譯文：爬壁機器人發(fā)展趨勢1.引言：爬壁機器人是移動機器人領(lǐng)域的一個重要分支,可在垂直壁面上靈活移動,代替人工在極限條件下完成多種作業(yè)任務(wù),是當前機器人領(lǐng)域研究的熱點之一。它主要應(yīng)用于核工業(yè)、石化工業(yè)、造船業(yè)、消防部門及偵查活動等,如對高樓外壁面進行清洗,對石化企業(yè)中的儲料罐外壁進行檢測和維護,對大面積鋼板進行噴漆,以及在高樓事故中進行搶險救災(zāi)等，并且取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益，具有廣闊的發(fā)展前景。經(jīng)過 30 多年的發(fā)展,爬壁機器人領(lǐng)域已經(jīng)涌現(xiàn)出一大批豐碩的成果,特別是20 世紀 90 年代以來,國內(nèi)外在爬壁機器人領(lǐng)域中的發(fā)展尤為迅速。近年來,由于多種新技術(shù)的發(fā)展,爬壁機器人的許多技術(shù)難題得到解決,極大地推動了爬壁機器人的發(fā)展。在我國各高校機器人設(shè)計活動也已經(jīng)很廣的開展起來，這種氛圍對我國機器人的研制開發(fā)特別以及專業(yè)方面人才的培養(yǎng)是具有積極意義的。2.國外爬壁機器人研究現(xiàn)狀1966 年日本的西亮教授首次研制成功壁面移動機器人樣機,并在大阪府立大學表演成功。這是一種依靠負壓吸附的爬壁機器人。隨后出現(xiàn)了各種類型的爬壁機器人,到 80 年代末期已經(jīng)開始在生產(chǎn)中應(yīng)用。日本在開發(fā)爬壁機器人方面發(fā)展最為迅速,主要應(yīng)用在建筑行業(yè)與核工業(yè)。如：日本清水建設(shè)公司開發(fā)了建筑行業(yè)用的外壁涂裝與貼瓷磚的機器人,他們研制的負壓吸附清洗玻璃面的爬壁機器人,曾為加拿大使館清洗。東京工業(yè)大學開發(fā)了無線遙控磁吸附爬壁機器人。在日本通產(chǎn)省"極限作業(yè)機器人"國家研究計劃支持下,日暉株式會社開發(fā)了用于核電站大罐的負壓吸附壁面檢查機器人等。其他各國也加入到爬壁機器人研究的熱潮中如：美國西雅圖的 Henry R Seemann 在波音公司的資助下研制出一種真空吸附履帶式爬壁機器人“AutoCrawler”。其兩條履帶上各裝有數(shù)個小吸附室,隨著履帶的移動,吸附室連續(xù)地形成真空腔而使得履帶貼緊壁面行走。美國 CaseWestern Reserve University 研制的采用 4 個“腿輪”的爬壁機器人樣機。與前兩種機器人相似,該機器人依靠 4 個“腿輪”上的仿生粘性材料來吸附,樣機不同的是這 4 個腿輪上腳掌的特殊分布更有利于機器人在壁面上穩(wěn)定爬行。該機器人質(zhì)量僅有 87 g。20 世紀 90 年代初,英國樸次茅斯工藝學校研制了一種多足行走式的爬壁機器人。采用模塊化設(shè)計,機器人由兩個相似的模塊組成,每個模塊包括兩個機械腿和腿部控制器。可根據(jù)任務(wù)需要來安裝不同數(shù)量的腿,可重構(gòu)能力強。機械腿采用仿生學機構(gòu),模擬大型動物臂部肌肉的功能,為兩節(jié)式,包括上、下兩個桿和3 個雙作用氣缸,具有 3 個自由度。穩(wěn)定性好,承載能力大,利于機器人的輕量化,并能跨越較大的障礙物。除腿端部各有一真空吸盤外,機器人腹部設(shè)有吸盤, 使機器人具有較大的負載質(zhì)量比,可達 21。3.國內(nèi)爬壁機器人研究現(xiàn)狀中國也于 20 世紀 90 年代以來進行類似的研究。1988 年在國家“863”高技術(shù)計劃的支持下,哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附兩個系列的 5 種型號壁面爬行機器人。研制成功的我國第一臺壁面爬行遙控檢測機器人,采用負壓吸附,全方位移動輪,用于核廢液儲存罐罐壁焊縫缺陷檢測。1994 年開發(fā)的用于高樓壁面清洗作業(yè)的爬壁機器人 CLR-,采用全方位移動機構(gòu),機器人在原地就可以任意改變運動方向。之后開發(fā)的 CLR-,采用兩輪獨立驅(qū)動方式同軸雙輪差速機構(gòu), 通過對兩輪速度的協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)機器人的全方位移動,機器人本體和地面控制站之間采用電力線載波通訊方式。上述 3 款爬壁機器人均采用單吸盤結(jié)構(gòu),彈簧氣囊密封,保證了機器人具有較高爬行速度和可靠的附著能力。1995 年研制成功的金屬管防腐用磁吸附爬壁機器人,采用永磁吸附結(jié)構(gòu),靠兩條履帶的正反轉(zhuǎn)移動來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。該機器人可以為石化企業(yè)金屬儲料罐的外壁進行噴漆、噴砂,以及攜帶自動檢測系統(tǒng)對罐壁涂層厚度進行檢測。1997 年研制的水冷壁清檢測爬壁機器人,呈圓弧形永磁吸附塊與罐壁圓弧相吻合,提高了吸附力,也提高了作業(yè)的效率。上海大學也較早開展高樓壁面清洗作業(yè)機器人的研究,先后研制出垂直壁面爬壁機器人和球形壁面爬壁機器人。該球形壁面爬壁機器人采用多吸盤、負壓吸附、6 足獨立驅(qū)動腿足行走方式,可用于不同曲率半徑的球形外壁 1996 年以來,北京航空航天大學先后研制成功 WASH2 MAN,CLEANBOT 1,SKYCLEAN,“吊籃式擦窗機器人”和“藍天潔寶”等幕墻清洗機器人樣機。為全氣動擦窗機器人;吊籃式清洗機器人,機器人依靠樓頂上的安全吊索牽引移動,利用風機產(chǎn)生的負壓使機器人貼附在壁面上以國家大劇院橢球形頂棚清洗為應(yīng)用背景研制的適用于復(fù)雜曲面的自攀爬式機器人樣機,由攀爬機構(gòu)、移動機構(gòu)、清機器人有許多相似之處,但由于其特殊的工作環(huán)境和任務(wù)要求,在理論和技術(shù)等方面又有一些特殊性。4. 爬壁機器人的關(guān)鍵技術(shù)：4.1 吸附機構(gòu)：吸附機構(gòu)的作用是產(chǎn)生一個向上的力來平衡機器人的重力,使其保持在壁面上。目前,吸附方式主要有真空負壓吸附、磁吸附、螺旋槳推力及粘結(jié)劑等幾種方式。由于這些吸附方式各自都有局限性,所研制的爬壁機器人往往針對性較強,只適用于某種特定任務(wù),較難通用化。機器人的設(shè)計需要針對工作任務(wù)、環(huán)境,選取合適的吸附方式。近年來,人們通過研究壁虎等爬行動物腳掌的吸附機理,制作出高分子合成的粘性材料,這些材料利用分子與分子之間的范德華力,在很小的接觸面積上就可獲得巨大的吸附力,而且具有吸附力與表面材料特性無關(guān)的優(yōu)點。但目前這些材料的使用壽命較短, 使用一定次數(shù)之后就失去粘性,難以實用化,需要進一步進行研究。4.2 移動機構(gòu)及運動控制系統(tǒng)：移動機構(gòu)及運動控制系統(tǒng)爬壁機器人的移動機構(gòu)主要有輪式、多足式、履帶式等,其中,輪式和足式使用較為廣泛,履帶式多用于磁吸附方式。越障能力是爬壁機器人壁面適應(yīng)性能的一個重要指標。當工作面上有凸起、溝槽時,機器人要通過這些障礙物,就必須有足夠的越障能力。各種移動機構(gòu)中,多足式機器人的越障能力較強,其每個腿部都置有小吸盤,當遇到障礙物時,可控制各個“腿”,使小吸盤逐個跨過障礙物。壁面機器人的移動機構(gòu)可以使機器人在可靠吸附的前提下能夠在壁面上靈活移動。由于爬壁機器人工作于壁面的特殊性,移動機構(gòu)常和吸附機構(gòu)存在耦合,這給機器人的運動控制帶來了一些困難。如多吸盤足式爬壁機器人,腿末端各有一個吸盤,每移動一個腿需要完成“消除吸力抬腿邁腿落腿產(chǎn)生吸附力”一系列動作。在此過程中,機器人移動機構(gòu)的動作要和吸附機構(gòu)相互協(xié)調(diào),才能保證機器人在壁面上的靈活移動。此外,也有移動機構(gòu)與吸附機構(gòu)分離的,如單吸盤爬壁機器人,吸盤可持續(xù)吸附,驅(qū)動輪連續(xù)運動實現(xiàn)機器人的移動,運動控制較為簡單。 4.3 能源供應(yīng)及驅(qū)動方式：能源供應(yīng)及驅(qū)動方式能源供應(yīng)方式有通過電線管路為機 器人提供電、氣等能源的方式,也有自帶電池、氣瓶等方式。驅(qū)動方式主要有電機氣動等幾種方式。爬壁機器人的設(shè)計盡量采用具有高功效質(zhì)量比的驅(qū)動器和動力源,特別是采用無線控制情況下。采用電機驅(qū)動時,能源供應(yīng)主要有聚合物鋰電池、鎳氫電池、電化學電池和燃料電池。此外,由于內(nèi)燃機的能源汽油、氫等燃料具有較高的能重比,先進的微型內(nèi)燃機也可應(yīng)用于爬壁機器人。 4.4 安全問題：機器人在受到外界干擾、環(huán)境變化情況下,如何保證機器人安全附著于壁面而不至于墜落,或墜落后如何盡量減小機器人的損傷。過去所研制的高樓清洗爬壁機器人, 大都采用由置于高樓頂上的運載小車、卷揚機構(gòu)和系在機器人上的鋼絲繩組成保險系統(tǒng)。而對于一些其他用途的機器人,比如偵查用的小型爬壁機器人,其目標并不確定,不能采用保險繩的方式,因而需要研究新的防墜落方式。可以考慮采用降落傘、小功率螺旋降落漿、快速撐起阻降板等,這些可能會成為未來爬壁機器人安全措施的發(fā)展方向。5.爬壁機器人的發(fā)展趨勢驅(qū)動、傳感、控制等硬軟件技術(shù)的發(fā)展極大地推動了爬壁機器人技術(shù)的發(fā)展,實際應(yīng)用的需求也對爬壁機器人的發(fā)展提出了挑戰(zhàn),爬壁機器人的發(fā)展趨勢歸結(jié)起來主要有以下幾方面。(1)新型吸附技術(shù)的發(fā)展。吸附技術(shù)一直是爬壁機器人發(fā)展的一個瓶頸,它決定了機器人的應(yīng)用范圍。(2)爬壁機器人的任務(wù)由單一化向多功能化方向發(fā)展。過去所研制的爬壁機器人大多用于清洗、噴涂、檢測等作業(yè),作業(yè)任務(wù)往往只局限于單一的任務(wù)。而目前人們則希望爬壁機器人能夠裝備多種工具,在不同的場合進行工作。(3)小型化、微型化是當前爬壁機器人發(fā)展的趨勢。在滿足功能要求的前提下,體積小、質(zhì)量輕的機器人可較小能耗,具有較高靈活性,并且在某些特殊場合也需要機器人具有小的體積。(4)由帶纜作業(yè)向無纜化方向發(fā)展。由于爬壁機器人的作業(yè)空間一般都較大,帶纜作業(yè)極大地限制了機器人的作業(yè)空間,所以,為了提高機器人的靈活性和擴大工作空間,無纜化成為現(xiàn)在和未來爬壁機器人的發(fā)展趨勢。(5)由簡單遠距離遙控向智能化方向發(fā)展。與人工智能相結(jié)合,使機器人在封閉環(huán)境中能夠具有一定的自主決策能力, 完成任務(wù),并具有自我保護能力,是移動機器人發(fā)展的重要方向,也是爬壁移動機器人的重要發(fā)展方向。(6)可重構(gòu)是機器人適應(yīng)能力的一項重要指標。為了使機器人能夠應(yīng)用于不同場合,根據(jù)任務(wù)需求,在不需要重新設(shè)計系統(tǒng)條件下,充分利用已有的機器人系統(tǒng),應(yīng)使機器人具有可重構(gòu)性,即具有模塊化結(jié)構(gòu)。根據(jù)任務(wù)需求,把需要的模塊直接連接起來組成新的機器人。