李宗興，袁安康，張學(xué)武，劉 軒，賀靜思，舒政捷

（石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003）

目前世界各國的制造業(yè)正向著智能制造的方向轉(zhuǎn)型，“中國制造2025”“德國工業(yè)4.0”等發(fā)展戰(zhàn)略對智能機(jī)器人的未來發(fā)展提出了新的要求[1]。作為機(jī)器人領(lǐng)域的重要分支，壁面爬行機(jī)器人結(jié)合了地面機(jī)器人移動(dòng)技術(shù)與壁面吸附技術(shù)，使機(jī)器人在垂直壁面上貼附、移動(dòng)的同時(shí)能夠完成作業(yè)任務(wù)[2]。在建筑業(yè)、船舶制造、航空航天等多方面壁面機(jī)器人都得到了廣泛的應(yīng)用，如對高樓玻璃幕墻進(jìn)行清洗、對船舶壁面進(jìn)行探傷，對飛機(jī)蒙皮進(jìn)行檢測等，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

1 壁面爬行機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自1966年日本研發(fā)了第一代壁面爬行機(jī)器人起，壁面爬行機(jī)器人便成為了機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。此后，美國、葡萄牙、加拿大等發(fā)達(dá)國家也都相繼研發(fā)了多種壁面爬行機(jī)器人；我國的壁面爬行機(jī)器人研究相比國外起步較晚，存在一定差距，自20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)諸多科研院所與高校研制出了多種壁面爬行機(jī)器人，在壁面爬行機(jī)器人領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)步。

1.1 壁面爬行機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀

日本的A.NISHI于1966年成功研制出了世界上第一臺負(fù)壓式垂直壁面爬行機(jī)器人，通過電風(fēng)扇產(chǎn)生的吸附動(dòng)力使機(jī)器人成功貼附在壁面上。1975年又研制了更為實(shí)用的單吸盤壁面爬行機(jī)器人，有效地增強(qiáng)了吸附力及爬壁的可靠性，同時(shí)推動(dòng)了多吸盤壁面爬行機(jī)器人的研究[2]。

波音公司在1989年推出了一種履帶式壁面爬行機(jī)器人（圖1），該機(jī)器人設(shè)計(jì)了嚴(yán)密的氣動(dòng)回路。利用真空吸附原理，履帶移動(dòng)時(shí)將帶動(dòng)若干個(gè)真空吸附室移動(dòng)，并通過氣動(dòng)回路使真空吸附室與壁面間形成真空，從而履帶貼緊地面，實(shí)現(xiàn)對壁面的吸附，使機(jī)器人具備較好的吸附穩(wěn)定性和較強(qiáng)的負(fù)載能力，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

圖1 履帶式壁面爬行機(jī)器人

三菱重工2002年提出了一種輪式壁面爬行機(jī)器人，該機(jī)器人采用磁吸附的方式實(shí)現(xiàn)對大型導(dǎo)磁體壁面的吸附，并可對壁面進(jìn)行檢修、清潔和粉刷等工作[3]。葡萄牙科英布拉大學(xué)Mahmoud Tavakoli等研制的三輪永磁吸附壁面爬行機(jī)器人（圖2），其磁輪上存在多個(gè)小磁鐵，可實(shí)現(xiàn)對不同曲率導(dǎo)磁體壁面的自適應(yīng)，具有較好的機(jī)動(dòng)性[4]。

圖2 葡萄牙Omni Climbers

加拿大西蒙弗雷澤大學(xué)的Menon，C等于2008年研發(fā)的仿蜘蛛型太空攀爬機(jī)器人Abigaille-I，采用仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用光刻的方式在PDMS基底刻劃粘附陣列，并在行走時(shí)提供必要的預(yù)緊力便可實(shí)現(xiàn)在60°壁面上的穩(wěn)定粘附與移動(dòng)。斯坦福大學(xué)的Mark Cutkoky研制的仿壁虎壁面爬行機(jī)器人Sticky BotⅢ，采用干性黏附材料制作腳掌，模擬了壁虎腳趾結(jié)構(gòu)并且具備微型仿生剛毛，可通過范德華力的作用實(shí)現(xiàn)對玻璃、光滑瓷磚等豎直的光滑壁面的吸附，同時(shí)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人四肢使機(jī)器人在壁面上移動(dòng)[4]。

1.2 壁面爬行機(jī)器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國壁面爬行機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代，在“863”計(jì)劃的支持下，哈爾濱工業(yè)大學(xué)率先研發(fā)出我國第一臺垂直壁面爬行機(jī)器人，之后又相繼研制了CLR-I、CLR-II型的壁面清潔機(jī)器人。前者采用了全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的原地轉(zhuǎn)向；后者將單吸盤吸附與車輪運(yùn)動(dòng)組合，同時(shí)協(xié)調(diào)兩車輪的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方位移動(dòng)，具有良好的吸附穩(wěn)定性[2]。

北京航空航天大學(xué)研制了一種多足式壁面清洗機(jī)器人（圖3），該機(jī)器人主要由移動(dòng)平臺、清洗裝置和地面控制平臺組成，通過控制平臺對機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，利用多足式吸盤機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)壁面上的吸附與移動(dòng)，自動(dòng)化程度較高，避障能力強(qiáng)，但移動(dòng)緩慢[5]。

圖3 多足式壁面清洗機(jī)器人

南京航空航天大學(xué)的陳磊等研制了一種負(fù)壓式飛機(jī)蒙皮檢測機(jī)器人，壁面爬行機(jī)器人在變曲率壁面上的自適應(yīng)控制進(jìn)行了研究。通過對機(jī)器人曲面姿態(tài)控制器、吸盤組吸附力控制系統(tǒng)、機(jī)器人外部輔助定位模塊及聲源定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及機(jī)器人的曲面步態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)蒙皮的無損探傷[6]。

大連海事大學(xué)衣正堯等研制了一種永磁真空混合吸附式壁面除銹機(jī)器人（圖4），該機(jī)器人通過履帶上的永磁體實(shí)現(xiàn)對船舶壁面的吸附，并可根據(jù)爬壁高度的變化實(shí)現(xiàn)對負(fù)載管路質(zhì)量及重心的自動(dòng)調(diào)節(jié)。在垂直壁面工作時(shí)，該機(jī)器人的爬壁高度不低于30 m，穩(wěn)定性較好[7]。

圖4 船舶壁面除銹機(jī)器人

西安理工大學(xué)劉彥偉等人基于毛蟲腹足對抓機(jī)理研制了一種爪刺對抓式壁面爬行機(jī)器人，通過凸輪、滾輪的配合驅(qū)動(dòng)爪刺對垂直壁面進(jìn)行連續(xù)的抓附、脫附，且由于抓附和脫附動(dòng)作均在平行于壁面的狀態(tài)下執(zhí)行，抓附穩(wěn)定且易于脫附[8]。

2 壁面爬行機(jī)器人的技術(shù)現(xiàn)狀

目前壁面爬行機(jī)器人為適應(yīng)特定工作環(huán)境、完成攀爬作業(yè)任務(wù)，主要進(jìn)行以下研究內(nèi)容。

2.1 吸附方式

壁面爬行的前提要求機(jī)器人與工作表面有良好的吸附性能，能夠穩(wěn)定地保持在壁面上。目前，真空吸附、磁吸附、仿生吸附等吸附技術(shù)是壁面爬行機(jī)器人的主要研究方向。真空吸附主要適用于光滑大平壁，吸附能力較強(qiáng)，但吸盤氣密性要求較高；磁吸附則需要保證相對運(yùn)動(dòng)表面為鐵磁性材料，更能適應(yīng)所需吸附力較大的壁面，包括永磁吸附和電磁吸附；仿生吸附承載能力一般，但對于體積較小的爬行裝置具有很好的應(yīng)用前景，且仿生學(xué)理論的應(yīng)用是現(xiàn)階段壁面爬行機(jī)器人吸附方式的熱門研究領(lǐng)域[9]。綜上所述，目前正在研究的吸附方式都有自身的亮點(diǎn)和局限，針對不同的工作環(huán)境和需求采用合適的吸附方式完成特定任務(wù)。

2.2 移動(dòng)方式

現(xiàn)階段，壁面爬行機(jī)器人主要以履帶式、足式和輪式等移動(dòng)方式開展壁面爬行的研究。履帶式運(yùn)動(dòng)的突出優(yōu)勢是具有較強(qiáng)的越障性能，可適應(yīng)凹凸不平的壁面，但自身重量較大、工作效率低；足式運(yùn)動(dòng)能夠滿足各種地形條件，但行進(jìn)速度緩慢且易側(cè)翻；輪式運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)效率較高，更容易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、前進(jìn)和后退，但其越障和地形適應(yīng)能力較差。

2.3 吸附裝置與移動(dòng)裝置的復(fù)合

目前壁面爬行機(jī)器人吸附裝置與移動(dòng)裝置的突出問題常表現(xiàn)為兩者易發(fā)生工作復(fù)合，較大的吸附力是該機(jī)器人能夠在壁面爬行的前提，而移動(dòng)又要突破吸附力，故壁面爬行機(jī)器人在吸附穩(wěn)定性與運(yùn)動(dòng)靈活性之間存在矛盾。因此在設(shè)計(jì)過程中需要根據(jù)工作環(huán)境及任務(wù)考慮吸附裝置與移動(dòng)裝置的適用范圍，選擇合適的吸附方式與移動(dòng)方式進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。

3 壁面爬行機(jī)器人的發(fā)展趨勢

近年來，城市中的高層建筑層出不窮，因此需要大量人工來進(jìn)行墻壁的粉刷、噴涂和清潔等高空危險(xiǎn)作業(yè)。壁面爬行機(jī)器人作為高空極限作業(yè)的自動(dòng)化機(jī)械裝置，能夠代替人工完成高強(qiáng)度高危險(xiǎn)性作業(yè)，因此隨著科技創(chuàng)新的發(fā)展，對于壁面爬行機(jī)器人的研究將更為深入，朝著更為實(shí)用化的方向發(fā)展。壁面爬行機(jī)器人的發(fā)展趨勢可總結(jié)為以下幾個(gè)方面。

3.1 吸附與爬行的相互適應(yīng)性

壁面爬行機(jī)器人的工作面與地面成一定角度，這要求該機(jī)器人具有較大吸附力的同時(shí)能夠爬行自如。目前壁面爬行機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu)與移動(dòng)機(jī)構(gòu)之間多存在耦合情況，如多足式爬壁機(jī)器人，其腿部串并聯(lián)的設(shè)計(jì)和足部的吸盤設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，工作時(shí)需要完成“穩(wěn)定吸附-抬起腿部-邁開腿部-落下腿部-穩(wěn)定吸附”一系列步驟。而現(xiàn)有吸附方式與移動(dòng)方式在試驗(yàn)階段存在矛盾，穩(wěn)定吸附的同時(shí)難以移動(dòng)，靈活移動(dòng)的同時(shí)難以吸附，因此在今后的研究過程中要保證壁面爬行機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu)與移動(dòng)機(jī)構(gòu)相互協(xié)調(diào)適應(yīng)。

3.2 單一功能向多功能化過渡

現(xiàn)有的壁面爬行機(jī)器人多進(jìn)行清潔、檢測、除銹等作業(yè)，多完成單一工序，需要多種壁面爬行機(jī)器人完成一套任務(wù)。未來將以壁面爬行機(jī)器人為載體向著多功能化、作業(yè)模塊集成化方向發(fā)展，在提高工作效率的同時(shí)大大提高壁面爬行機(jī)器人的有效利用率。

3.3 帶纜作業(yè)向無纜作業(yè)發(fā)展

當(dāng)壁面爬行機(jī)器人進(jìn)行大型作業(yè)時(shí)，為保證長時(shí)間連續(xù)工作，需要外界為機(jī)器人帶纜作業(yè)提供吸附與爬行所需的能量。但在工作過程中易造成線纜纏繞、纜繩過度磨損等問題，因此為減輕壁面爬行機(jī)器人負(fù)重和降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，無纜作業(yè)是壁面爬行機(jī)器人未來發(fā)展的必然趨勢。

3.4 輕量便攜一體化發(fā)展趨勢

在保證機(jī)器人結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性的前提下，最大程度地減低壁面爬行機(jī)器人的質(zhì)量，不僅能夠保證壁面爬行機(jī)器人吸附穩(wěn)定性，而且有利于降低運(yùn)行阻力、節(jié)省制動(dòng)所需能量。通過優(yōu)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采用新型材料以使機(jī)器人變得輕量便攜。

3.5 三維空間表面無障礙攀爬

目前壁面爬行機(jī)器人的工作方式僅適用于特定平面，如真空吸附適用于光滑大平壁，磁吸附要求相對運(yùn)動(dòng)表面為鐵磁性材料等。由于工況條件復(fù)雜多樣，現(xiàn)有的吸附技術(shù)和爬行技術(shù)僅能適應(yīng)特殊情況，可實(shí)施的作業(yè)條件有限，因此為應(yīng)對各種工作環(huán)境，未來新型吸附和爬行關(guān)鍵技術(shù)是研究的重點(diǎn)。

3.6 智能化自動(dòng)化精準(zhǔn)化控制

利用人工智能、機(jī)器視覺和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，借助傳感器、控制算法等實(shí)現(xiàn)壁面爬行機(jī)器人環(huán)境認(rèn)知、圖像處理、自主作業(yè)。通過集成多功能模塊，進(jìn)行信息處理、分析判斷、操作控制以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化工作，未來的壁面爬行機(jī)器人能根據(jù)復(fù)雜的工作環(huán)境和需求完成自主化任務(wù)。