趙彥文+黎開虎

摘 要： 爬壁機(jī)器人可以吸附在不同材質(zhì)的垂直或者傾斜面上，進(jìn)行各種極限條件下的作業(yè)任務(wù)，氣壓吸附和磁吸附方式是爬壁機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域最成熟應(yīng)用最廣泛的吸附方式。

關(guān)鍵詞： 機(jī)器人；爬壁；吸附

前言

爬壁機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，它把地面移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)與吸附技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，可在垂直壁面上附著爬行，并能攜帶工具完成一定的作業(yè)任務(wù)，大大擴(kuò)展了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。本文將著重對(duì)爬壁機(jī)器人氣壓吸附及磁力吸附的專利技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行梳理。

1.爬壁機(jī)器人吸附方式概述

攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要針對(duì)工作任務(wù)、環(huán)境，選擇合適的吸附方式。目前，吸附方式主要有氣壓吸附、磁吸附、仿生吸附以及靜電吸附，這些吸附方式有各自的優(yōu)勢(shì)，也有各自的局限性，所研制的爬壁機(jī)器人往往針對(duì)性較強(qiáng)，例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，在金屬等材料相互混雜的壁面上主要采用靜電吸附，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。各種吸附方式的性能對(duì)比，參見表1。

2.氣壓吸附及磁吸附的發(fā)展路線

2.1 氣壓吸附

真空吸附法是通過真空發(fā)生裝置，使吸盤內(nèi)腔產(chǎn)生負(fù)壓，機(jī)器人利用吸盤內(nèi)外的壓力差貼附在壁面上。真空吸附法由于不受壁面材質(zhì)的限制，適應(yīng)范圍廣，但當(dāng)壁面凹凸不平時(shí)吸盤容易漏氣，從而吸附力下降，承載能力降低。推力吸附借鑒了航空技術(shù)，使用螺旋漿或涵道風(fēng)扇產(chǎn)生合適的推力，使機(jī)器人穩(wěn)定、可靠地貼附在壁面上，并在壁面上移動(dòng)。這種吸附方式具有壁面適應(yīng)性好，越障容易等優(yōu)點(diǎn)，但控制系統(tǒng)復(fù)雜。

在氣壓方面，從最初的日本大阪府立工學(xué)部的西亮教授于1966年研制出來的垂直壁面移動(dòng)機(jī)器人樣機(jī)，利用電風(fēng)扇進(jìn)氣側(cè)的低壓作用作為吸附力開始，一直到1973年才有正式記錄的專利申請(qǐng)，即專利申請(qǐng)?zhí)枮镴P4607373A的由日本的本田技研工業(yè)株式會(huì)社申請(qǐng)的利用風(fēng)扇吸氣產(chǎn)生內(nèi)部外部壓力差的爬壁機(jī)器人，后期針對(duì)氣壓的爬壁機(jī)器人進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，但問題在于，這些改進(jìn)更多的是集中在爬壁機(jī)器人的行走方式上，而對(duì)于吸附方式卻沒有實(shí)際意義的革命性發(fā)展；到1995年由本田技研工業(yè)株式會(huì)社就利用負(fù)壓吸盤進(jìn)行吸附的爬壁機(jī)器人申請(qǐng)了專利，專利申請(qǐng)?zhí)枮镴P1820995A；之后的一段時(shí)間內(nèi)針對(duì)單吸盤與多吸盤的氣壓式吸附爬壁機(jī)器人專利申請(qǐng)量很大，而這些申請(qǐng)里大多是利用輪式、履帶式作為行走方式的；到2001年，有ASPECT與日立公司聯(lián)合申請(qǐng)的利用真空泵抽出吸盤內(nèi)的氣體，利用真空的低壓進(jìn)行吸附的爬壁機(jī)器人，專利申請(qǐng)?zhí)枮镴P2001253768A。

在之后的發(fā)展中，中國(guó)的大專院校占據(jù)了絕對(duì)的申請(qǐng)量，在質(zhì)量上也非常的優(yōu)秀，如2007年哈爾濱工業(yè)大學(xué)申請(qǐng)的仿蜘蛛吸盤機(jī)器人，專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N200710072319；2008年北京理工大學(xué)申請(qǐng)的負(fù)壓與反推力結(jié)合實(shí)現(xiàn)的吸附方式，專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N200810227554，需要強(qiáng)調(diào)的是該專利將兩種吸附方式進(jìn)行結(jié)合，可以有效的提高吸附的成功率與穩(wěn)定性；2012年華東理工大學(xué)申請(qǐng)的針對(duì)不平墻面的非接觸吸附，專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N201010617410，該申請(qǐng)針對(duì)非平整墻面的吸附方式進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。

2.2 磁吸附

磁吸附法要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，但它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、吸附力大，對(duì)壁面的凹凸適應(yīng)性強(qiáng)，不存在氣壓吸附法的漏氣問題，因而當(dāng)壁面材料導(dǎo)磁時(shí)，使用磁吸附式爬壁機(jī)器人有它突出的優(yōu)點(diǎn)。

在磁力吸附方面，最早的申請(qǐng)來自UNIVERSAL CRAWLER CO LTD申請(qǐng)的履帶式電磁吸附爬壁機(jī)器人，專利申請(qǐng)?zhí)枮镈E2413688A，該申請(qǐng)利用履帶的連續(xù)性以及與墻壁接觸面積大的優(yōu)點(diǎn)，可以使爬壁機(jī)器人能夠向履帶式全地形車在地面上行走一樣，可以在墻壁表面持續(xù)的全方向行走，為爬壁機(jī)器人的工業(yè)推廣奠定了基礎(chǔ)；之后到1985年株式會(huì)社東芝就利用永磁體的爬壁機(jī)器人申請(qǐng)了專利，專利申請(qǐng)?zhí)枮镴P7356884A，相對(duì)于電磁吸附，永磁吸附的優(yōu)點(diǎn)在于，其可以提供持續(xù)的吸附力度，缺點(diǎn)在于磁力的開啟與切斷較難實(shí)現(xiàn)，以及吸附力的控制方面可能弱于電磁體；1992年日立金屬公司就履帶式永磁體吸附方式技術(shù)申請(qǐng)了專利，專利申請(qǐng)?zhí)枮镴P30956992。

在90年代之后，中國(guó)在磁吸附方面的專利申請(qǐng)量開始呈現(xiàn)爆發(fā)之勢(shì)，這也得益于中國(guó)在90年代開始在工業(yè)方面開始大踏步前進(jìn)，促使了工業(yè)爬壁機(jī)器人的需求量增加。2005年，清華大學(xué)就利用非接觸式永磁吸附方式的爬壁機(jī)器人申請(qǐng)了專利，專利號(hào)為CN200510086383；2010年，九江精密測(cè)試技術(shù)研究所就磁吸附與推力吸附復(fù)合吸附申請(qǐng)了專利，其利用兩種吸附方式結(jié)合的創(chuàng)新，使爬壁機(jī)器人在吸附穩(wěn)定方面取得了一定的進(jìn)步，申請(qǐng)?zhí)枮镃N201020548859；2012年浙江大學(xué)就曲面自適應(yīng)磁吸附裝置，利用了磁輪加磁塊的磁吸附方式申請(qǐng)了相關(guān)專利，專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N201210540925。

2.3氣壓吸附及磁吸附國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)趨勢(shì)

雖然國(guó)內(nèi)氣壓吸附與磁吸附爬壁機(jī)器人專利申請(qǐng)相對(duì)于國(guó)外起步略晚，但之后的發(fā)展速度很快，在2005年之后國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國(guó)外，也從側(cè)面顯示出我國(guó)在氣壓吸附及磁吸附爬壁機(jī)器人領(lǐng)域的取得了一定的成績(jī)。

3 結(jié)語

爬壁機(jī)器人吸附方式仍然是爬壁機(jī)器人研究的熱點(diǎn)，也仍然是爬壁機(jī)器人應(yīng)用推廣的瓶頸。其中，氣壓吸附和磁吸附技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在許多領(lǐng)域都有比較好的應(yīng)用，而且國(guó)內(nèi)的相關(guān)專利申請(qǐng)?jiān)凇傲俊鄙弦呀?jīng)遠(yuǎn)超國(guó)外，但是今后在“質(zhì)”方面還有更進(jìn)一步的空間。另外，需要強(qiáng)調(diào)的是仿生吸附和靜電吸附也是未來爬壁機(jī)器人吸附領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)，這需要國(guó)家和企業(yè)更多的資金投入以及高校和研究所更多的技術(shù)投入。■