鄭東梅 王慶喜

摘要：本文通過對國內(nèi)外磁吸附爬壁機器人以及控制系統(tǒng)的研究進行分析，探討國內(nèi)外在爬壁機器人研究中的新技術，洞察爬壁機器人未來的發(fā)展趨勢，從而為我國爬壁機器人的進一步研究提供可靠的參考依據(jù)。

關鍵詞：爬壁機器人；磁吸附；控制系統(tǒng)；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

中圖分類號： TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

一、磁吸附爬壁控制系統(tǒng)的研究意義

隨著現(xiàn)代技術的不斷發(fā)展和人的觀念的更新，對于一些高危工作和繁重勞動人們逐漸開始用科技的眼光審視，因此爬壁機器人便應用而生。爬壁機器人作為一種特種機器人，能夠在高、陡的壁面上作業(yè)，替代了人的工作，實現(xiàn)了人類的解放。爬壁機器人于1966年由日本的西亮教授研制成功，并且實現(xiàn)了地面的移動和吸附技術兩者之間的融合，提高機器人在垂直墻壁上的運動功能，爬壁機器人應用的領域十分的廣泛，主要分為6個重要的行業(yè)。在核工業(yè)中的應用主要是檢測核反應堆，對核廢液儲罐的壁厚和焊縫進行檢查。在石化工業(yè)中的應用主要是在立式和球形的金屬罐表面以及內(nèi)壁進行噴漆和噴砂作業(yè)，目的是為了防腐和除銹在建筑行業(yè)的應用主要是對高層建筑外表面的瓷磚、玻璃進行清洗。在造船業(yè)中的應用主要是在大型的船舶表面進行噴漆和除銹等作業(yè)。在消防部門的應用主要是傳送救援的物資等。在偵查活動中主要用于軍事的反恐，能夠嵌入到敵人的內(nèi)部進行環(huán)境的監(jiān)測。

二、磁吸附爬壁控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自從日本第一個爬壁機器人誕生以來，爬壁機器人便獲得了良好的發(fā)展前景。之后在一些發(fā)達國家相繼被研究。我國爬壁機器人的研制是從20世紀80年代開始的，國內(nèi)的許多高等院校和研究結構開始投入對爬壁機器人的研究，并且出現(xiàn)了多種型號的爬壁機器人，有些在一些生產(chǎn)行業(yè)中應用十分廣泛。

（一）國外研究綜述

爬壁機器人主要分為真空吸附和磁吸附兩種方式，其中我國對真空吸附爬壁機器人的研究比較多，但缺少對磁吸附爬壁機器人的研究，并且與日本等發(fā)達國家相比明顯落后。日本在掌握了真空吸附技術的前提下，研制出一種真空吸附爬壁機器人（VACS），并且在生產(chǎn)領域中廣泛應用。該類型的機器人主要采用履帶式的移動方式，在履帶上安裝了多個的吸盤室。在真空吸附爬壁機器人研制成功之前，日本的公司還研制出一臺Wall Cleaner的真空吸附移動機器人，主要用于核電站中。日本國際機器人公司成功研制出一臺能夠清洗窗戶的爬壁機器人——“真空勇士”，該機器人主要采用的也是真空吸附的方式，采用腳式移動方式。（如圖1所示）

日本的石川島播磨重工業(yè)公司研制的磁吸附爬壁機器人，采用磁吸附和輪式——四輪行走的移動方式，主要包含兩個永磁盤式輪和吸附結構，在運行時最大的速度為每分鐘達到10厘米，負載能夠最大可以達到25千克。Hagen Schempfi等研制出的爬壁機器人主要采用履帶式的移動方式，采用無線遙控以及PID進行控制。在機器人的控制系統(tǒng)中主要設定了機器人的移動軌跡，并且具有簡單的人機操作界面，能夠?qū)C器人自身的工作狀態(tài)和情況顯示出來，這樣能夠更加方便對機器人的運動進行合理的規(guī)劃和控制。

（二）國內(nèi)研究綜述

我國對爬壁機器人的研究開始于20世紀80年代，已經(jīng)被廣泛應用于生產(chǎn)當中，發(fā)揮了重要的作用和價值。國內(nèi)爬壁機器人主要應用于油罐的檢測以及船舶的噴漆和除銹等，替代人的高空作業(yè)。哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所自1988年以來研制出多種類型的爬壁機器人，吸附方式多種多樣。BF-I型爬壁機器人主要用于清理工作中，檢測核廢液儲罐罐壁厚的情況，主要的吸附方式為負壓吸附，控制系統(tǒng)采用遙控，能夠在儲罐壁上自由移動，檢查油罐的焊縫以及壁厚情況。該機器人還配備了許多的功能設備，如照明系統(tǒng)和清掃系統(tǒng)等，能夠?qū)C器人的運行狀態(tài)進行檢查，完成清理工作。CLR-I型爬壁機器人采用的是負壓吸附方式，由遙控和OLC進行控制操作。CLR-II型爬壁機器人是專門為了清理高層建筑外觀玻璃而設計的，采用負壓吸附和兩輪移動，采用計算機、電力載波通信以及遙控盒作為控制系統(tǒng)的重要組成部分，并且配備了噴霧、擦洗等裝置，提高工作的效率。1995年研制出我國第一臺磁吸附履帶式爬壁機器人，主要用于噴漆和防腐，如圖2所示。

該類型機器人采用雙履帶以及永磁吸附和遙控控制方式相結合，能夠在重金屬的罐壁上移動，依靠雙履帶的正反移動進行轉彎，主要的任務是在重金屬罐壁上進行噴漆、清理和除銹等。哈爾濱大學還研制出一種水冷壁清掃和檢查的爬壁機器人，該機器人主要采用雙履帶式和永磁吸附方式相結合，控制系統(tǒng)采用PLC和有線遙控組成，運行中主要對管壁進行清理和除渣，超聲探頭還能夠測量管壁的厚度。

清華大學實驗室研制出一種爬壁機器人主要用于對油罐的自動檢測，采用遙控控制系統(tǒng)，永磁吸附方式，工控機加上兩層的運動控制，能夠在油罐壁上自由的移動，對油罐壁進行清理和除銹。上海交通大學研制出爬壁機器人能夠檢測油罐的容積狀況，該機器人根據(jù)油罐的性質(zhì)采用履帶式移動方式，主要是油罐的內(nèi)壁上有一層油膜，且具有凸起的焊縫，采用永磁吸附的方式具有較高的吸附能力。該機器人能夠檢測到油罐的容積，在罐壁上自由行走。

三、爬壁機器人發(fā)展趨勢

隨著科技發(fā)展進步，爬壁機器人呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢。從吸附的方式上來看，目前主要有磁吸附和真空吸附。但英美等發(fā)達國家在研究壁虎爬行原理的基礎上研究出一種壁虎腳趾的仿生物質(zhì)，這樣爬壁機器人的吸附方式就不會受限。從移動的方式上看，目前主要廣泛應用的有履帶式和輪式，在未來的發(fā)展中將會大力研發(fā)足式移動方式，該方式與壁面的接觸面積較小，且支撐點較多，如果能夠深入的研究，足式移動方式將會獲得良好的發(fā)展前景。從控制系統(tǒng)上看，呈現(xiàn)出小型化和微型化的發(fā)展趨勢。無纜化將會成為爬壁機器人未來的主要發(fā)展方向之一，無纜化能夠?qū)崿F(xiàn)對爬壁機器人的靈活控制，接受的裝置也有更大的選擇余地。

結語：爬壁機器人作為科技進步和發(fā)展的重要研究成果之一，在國內(nèi)外都得到過不同的研究和應用，并且隨著科技的不斷發(fā)展，爬壁機器人的控制系統(tǒng)將會更加的完善，也會更加程度上將人類從繁重的勞動中解放出來。

參考文獻：

[1]呂瓊瑩，王曉博，焦海坤等.針對風電維護任務的小型磁力爬壁車的設計[J].長春理工大學學報（自然科學版），2013，（3）：88-91.

[2]張小松.輪式懸磁吸附爬壁機器人研究（應用研究型）[D].哈爾濱工業(yè)大學，2012.