爬壁機(jī)器人的行業(yè)報告

1、爬壁機(jī)器人的行業(yè)報告隨著移動機(jī)器人的迅速發(fā)展，壁面爬行機(jī)器人得到了各界的高度重視，并在軍事、工業(yè)以及民用等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。（1）建筑外墻面清洗機(jī)器人現(xiàn)階段高層建筑外墻面的清潔多采用人工高空清洗的方式，工人搭乘吊籃、升降平臺或者用安全繩的方式進(jìn)行清洗，這些方式存在工作效率低，尤其是對工人安全存在很大的隱患。而建筑外墻清洗機(jī)器人可以替代工人完成外墻清洗工作，其可以分為粗糙表面的外墻清洗機(jī)器人和玻璃表面外墻清洗機(jī)器人。（2）造船業(yè)應(yīng)用的機(jī)器人我國的船舶制造業(yè)在制造領(lǐng)域占有重要的地位，隨著海洋運輸、深海探測等迅速發(fā)展，對船舶制造技術(shù)提出了更高的要求，船舶的制造過程主要的加工工序有焊接、除銹、噴涂

2、等操作，由于這些制造過程環(huán)境極其惡劣，比如在焊接過程中，工人需要在密閉的空間中承受近60C的高溫，近年來國內(nèi)外積極推動將爬壁機(jī)器人應(yīng)用于船舶制造過程的焊接、涂裝、除銹的制造領(lǐng)域。（3）管道爬壁機(jī)器人管道在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著很重要的作用，比如石油管道、天然氣管道、化工行業(yè)應(yīng)用的各種管道、建筑物內(nèi)的通風(fēng)管道、城市管網(wǎng)、工業(yè)大型鍋爐的熱交換管道等等。應(yīng)用于管道的爬壁機(jī)器人通常有管內(nèi)爬壁機(jī)器人和管外爬壁機(jī)器人，機(jī)器人通常完成的工作任務(wù)有焊接、檢測。（4）罐體爬壁機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中，罐體在石化、冶金等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如液化石油氣、天然氣儲罐，是由若干經(jīng)過預(yù)先彎曲成球面的鋼板通過焊接而成，存儲過程中罐體受

3、到較大的工作壓力，一旦金屬罐體產(chǎn)生泄露將造成重大的安全生產(chǎn)責(zé)任事故，因此對這些壓力容器的外壁，嚴(yán)格規(guī)定了清理周期為1年，且其罐內(nèi)壁檢測檢驗的周期不超過6年，這些行業(yè)對于爬壁機(jī)器人的需求也極為迫切。1爬壁機(jī)器人的吸附方式通常情況下，爬壁機(jī)器人需要在陡峭或者垂直的壁面上行走，甚至在大于90的壁面或者天花板上面行走。因此爬壁機(jī)器人首先需要解決的問題是克服重力的作用，實現(xiàn)機(jī)器人的攀爬動作。而爬壁機(jī)器人的攀爬多采用吸附的方式。1.1磁吸附方式磁吸附的方式多應(yīng)用在攀爬的壁面是導(dǎo)磁體的場景，如造船行業(yè)的焊接爬壁機(jī)器人、除銹爬壁機(jī)器人和管道檢測機(jī)器人。浙江大學(xué)的朱世強(qiáng)等利用帶有永磁體的履帶作為機(jī)器人的吸附力來

4、源，研制了一種用于船舶壁面除銹的爬壁機(jī)器人，如圖1所示，該機(jī)器人具有吸附力大，負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點。北京理工大學(xué)的楊艷云研究了一種永磁吸附的爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人可用于風(fēng)機(jī)塔筒焊縫自動檢測，如圖2所示。聞靖研制了基于儲油罐清洗和檢測的磁吸附爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人針對機(jī)器人變磁力吸附單元進(jìn)行了研究。圖i永磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人圖2鳳機(jī)塔筒磁吸附焊接機(jī)器人磁吸附有電磁體吸附和永磁體吸附兩種。電磁體爬壁機(jī)器人的磁力是電磁鐵通電后產(chǎn)生電磁吸力，它的特點是可以通過調(diào)整通電電壓來調(diào)整電磁力的大小，但是由于需要通過電磁線圈勵磁產(chǎn)生吸力，因此需要提供額外的電源供電，且防水性能要求較高。因此該方法具有一定的局限性。1.

5、2負(fù)壓吸附方式負(fù)壓吸附是利用機(jī)器人和被吸附的壁面之間形成負(fù)壓，產(chǎn)生吸附力而實現(xiàn)吸附。該方式現(xiàn)有的技術(shù)相當(dāng)成熟，且能承受比較大的負(fù)載。但其對吸附面的粗糙度要求較高且設(shè)備笨重、噪聲大。日本的西亮于1966年利用負(fù)壓吸附技術(shù)研制出第一個能吸附在垂直壁面上的爬壁機(jī)器人樣機(jī)，1975年他采用單吸盤結(jié)構(gòu)研制了第二代爬壁機(jī)器人樣機(jī)。此后很多爬壁機(jī)器人的吸附方式均利用了真空吸附原理。如武麗君研制了一種利用負(fù)壓吸附的單吸盤爬壁機(jī)器人,并研制了原理樣機(jī)，如圖3所示。圖3真空吸附的爬壁機(jī)器人美國siegel研制了利用真空所產(chǎn)生的吸附力的爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人采用了履帶式結(jié)構(gòu)，履帶上有若干個小的真空吸附室隨著履帶移動，

6、吸附室形成真空而使履帶貼緊地面，該機(jī)器人用于波音飛機(jī)的探傷。上海交通大學(xué)的錢志源等研制了一種采用雙吸盤吸附用于玻璃幕墻清洗的機(jī)器人。它的特點是當(dāng)機(jī)器人在移動過程中遇到障礙時，雙吸盤交替地工作從而跨越窗格等障礙物。1.3干性材料靜電吸附方式干性黏附材料是模擬壁虎腳掌，通過微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加工技術(shù)設(shè)計并制作的高分子材料吸附陣列，該吸附方式最大的優(yōu)點就是對吸附面的形狀和材質(zhì)沒有特殊要求，適應(yīng)性較強(qiáng)。2010年斯坦福大學(xué)的MarkCutkoky利用干性黏附材料研制了一種名為StickyBotlll的仿壁虎機(jī)器人，如圖4所示，其腳掌是一種干性黏附材料，它是一種微納尺度的仿生剛毛，腳趾能外翻和內(nèi)收。

7、每條腿使用4臺舵機(jī)驅(qū)動，腿部是五桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)器人的吸附原理、運動形式均和壁虎相近，該機(jī)器人長760cm。南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所也研究了具有干性黏附材料的壁虎機(jī)器人（圖5），主要包括壁虎的生物結(jié)構(gòu)、機(jī)器人的運動步態(tài)、力學(xué)建模、黏附材料的制作和所制作材料黏附力的分析，所研制的壁虎機(jī)器人可以在90墻面上爬行。圖4斯坦福大學(xué)圖南京航空航天大學(xué)的Stickyhnt研制的壁虎機(jī)器人1.4攀援式吸附方式日本Inoue.K等研制可以在網(wǎng)狀壁面攀爬的爬壁機(jī)器人，如圖6所示，它有多個手臂，通過手臂的抓緊金屬網(wǎng)格實現(xiàn)吸附和吊掛功能。圖石攀援式六足爬壁機(jī)器人2爬壁機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)及功能目前爬壁機(jī)器人

8、技術(shù)的研究主要集中在吸附技術(shù)和移動技術(shù)，與常見的地面移動機(jī)器人相同，爬壁機(jī)器人移動部分常用的結(jié)構(gòu)有足式、輪式、履帶式和混合式等。2.1足式結(jié)構(gòu)足式機(jī)器人常見的有兩足、四足和六足等幾種。足式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人最大的優(yōu)點便是具有很高的越障能力，對地形的適應(yīng)能力強(qiáng)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也一定程度上造成了控制的難度。圖4所示的StickyBot類壁虎機(jī)器人的移動就是采用的四足的方式，卡內(nèi)基麥隆大學(xué)UnverO等也研制了一種四足的爬壁機(jī)器人Geckobot,如圖7所示，該機(jī)器人可以在85的斜面上爬行。圖7Gtcknbot機(jī)器人南京航空航天大學(xué)仿照壁虎結(jié)構(gòu)研制了IBSS系列機(jī)器人，如圖8所示，其特點是每條腿上都有3個

9、自由度，但機(jī)器人的質(zhì)量重，機(jī)身剛性較大，因此機(jī)器人的移動過程中存在過約束問題。圖呂系列機(jī)器人加州大學(xué)伯克利分校的RonaldFearing于2012年研究了一種六足爬壁機(jī)器人，如圖9所示，該機(jī)器人采用干性黏附的方式，可實現(xiàn)垂直面的爬壁功能。上海大學(xué)錢晉武也研制了一種六足爬壁機(jī)器人，對其行走運動進(jìn)行了規(guī)劃。圖9六足爬壁機(jī)器人2.2輪式結(jié)構(gòu)輪式移動機(jī)構(gòu)具有移動速度快、效率高、控制簡單等優(yōu)點，如北京航空航天大學(xué)劉傳淼18就是采用四輪移動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)機(jī)器人在玻璃幕墻表面的移動，如圖10所示。但輪式移動機(jī)構(gòu)要求移動表面平坦且無障礙，且不適合于攀爬，因此應(yīng)用較少。圖10輪式移動爬壁機(jī)器人2.3履帶式圖11是卡

10、內(nèi)基梅隆大學(xué)CarloMenon等19所研制的履帶式仿壁虎機(jī)器人,其履帶采用黏性材料制成，履帶的黏附面積較大，因此該機(jī)器人的負(fù)載能力較大，其不足在于由于履帶機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時滑動摩擦較大，對黏附材料損害較大，因而轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性存在問題。2.4混合式移動機(jī)構(gòu)混合式機(jī)器人通常采用輪式和足式的混合，具有輪式和足式的共同優(yōu)點，但在控制、感知和結(jié)構(gòu)方面更為復(fù)雜。如近年卡內(nèi)基梅隆大學(xué)MichaelP.Murphy20研制的類壁虎剛毛群吸附技術(shù)的爬壁機(jī)器人一WaalBot,圖12所示就是采用的輪式和足式結(jié)合的混合式結(jié)構(gòu)。圖11使用粘性履帶的圖！2使用三角形旋轉(zhuǎn)式爬壁機(jī)器人足的WnalBot圖13所示為Daltori

11、oKA基于仿壁虎腳掌吸附材料研制的輪腿式爬壁機(jī)器人Mini-Whegs。圖14所示為加州大學(xué)伯克利分校研制的Mecho-Gecko,該機(jī)器人與Waalbot類似采用了輪腿式的爬行方式，不同的是尾部用兩個輪支撐減小了機(jī)器人摩擦，提高機(jī)器人穩(wěn)定性。咅【13四足輪腿式機(jī)器人Muii-Wliegh圖14四Meclin-Gecko3爬壁機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動方式目前爬壁機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動和水平面移動機(jī)器人關(guān)節(jié)運動驅(qū)動方法相同,主要有3種方法：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動以及電氣驅(qū)動。（1）液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動是通過機(jī)械能與液體的壓力能之間的相互轉(zhuǎn)換，來實現(xiàn)直線往復(fù)運動和回旋運動。其中的液體稱為工作介質(zhì)，一般為礦物油。液壓驅(qū)動具

12、有單位面積壓力高、體積小、能提供大推力或轉(zhuǎn)矩，力、速度和方向易實現(xiàn)自動控制，防銹性和潤滑，壽命長等優(yōu)點。缺點是油液的黏度會隨著溫度的變化而改變，從而影響工作性能；高溫燃燒爆炸；油液易泄漏，造價高；而且需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)以及漏油裝置，體積龐大笨重。因此不適合小型機(jī)器人。（2）氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動以壓縮氣體為工作介質(zhì)，靠氣體的壓力傳遞動力。氣壓驅(qū)動具有黏度小，易達(dá)到高速；利用集中站供氣，不必添加動力設(shè)備；無污染，安全，可高溫作業(yè)等優(yōu)點。缺點為工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，準(zhǔn)確位置控制難；很難解決除水問題，零件容易生銹；存在噪聲污染。（3）電氣驅(qū)動電氣驅(qū)動是一種不需要能量轉(zhuǎn)換，通過直接或間接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，

13、就能使得機(jī)器人運動的一種驅(qū)動方式。電氣驅(qū)動具有效率高、精確度高、調(diào)速方便、成本低等優(yōu)點。缺點是推力較小，大推力時成本較高。為了滿足爬壁機(jī)器人的要求，其驅(qū)動方式要盡量滿足爬壁機(jī)器人的需求，即要求體積小，重量輕，控制精度高，在玻璃等易碎表面運動時還要求不能損傷其爬行的表面。4爬壁機(jī)器人存在的技術(shù)難題雖然近年來爬壁機(jī)器人研究取得了很大的進(jìn)步，但是爬壁機(jī)器人到在工程應(yīng)用中進(jìn)行推廣仍然存在以下技術(shù)難點仍需攻克：（1）吸附方式爬壁機(jī)器人主要在與地面成一定角度的壁面進(jìn)行工作，特別是垂直壁面甚至是天花板表面。吸附機(jī)構(gòu)的作用是產(chǎn)生一個向上的力來平衡機(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

14、、磁吸附、螺旋槳推力及粘結(jié)劑等幾種方式，但是在滿足結(jié)構(gòu)輕巧又能夠產(chǎn)生足夠吸附力仍然難以滿足，如真空負(fù)壓吸附要求被吸附表面光潔，與被吸附表面不能產(chǎn)生漏氣問題，磁吸附要求被吸附表面是導(dǎo)磁體，靜電吸附要求表面潔凈不能有灰（2）移動機(jī)構(gòu)和運動控制系統(tǒng)如前所述，爬壁機(jī)器人的移動結(jié)構(gòu)通常有輪式、足式、履帶式和混合式等，其中，足式和履帶式使用較為廣泛。爬壁機(jī)器人對越障能力要求較高，也是工程應(yīng)用的一個極為困難的問題。當(dāng)壁面有凸起、溝槽時，要求機(jī)器人能夠順利通過，故爬壁機(jī)器人要滿足充分的越障能力。對于不同的移動機(jī)構(gòu)，足式機(jī)器人的越障能力最好，這是由于當(dāng)機(jī)器人遇到障礙物時，可以控制機(jī)器人的每個腿部抬起跨越障礙，其

15、通行能力較強(qiáng)。由于爬壁機(jī)器人的運動是在保證可靠地吸附于壁面前提下有股走的靈活移動能力，而爬壁機(jī)器人工作于壁面的特殊性，其移動機(jī)構(gòu)和吸附機(jī)構(gòu)存在著耦合問題，這給機(jī)器人的運動控制造成了困難。如足式吸盤的爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)，當(dāng)腿部運動中，由于每個腿部末端有一個吸盤，每移動一個腿，其動作流程為“去吸附力抬腿腿部前移落腿吸附”，這一系列動作中爬壁機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)和吸附機(jī)構(gòu)要求協(xié)調(diào)動作，才能保證其在壁面的靈活移動，如果這一系列耦合運動控制不好，將導(dǎo)致爬壁機(jī)器人運動的不穩(wěn)定問題。（3）爬壁機(jī)器人的供能及驅(qū)動問題爬壁機(jī)器人的供能是機(jī)器人的另一關(guān)鍵問題，尤其是在要求機(jī)器人重量盡量輕的前提下。機(jī)器人的供能常用的有帶電纜

16、供電、通過管道供氣，也有通過自帶電池或者氣瓶的方式。機(jī)器人的驅(qū)動是依據(jù)供能的方式來確定，主要有電動、氣動等。在爬壁機(jī)器人設(shè)計過程中，要求盡量使用高力矩質(zhì)量比的驅(qū)動器或者驅(qū)動源。如果采用自帶能源的方式，則要求能量重量比盡可能高，例如采用電動驅(qū)動的方式，其能源可以采用鎳氫電池、鋰電池、燃料電池等。有部分爬壁機(jī)器人也可以使用微型內(nèi)燃機(jī)作為能源供給，如汽油發(fā)動機(jī)等。5爬壁機(jī)器人的未來發(fā)展趨勢和結(jié)論（1）爬壁機(jī)器人的工程應(yīng)用將更加深入和廣泛。雖然當(dāng)前有很多學(xué)者和單位對爬壁機(jī)器人開展了深入的研究，也取得了相當(dāng)豐富的成果，其應(yīng)用的主要目標(biāo)是清洗、噴涂、檢測、除銹等作業(yè)，但是由于存在跨越障礙未能從根本上克服，吸附技術(shù)仍然有待發(fā)展等，因此目前爬壁機(jī)器人離大規(guī)模的應(yīng)用仍然存在一定的差距。隨著這些問題的克服，將來爬壁機(jī)器人的工程應(yīng)用將更加深入和廣泛。（2）吸附技術(shù)發(fā)展，將提高爬壁機(jī)器人的攀爬能力。吸附技術(shù)是爬壁機(jī)器人所必須克服的一個關(guān)鍵技術(shù)問題，它決定了爬壁機(jī)器人的運行可靠性和穩(wěn)定性問題。而當(dāng)