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譯文：爬壁機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)1.引言：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,可在垂直壁面上靈活移動(dòng),代替人工在極限條件下完成多種作業(yè)任務(wù),是當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)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(dòng)等,如對(duì)高樓外壁面進(jìn)行清洗,對(duì)石化企業(yè)中的儲(chǔ)料罐外壁進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù),對(duì)大面積鋼板進(jìn)行噴漆,以及在高樓事故中進(jìn)行搶險(xiǎn)救災(zāi)等，并且取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jì) 90 年代以來,國(guó)內(nèi)外在爬壁機(jī)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(jī)器人的許多技術(shù)難題得到解決,極大地推動(dòng)了爬壁機(jī)器人的發(fā)展。在我國(guó)各高校機(jī)器人設(shè)計(jì)活動(dòng)也已經(jīng)很廣的開展起來，這種氛圍對(duì)我國(guó)機(jī)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(guó)外爬壁機(jī)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(dòng)機(jī)器人樣機(jī),并在大阪府立大學(xué)表演成功。這是一種依靠負(fù)壓吸附的爬壁機(jī)器人。隨后出現(xiàn)了各種類型的爬壁機(jī)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(jī)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(jī)器人,他們研制的負(fù)壓吸附清洗玻璃面的爬壁機(jī)器人,曾為加拿大使館清洗。東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)了無線遙控磁吸附爬壁機(jī)器人。在日本通產(chǎn)省"極限作業(yè)機(jī)器人"國(guó)家研究計(jì)劃支持下,日暉株式會(huì)社開發(fā)了用于核電站大罐的負(fù)壓吸附壁面檢查機(jī)器人等。其他各國(guó)也加入到爬壁機(jī)器人研究的熱潮中如：美國(guó)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(jī)器人“AutoCrawler”。其兩條履帶上各裝有數(shù)個(gè)小吸附室,隨著履帶的移動(dòng),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(guó) CaseWestern Reserve University 研制的采用 4 個(gè)“腿輪”的爬壁機(jī)器人樣機(jī)。與前兩種機(jī)器人相似,該機(jī)器人依靠 4 個(gè)“腿輪”上的仿生粘性材料來吸附,樣機(jī)不同的是這 4 個(gè)腿輪上腳掌的特殊分布更有利于機(jī)器人在壁面上穩(wěn)定爬行。該機(jī)器人質(zhì)量?jī)H有 87 g。20 世紀(jì) 90 年代初,英國(guó)樸次茅斯工藝學(xué)校研制了一種多足行走式的爬壁機(jī)器人。采用模塊化設(shè)計(jì),機(jī)器人由兩個(gè)相似的模塊組成,每個(gè)模塊包括兩個(gè)機(jī)械腿和腿部控制器?？筛鶕?jù)任務(wù)需要來安裝不同數(shù)量的腿,可重構(gòu)能力強(qiáng)。機(jī)械腿采用仿生學(xué)機(jī)構(gòu),模擬大型動(dòng)物臂部肌肉的功能,為兩節(jié)式,包括上、下兩個(gè)桿和3 個(gè)雙作用氣缸,具有 3 個(gè)自由度。穩(wěn)定性好,承載能力大,利于機(jī)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(jī)器人腹部設(shè)有吸盤, 使機(jī)器人具有較大的負(fù)載質(zhì)量比,可達(dá) 2∶1。3.國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人研究現(xiàn)狀中國(guó)也于 20 世紀(jì) 90 年代以來進(jìn)行類似的研究。1988 年在國(guó)家“863”高技術(shù)計(jì)劃的支持下,哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附兩個(gè)系列的 5 種型號(hào)壁面爬行機(jī)器人。研制成功的我國(guó)第一臺(tái)壁面爬行遙控檢測(cè)機(jī)器人,采用負(fù)壓吸附,全方位移動(dòng)輪,用于核廢液儲(chǔ)存罐罐壁焊縫缺陷檢測(cè)。1994 年開發(fā)的用于高樓壁面清洗作業(yè)的爬壁機(jī)器人 CLR-Ⅰ,采用全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu),機(jī)器人在原地就可以任意改變運(yùn)動(dòng)方向。之后開發(fā)的 CLR-Ⅱ,采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式———同軸雙輪差速機(jī)構(gòu), 通過對(duì)兩輪速度的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方位移動(dòng),機(jī)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(jī)器人均采用單吸盤結(jié)構(gòu),彈簧氣囊密封,保證了機(jī)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(jī)器人,采用永磁吸附結(jié)構(gòu),靠?jī)蓷l履帶的正反轉(zhuǎn)移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。該機(jī)器人可以為石化企業(yè)金屬儲(chǔ)料罐的外壁進(jìn)行噴漆、噴砂,以及攜帶自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)罐壁涂層厚度進(jìn)行檢測(cè)。1997 年研制的水冷壁清檢測(cè)爬壁機(jī)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(xué)也較早開展高樓壁面清洗作業(yè)機(jī)器人的研究,先后研制出垂直壁面爬壁機(jī)器人和球形壁面爬壁機(jī)器人。該球形壁面爬壁機(jī)器人采用多吸盤、負(fù)壓吸附、6 足獨(dú)立驅(qū)動(dòng)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(xué)先后研制成功 WASH2 MAN,CLEANBOT 1,SKYCLEAN,“吊籃式擦窗機(jī)器人”和“藍(lán)天潔寶”等幕墻清洗機(jī)器人樣機(jī)。為全氣動(dòng)擦窗機(jī)器人;吊籃式清洗機(jī)器人,機(jī)器人依靠樓頂上的安全吊索牽引移動(dòng),利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓使機(jī)器人貼附在壁面上以國(guó)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(jī)器人樣機(jī),由攀爬機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、清機(jī)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(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)：4.1 吸附機(jī)構(gòu)：吸附機(jī)構(gòu)的作用是產(chǎn)生一個(gè)向上的力來平衡機(jī)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(fù)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(jī)器人往往針對(duì)性較強(qiáng),只適用于某種特定任務(wù),較難通用化。機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要針對(duì)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(dòng)物腳掌的吸附機(jī)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(diǎn)。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(shí)用化,需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。4.2 移動(dòng)機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：移動(dòng)機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)爬壁機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)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(jī)器人壁面適應(yīng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)工作面上有凸起、溝槽時(shí),機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)中,多足式機(jī)器人的越障能力較強(qiáng),其每個(gè)腿部都置有小吸盤,當(dāng)遇到障礙物時(shí),可控制各個(gè)“腿”,使小吸盤逐個(gè)跨過障礙物。壁面機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以使機(jī)器人在可靠吸附的前提下能夠在壁面上靈活移動(dòng)。由于爬壁機(jī)器人工作于壁面的特殊性,移動(dòng)機(jī)構(gòu)常和吸附機(jī)構(gòu)存在耦合,這給機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制帶來了一些困難。如多吸盤足式爬壁機(jī)器人,腿末端各有一個(gè)吸盤,每移動(dòng)一個(gè)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(dòng)作。在此過程中,機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要和吸附機(jī)構(gòu)相互協(xié)調(diào),才能保證機(jī)器人在壁面上的靈活移動(dòng)。此外,也有移動(dòng)機(jī)構(gòu)與吸附機(jī)構(gòu)分離的,如單吸盤爬壁機(jī)器人,吸盤可持續(xù)吸附,驅(qū)動(dòng)輪連續(xù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng),運(yùn)動(dòng)控制較為簡(jiǎn)單。 4.3 能源供應(yīng)及驅(qū)動(dòng)方式：能源供應(yīng)及驅(qū)動(dòng)方式能源供應(yīng)方式有通過電線管路為機(jī) 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(dòng)方式主要有電機(jī)氣動(dòng)等幾種方式。爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)盡量采用具有高功效質(zhì)量比的驅(qū)動(dòng)器和動(dòng)力源,特別是采用無線控制情況下。采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí),能源供應(yīng)主要有聚合物鋰電池、鎳氫電池、電化學(xué)電池和燃料電池。此外,由于內(nèi)燃機(jī)的能源———汽油、氫等燃料具有較高的能重比,先進(jìn)的微型內(nèi)燃機(jī)也可應(yīng)用于爬壁機(jī)器人。 4.4 安全問題：機(jī)器人在受到外界干擾、環(huán)境變化情況下,如何保證機(jī)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(jī)器人的損傷。過去所研制的高樓清洗爬壁機(jī)器人, 大都采用由置于高樓頂上的運(yùn)載小車、卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)和系在機(jī)器人上的鋼絲繩組成保險(xiǎn)系統(tǒng)。而對(duì)于一些其他用途的機(jī)器人,比如偵查用的小型爬壁機(jī)器人,其目標(biāo)并不確定,不能采用保險(xiǎn)繩的方式,因而需要研究新的防墜落方式?？梢钥紤]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(huì)成為未來爬壁機(jī)器人安全措施的發(fā)展方向。5.爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)驅(qū)動(dòng)、傳感、控制等硬軟件技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了爬壁機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,實(shí)際應(yīng)用的需求也對(duì)爬壁機(jī)器人的發(fā)展提出了挑戰(zhàn),爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)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(jī)器人發(fā)展的一個(gè)瓶頸,它決定了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。(2)爬壁機(jī)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(jī)器人大多用于清洗、噴涂、檢測(cè)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(jī)器人能夠裝備多種工具,在不同的場(chǎng)合進(jìn)行工作。(3)小型化、微型化是當(dāng)前爬壁機(jī)器人發(fā)展的趨勢(shì)。在滿足功能要求的前提下,體積小、質(zhì)量輕的機(jī)器人可較小能耗,具有較高靈活性,并且在某些特殊場(chǎng)合也需要機(jī)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(jī)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(jī)器人的作業(yè)空間,所以,為了提高機(jī)器人的靈活性和擴(kuò)大工作空間,無纜化成為現(xiàn)在和未來爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。(5)由簡(jiǎn)單遠(yuǎn)距離遙控向智能化方向發(fā)展。與人工智能相結(jié)合,使機(jī)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(hù)能力,是移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的重要方向,也是爬壁移動(dòng)機(jī)器人的重要發(fā)展方向。(6)可重構(gòu)是機(jī)器人適應(yīng)能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。為了使機(jī)器人能夠應(yīng)用于不同場(chǎng)合,根據(jù)任務(wù)需求,在不需要重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)條件下,充分利用已有的機(jī)器人系統(tǒng),應(yīng)使機(jī)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(jī)器人。