房欣欣

（廣東碧品居建筑工業(yè)化有限公司，廣東 佛山528000）

近年來，高層建筑物越來越多，隨之也產(chǎn)生了諸如幕墻清洗、外墻噴涂、外墻保溫等的一系列高空作業(yè)。高空作業(yè)即指工人借助于吊籃、吊繩、腳手架等在超過兩米的高處進行作業(yè)。高空作業(yè)危險性較高，傷亡事故很難避免，且對工人的身體、心理素質(zhì)都要求較高。且由于工人在高空中處于欠約束狀態(tài)，作業(yè)的效率、質(zhì)量很難保證。因而高空作業(yè)機器人有著較為廣闊的應(yīng)用市場，其大力推廣將成為必然。

高空作業(yè)機器人根據(jù)其工作方式主要分為四種：懸架吊籃式、爬壁式、并聯(lián)柔索式及復(fù)合式。懸架吊籃式高空作業(yè)機器人是由現(xiàn)在建筑工地上常用的人工吊籃發(fā)展而來的，它主要由屋面懸架和空中吊籃兩大部分組成，二者通過鋼絲繩相連，吊籃的升降運動借助懸架上卷軸器的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)，吊籃的水平運動借助于懸架的橫向行走實現(xiàn)。由于吊籃內(nèi)空間較大，因而此類機器人一般用于承載量較大的場合。吊籃在作業(yè)時只受到鋼絲繩和壁面的約束作用，極易在氣流、核心末端作業(yè)裝置運動、反沖等擾動的影響下，發(fā)生晃動，偏離穩(wěn)定狀態(tài)，因而如何提高作業(yè)穩(wěn)定性是此類高空作業(yè)機器人的研究難點。提高作業(yè)穩(wěn)定性的方法有多種，如安裝螺旋槳增大推力、增加質(zhì)量塊平衡執(zhí)行機構(gòu)運動慣性、柔性吸附壁面等。爬壁式高空作業(yè)機器人沒有鋼絲繩牽引，借助于磁、負壓、推力、仿生等吸附方式在壁面上自行運動，此類機器人一般結(jié)構(gòu)緊湊，承載量較小，運動較為靈活。2007年，哈工大學(xué)成功研發(fā)了一款反恐偵察爬壁機器人。該機器人采用單吸盤負壓吸附方式，機器人總重8 kg，行進速度10 m/min，可在多種相對光滑的壁面上運動。并聯(lián)柔索式高空作業(yè)機器人的四個點上各捆綁了一條柔鎖，通過改變各條柔索的長度即可使機器人沿壁面的各個方向運動，此類機器人運動速度快、精度高，但控制較為復(fù)雜。復(fù)合式即采用了上述任意兩種方式的高空作業(yè)機器人。

吸附方式、行走方式、越障方式是高空作業(yè)機器人最重要的三個研究方向。三者決定了機器人可以在何種壁面上工作，工作的可靠性以及最大承載力等。

目前，常用的吸附方式主要有磁吸附、負壓吸附、推力吸附、仿生吸附四種。磁吸附要求壁面材質(zhì)必須為導(dǎo)磁面，可采用永磁鐵或電磁鐵產(chǎn)生磁力。磁吸附式高空作業(yè)機器人現(xiàn)已在船舶、油罐的除銹、檢測等方面有了一定的應(yīng)用。負壓吸附通常采用真空泵或離心風(fēng)機配合吸盤實現(xiàn)，此種方式可擺脫對壁面材質(zhì)的要求，但其對壁面的平整度、清潔度、干燥度要求較高，壁面凹凸不平或者灰塵較多或者有水都會導(dǎo)致吸盤可靠性降低，且吸盤存在漏氣風(fēng)險?，F(xiàn)國內(nèi)已有多家公司研發(fā)了負壓吸附式幕墻清潔機器人，使用效果較佳。常見的推力吸附實現(xiàn)方式為在機器人背部對稱布置若干個螺旋槳，根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系，螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)會使周圍氣流對機器人產(chǎn)生較大的推力，此原理同飛機上升方式。除了螺旋槳，還可以采用涵道風(fēng)機為機器人提供推力。如需較大推力，則需選用功率較大的電機來驅(qū)動螺旋槳或涵道風(fēng)機，且工作噪聲較大。仿生吸附是目前較為熱門的一個研究方向。壁虎腳上長著數(shù)以百萬計的細長剛毛，這些剛毛與壁面分子間累積的范德華力使壁虎對各種壁面有著超強的黏附力。實驗證明壁虎足對平整木板和玻璃的切向黏附力可達7～10 N/cm2。當剛毛與壁面成30°角時，二者會突然發(fā)生脫離。目前應(yīng)用仿生吸附方式的高空作業(yè)機器人尚處于實驗室階段。

高空作業(yè)機器人的行走方式可分為履帶式、足式、輪式三種。對于履帶式高空作業(yè)機器人，可以將吸附組件安裝于履帶上，因此它的最大優(yōu)點是與壁面的接觸面積較大，對壁面的吸附力更大，但其越障較困難。輪式運動速度快，轉(zhuǎn)彎靈活，但其越障較困難。足式越障能力強，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。因此現(xiàn)在出現(xiàn)了輪足復(fù)合式高空作業(yè)機器人，兼顧了運動靈活和越障能力強的優(yōu)點。

通常，建筑物壁面上會有裝飾臺階、遮雨檐等凸出物，這就要求高空作業(yè)機器人必須具備越障能力。要實現(xiàn)越障，首先要識別障礙，通常借助于機器視覺或者BIM（Building Information Modeling）技術(shù)來實現(xiàn)。在機器人身上安裝工業(yè)相機，通過拍照、圖像處理，識別運動路徑中的障礙物，并根據(jù)預(yù)先編寫好的程序行進越障。BIM即建筑信息模型，它借助計算機技術(shù)建立了包含整個建筑物完整數(shù)據(jù)信息的3D參數(shù)化模型，可以在位置信息服務(wù)領(lǐng)域為機器人的室內(nèi)室外導(dǎo)航提供數(shù)據(jù)支持。首先，機器人向服務(wù)器發(fā)送請求，請求內(nèi)容包含待作業(yè)建筑物的標號及所需提供的具體參數(shù)，針對高空作業(yè)機器人所請求的具體參數(shù)即指壁面障礙物位置、尺寸。然后服務(wù)器生成待作業(yè)建筑物的BIM模型，并將此模型參數(shù)化，根據(jù)機器人要求提取相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建壁面地圖。然后服務(wù)器根據(jù)構(gòu)建好的地圖和作業(yè)起始點，對機器人進行壁面路徑規(guī)劃。待服務(wù)器將規(guī)劃好的路徑正式下發(fā)后，機器人開始正式工作。越障主要分為跨越越障和蠕動越障兩種?？缭皆秸项愃朴谌丝玳T檻，最常見的是交錯足結(jié)構(gòu)，即機器人有前后對稱的一對或多對足，在作業(yè)過程中總有半數(shù)足在壁面上。當遇到障礙時，前足直接跨過去，跨過去的過程是先后退遠離壁面，然后沿行進方向伸長，最后靠近壁面。蠕動越障類似于軟體動物爬行，最常見的是多節(jié)式結(jié)構(gòu)，即機器人的行走機構(gòu)有多節(jié)構(gòu)成，相鄰兩節(jié)之間可相對轉(zhuǎn)動。當遇到障礙時，機器人一節(jié)一節(jié)地沿著障礙物的輪廓爬行。

高空作業(yè)機器人想要得到快速發(fā)展，安全性、可靠性、智能化是要解決的重要問題。安全性是指其高空掉落的風(fēng)險性大小、高空掉落的應(yīng)急方案。對于有柔索牽引的高空作業(yè)機器人，柔索存在斷裂或忽升忽降的風(fēng)險；對于沒有柔索牽引的高空作業(yè)機器人，它是依靠各種吸附方式貼在壁面上的，而吸附方式存在失效的風(fēng)險?？赏ㄟ^配置安全繩、多層吸附裝置等方式避免高空掉落事故的發(fā)生?？煽啃允侵钙鋵Σ煌诿嬉约案鞣N惡劣作業(yè)環(huán)境，如大風(fēng)、大雨的適應(yīng)性。在不同壁面、不同作業(yè)環(huán)境中，機器人的作業(yè)效率、作業(yè)質(zhì)量都需要滿足要求，并且能夠?qū)r進行判斷，在惡劣工況下，應(yīng)能立即停止工作，返回安全位置。智能化是指其能根據(jù)指令自主規(guī)劃最優(yōu)作業(yè)路徑，順利通過壁面障礙物，無須人工干預(yù)。智能化是高空作業(yè)機器人普及的重要條件，它對機器人的導(dǎo)航定位控制算法有著很高的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高空作業(yè)機器人必將取代“蜘蛛人”，這將是人類歷史上又一重大進步。