氣動吸附爬壁機器人包括：Roma II[11]采用主動吸盤、腿式移動機構，City Climber[12]采用漩渦吸附、輪式移動機構。

氣動吸附方式可適用于非導磁性壁面，但是為產(chǎn)生吸附力需要能量供給，且能量密度較低，對壁面的光滑度等要求較高。由于上述缺點，氣動吸附爬壁機器人尚未在工業(yè)領域廣泛應用，但科沃斯公司開發(fā)的“窗寶”機器人已開始商品銷售。

4）靜電吸附

靜電吸附方式適用于非導磁性壁面。Stanford大學研制有采用履帶式移動機構的靜電吸附爬壁機器人[13]。據(jù)研究者稱，這種吸附方式的能量密度較高且能量消耗較低，但技術仍然在開發(fā)中。

5）干吸附和粘著吸附

干吸附和粘著吸附方式主要模仿壁虎的攀爬方式，理論上適用于各種壁面，典型如六足式StickyBot機器人[14]，但是到目前為止，這類機器人僅在干凈的玻璃表面測試過，研究者稱這種吸附方式可以適用于更困難的壁面。

6）小結

總體來說，采用同一種吸附原理的主動吸附方式往往比被動吸附方式的吸附能力更強。但是，其最大劣勢是主動吸附方式需要能量供給，一旦能量供給失效，爬壁機器人將從壁面上摔落。

由于上述原因，永磁吸附方式比電磁吸附方式應用前景更好。但是在非磁吸附方式里，主動吸附方式更常見。氣動吸附方式往往采用主動吸附方式（真空室或者漩渦），靜電吸附只能采用主動吸附方式。關于采用各種吸附原理的主動、被動吸附的性能比較如表1所示。

表1　典型吸附原理性能比較

在工業(yè)領域已經(jīng)應用的爬壁機器人主要采用機械或磁吸附方式。氣動、靜電以及干粘著吸附等方式由于其低可靠性、對壁面要求高或僅能和擺腿式機構集成、或由于技術尚不夠成熟，尚無法在工業(yè)領域廣泛應用。

2.1.2 移動機構技術

爬壁機器人的移動機構依據(jù)不同的分類標準可以分為下列幾類：從基本的運動概念來說可以分為滾動—腿式和擺動—腿式，兩者又可以組合形成混合式移動機構；從接觸的瞬態(tài)特性來說可以分為連續(xù)式和離散式；從接觸的面積來說，可以分為小足式和大足式。綜合來說，主要有6種基本的移動機構，如圖14所示。

圖14　爬壁機器人移動機構分類

1）滾動—腿式移動機構

在滾動—腿式移動機構中，爬壁機器人最常用的是輪式移動機構。文獻[15]設計的機器人采用兩輪結構，尾部設計提升了機器人壁面運行穩(wěn)定性和適應性，吸附磁鐵集成在車輪里。文獻[16]設計的機器人采用帶懸掛的兩輪機構和漩渦吸附裝置。

輪式爬壁機器人運動速度快，控制簡單，機構相對也簡單。但是，輪式移動機構有缺點：會被壁面上的空洞或者間隙卡住，遇到內(nèi)拐角時也有可能被卡住，無法適應結構復雜的壁面；有些吸附裝置無法集成到輪子里。

由于上述原因，有些爬壁機器人使用履帶式移動機構，且吸附裝置一般直接安裝在履帶上。文獻[17]設計的機器人采用四履帶結構，永磁吸附裝置集成在履帶上。

在平直壁面上，履帶式由于吸附面積大，負載能力強，但是在曲面上尤其是凸面上，由于履帶式機構固有的缺陷會造成吸附力下降，吸附履帶易從壁面剝離造成機器人跌落，這個問題尚無法得到很好解決。同時，履帶式機器人也存在轉向困難的問題。

有一種兼具輪子和履帶優(yōu)點的輪履復合結構，較好解決了履帶式吸附機構的剝離問題，但其運動是非連續(xù)的，這導致其在要求連續(xù)性的作業(yè)中無法應用。

2）擺動—腿式移動機構（擺腿式移動機構）

擺腿式移動機構主要用于攀爬結構復雜的壁面或者用于那些不能和履帶式/輪式移動機構集成的吸附方式。

典型的采用擺腿式移動機構的爬壁機器人包括：兩足大足式爬壁機器人（如City Climber[12]）和多腿小足式爬壁機器人(如StickyBot機器人[14])。兩足大足式爬壁機器人一般用于壁面結構非常復雜且要求高運動、靈活性的場合，多腿小足式爬壁機器人采用的吸附方式能力一般較弱（如被動式吸盤、類壁虎吸附）。

另外一種典型的擺腿式移動機構是蛇形移動機構，這種爬壁機器人一般用于桿狀壁面或內(nèi)管道壁面。蛇形移動機構的控制非常復雜。

和滾動—腿式移動機構相比，擺腿式運動機構的控制一般更復雜，這也導致其體積相對較大、運動速度相對較慢。但是，復雜性提高換來的好處是移動性的提升，尤其是兩足式移動機構在擺腿式移動機構中最具應用前景。

3）混合式移動機構

有些爬壁機器人采用混合式移動機構，即擺動和滾動腿式移動機構的復合?；旌鲜揭苿訖C構的優(yōu)點是：高速和高移動性，其復雜性介于擺動和滾動腿式移動機構之間。

表2　各類移動機構在地面和爬壁機器人中應用的性能比較

典型的采用混合式移動機構的爬壁機器人包括：Alicia[18]采用三足輪式移動機構，Alstom開發(fā)的發(fā)電機定子檢測機器人軸向采用輪式移動機構、周向采用框架式蠕動移動機構。

4）移動機構性能比較

對采用各種移動機構的運動性能進行比較，同時對采用類似移動機構的典型地面移動機構進行比較，結果如表2所示。

從比較中可以看出，采用同樣移動機構的爬壁機器人和地面機器人的運動性能有很大區(qū)別，這主要由爬壁機器人的吸附力造成。

可以得出以下幾個結論：

A）在爬壁機器人應用中，履帶式、多腿式以及蛇形移動機構比其他形式的移動機構更容易喪失其固有的優(yōu)點（和地面應用相比）。

履帶式移動機構的接觸面積大，在地面上移動時，其對各種各樣地面（如沙地、泥地、石頭等）的適應能力強，但當履帶式移動機構用于爬壁機器人時，由于履帶式機構固有的剛性導致其在小曲率凸面上易從壁面剝離。

當爬壁機器人采用多足式移動機構和蛇形移動機構時，由于各足的吸附力（或各關節(jié)）一般需要主動控制，這導致其復雜性較在地面上應用時更加復雜，此種機器人的體積重量往往較大，其應用受到限制。

B）在爬壁機器人應用中，雙足式、輪式以及混合式移動機構比其他形式的移動機構更容易獲得額外的優(yōu)勢（和地面應用相比）。

在地面應用中，雙足式機器人是高度非穩(wěn)定系統(tǒng)、控制復雜性高、地面適應性差。但是當雙足式移動機構在爬壁機器人中應用時，由于吸附力的存在，其穩(wěn)定性大幅提高且控制也更加簡單，這往往是很大的優(yōu)勢，而且雙足式爬壁機器人可以使用很多種吸附方式。

輪式移動機構在爬壁機器人中應用前景也相當廣闊。典型的如采用自行車結構的爬壁機器人，它不僅具有一般輪式移動機構的優(yōu)點，還能適用于各種復雜壁面的過渡（如90°內(nèi)角、外表面過渡）。

采用混合式移動機構的爬壁機器人大幅提升了壁面適應性。舉例來說，輪式爬壁機器人的移動性能已不錯（中等），再結合幾個主動控制關節(jié)，就可以適用于非常復雜壁面的攀爬。

C）從工業(yè)應用的角度來說，最具前景的移動機構是下列兩種：一是兩足式和混合式移動機構，主要由于其具

備高移動性能和合理的復雜性；二是輪式或輪腿式移動機構，主要由于其具備較好的移動性能和較低的結構和控制復雜性。

2.1.3 壁面適應技術

爬壁機器人在運行中所考慮的一個重要問題是，如何適應各式各樣的壁面結構與形態(tài)變化，這包括適應壁面曲率與形貌的變化、不同壁面間的過渡、越障甚至運行介質(zhì)的變化。典型的壁面變化如圖15所示。解決壁面適應問題的關鍵是針對特定的應用設計合適的吸附與運動機構集成方案。

圖15　典型的壁面變化示意

解決壁面適應問題的一個思路是盡量采用簡單的機構并在必要時結合適當?shù)妮o助機構。例如：文獻[2]采用三輪機構結合專門設計的磁體布置方案，這可以一定程度適應壁面凹凸的變化；文獻[3]采用兩輪機構輔以尾部結構，也可以較好適應壁面的變化；文獻[4]采用兩輪自行車結構、輔以主動連桿，可以適應復雜的壁面變化；文獻[11]采用輪式移動機構結合吸附裝置主動控制（提升或下降）的方案以適應壁面凹凸的變化。

采用此種思路的爬壁機器人往往僅能適應較小的壁面變化，或者能適應復雜的壁面變化但負載能力弱（此種機器人尺寸往往較?。?/p>

解決壁面適應問題的另一個思路是采用基于“化大為小”的多體柔性輪式或履帶式爬行機構，其特征是模塊化且模塊之間是柔性連接。例如：文獻[19]提出了采用多個吸附裝置，且吸附裝置通過具有2-3個自由度的被動式鉸鏈和本體連接的方案；文獻[20]提出了采用多個模塊化爬壁機器人、機器人之間通過機械手協(xié)作實現(xiàn)壁面適應的方案。采用此種思路的爬壁機器人結構和控制往往較復雜，但負載能力可以得到較大幅度的提升。

此外，還可通過采用足式移動機構解決壁面適應問題，但此類機器人結構和控制復雜，存在運動非連續(xù)的問題。

2.1.4 吸附與運動機構的集成

典型的吸附和運動機構的集成如表3所示。

從表3中可以看出，在工業(yè)領域得到應用的爬壁機器人往往是采用機械或磁吸附方式、輪式或履帶式移動機構。這主要由下列原因造成：

A）只有機械式或者磁吸附的能量密度可以達到很高（提供足夠大的吸附力）且不需要額外的能源（被動式吸附）。

B）滾動—腿式移動機構控制簡單、結構緊湊，其移動性能可以達到很多工業(yè)應用的要求，且通過和特定機構的復合（如主動關節(jié)），即可取得非常好的移動性。

C）很多工業(yè)應用要求爬壁機器人能夠連續(xù)快速運動，這也是輪式和混合式移動機構的優(yōu)勢。

表3　典型的吸附和運動機構

2.2 其他關鍵技術

爬壁機器人從控制自主程度上可以分為遠程遙控、半自主控制和自主控制三種。從工業(yè)應用的角度來說，現(xiàn)有的爬壁機器人主要采用遠程遙控手動操作模式。但是隨著技術的發(fā)展，半自主控制模式將得到越來越廣闊的應用。在半自主控制模式下，由人進行高級層面的決策和規(guī)劃，

機器人根據(jù)人規(guī)劃的特定任務進行局部的自主運行。

由于爬壁機器人主要應用于制造、檢測等作業(yè)，這要求機器人能夠在3D壁面精確定位，并能根據(jù)作業(yè)任務自主規(guī)劃作業(yè)路徑和進行運動控制。為進行此類作業(yè)，相對一般的移動機器人來說，爬壁機器人對定位精度的要求更高，如焊接時要求機器人末端軌跡精度小于1mm。在工業(yè)環(huán)境里，可以考慮通過利用已有的環(huán)境特征或設置標識來實現(xiàn)精確定位；在標識不可用的情況下，則要求研究適用于爬壁機器人的高精度3D SLAM技術，這需要進行視覺傳感器、距離傳感器以及里程傳感器等多傳感信息的融合。

如果爬壁機器人必須無纜作業(yè)，還需要研究在（半）封閉或屏蔽復雜現(xiàn)場環(huán)境下高可靠的無線通信技術以及高能量密度的動力技術。

另外，爬壁機器人往往在復雜、危險的現(xiàn)場環(huán)境下作業(yè)，如何保證爬壁機器人運行的安全性和可靠性也是實現(xiàn)規(guī)?；I(yè)應用的前提。

3　結語

爬壁機器人在能源行業(yè)涉及的海洋石油平臺、船舶、管道、儲罐以及大型發(fā)電設備等設施的建造以及在役檢修維護方面應用前景廣闊，目前已有爬壁機器人產(chǎn)品在上述領域得到了應用。但是，相對于應用需求來說，現(xiàn)有產(chǎn)品種類和功能還比較單一，應用推廣的普及程度也遠遠不夠。為實現(xiàn)爬壁機器人在能源行業(yè)的規(guī)?；瘧茫枰攸c研究高度安全可靠的、經(jīng)濟的爬壁機構技術、控制技術以及與應用系統(tǒng)的集成技術。

參考文獻

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