爬壁機器人的研究與進展

太原科技大學2011-2012學年第2學期研究生課程考核（讀書報告、研究報告）考核科目：機器人技術(shù)學生所在院（系）：浙江大學寧波理工學院學生所在學科：機械電子工程姓名：蔡炳清學號：s20110113

爬壁機器人的研究與進展摘要：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。文中介紹了壁面爬行機器人的用途和傳統(tǒng)爬壁機器人的結(jié)構(gòu)、吸附方式、移動方式及其特點，闡述了壁面移動式機器人在國內(nèi)外的發(fā)展概況，并對未來爬壁機器人結(jié)構(gòu)及發(fā)展趨勢作出預(yù)測。關(guān)鍵字：爬壁，吸附技術(shù)，發(fā)展趨勢進入21世紀以來，機器人在各行各業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，其研究與應(yīng)用水平已成為一個國家經(jīng)濟實力和科技發(fā)展水平的重要標志。爬壁機器人是特種機器人的一種,它把地面移動機器人技術(shù)與吸附技術(shù)有機結(jié)合起來,是在惡劣、危險、極限等情況下進行特定作業(yè)的一種自動化機械裝置，如今越來越受到人們的重視。目前,爬壁機器人主要應(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領(lǐng)域得到了應(yīng)用。爬壁機器人的應(yīng)用取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。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,特別是小型爬壁機器人成為機器人領(lǐng)域的一個研究熱點。1傳統(tǒng)爬壁機器人的結(jié)構(gòu)、吸附方式、移動方式及其特點爬壁機器人必須具有兩個基本功能:在壁面上的吸附功能和移動功能。傳統(tǒng)爬壁機器人按吸附功能可分為真空吸附和磁吸附兩種形式:真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結(jié)構(gòu)形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點，但當壁面凸凹不平時，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低;磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種，電磁體式維持吸附力需要電力，但控制較方便。永磁體式不受斷電的影響，使用中安全可靠，但控制較為麻煩。磁吸附方式對壁面的凸凹適應(yīng)性強，且吸附力遠大于真空吸附方式，不存在真空漏氣的問題，但要求壁面必須是導磁材料，因此嚴重地限制了爬壁機器人的應(yīng)用環(huán)境。爬壁機器人按移動功能分主要是吸盤式、車輪式和履帶式。吸盤式能跨越很小的障礙，但移動速度慢;車輪式移動速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難;履帶式對壁面適應(yīng)性強，著地面積大，但不易轉(zhuǎn)彎。而這三種移動方式的跨越障礙能力都很弱。2 國內(nèi)外壁面爬行機器人的發(fā)展概況自1966年日本的西亮教授研制出第一個爬壁機器人以來,爬壁機器人在日本得到蓬勃發(fā)展。之后,英國、西班牙、美國、德國和俄羅斯等國也相繼研制出多種爬壁機器人樣機。20世紀80年代以來,國內(nèi)許多院校和科研單位也在爬壁機器人領(lǐng)域取得了長足的發(fā)展,研制了多種型號的爬壁機器人。2.1國外爬壁機器人發(fā)展概況爬壁機器人是一種能夠在壁面爬行作業(yè)的極限作業(yè)機器人，它是集機構(gòu)學、傳感技術(shù)、控制和信息技術(shù)等為一體的高技術(shù)產(chǎn)品，世界機器人大國日本在極限作業(yè)機器人研究方面尤為積極。在過去的幾十年里，爬壁機器人技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展，也相繼研制出了不同種類的樣機，有些已經(jīng)投入實用。在這一領(lǐng)域，日本取得的成績突出，美國、英國、法國、意大利、西班牙、澳大利亞、韓國等國也在不斷深入研究。早在1966年，在日本大阪府立大學工學部任講師的西亮，就利用電風扇進氣側(cè)低壓空氣產(chǎn)生的負壓作為吸附力制作了一臺垂直壁面移動機器人的原理樣機，這被看作是爬壁機器人研究的開端。日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出了車輪式磁吸附爬壁機器人，它可以吸附在各種大型構(gòu)造物如油罐、球形煤氣罐、船舶等的壁面，代替人進行檢查或修理等作業(yè)。這種爬壁機器人靠磁性車輪對壁面產(chǎn)生吸附力，其主要特征是:行走穩(wěn)定速度快，最大速度可達9m/min，適用于各種形狀的壁面，且不損壞壁面的油漆。1989年日本東京工業(yè)大學的宏油茂男研究開發(fā)了吸盤式磁吸附爬壁機器人，吸盤與壁面之間有一個很小的傾斜角度，這樣吸盤對壁面的吸力仍然很大，每個吸盤分別由一個電動機來驅(qū)動，與壁面線接觸的吸盤旋轉(zhuǎn)，爬壁機器人就隨著向前移動，這種吸附機構(gòu)的吸附力可以達到很大。此后的幾十年里，爬壁機器人技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展，也相繼研制出了不同種類的樣機，有些已經(jīng)投入實用。2.2國內(nèi)爬壁機器人的發(fā)展概況和國外相比，國內(nèi)爬壁機器人的研究起步較晚，但近幾年已取得了很大進步。我國的工業(yè)機器人從20世紀80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人本體的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離;機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所已經(jīng)成功研制出單吸盤真空吸附車輪行走式爬壁機器人和永磁鐵吸附履帶行走式爬壁機器人。單吸盤輪式壁面移動機器人，有吸附機構(gòu)和移動機構(gòu)兩大部分，移動機構(gòu)由電機、減速器、車輪構(gòu)成，吸附機構(gòu)包括真空泵、壓力調(diào)節(jié)閥、密封機構(gòu)等。真空泵是產(chǎn)生負壓的裝置，其功能是不斷地從負壓腔內(nèi)抽出空氣，使負壓腔內(nèi)形成一定程度的真空度。為維持機器人負壓腔內(nèi)的負壓，還需要有密封機構(gòu)，使機器人可靠地吸附在壁面上并產(chǎn)生足夠的正壓力，從而使驅(qū)動機構(gòu)產(chǎn)生足夠的摩擦力以實現(xiàn)移動功能。由于氣囊密封裝置具有較好的彈性，在壁面有凹凸時，通過氣囊的形來減小縫隙的高度，可使機器人具有一定的越障能力。調(diào)節(jié)彈簧的作用有兩個:一是為密封圈提供密封所必需的正壓力，二是提高氣墊對壁面的適應(yīng)能力，還可起到減震的作用。負壓的控制通過調(diào)節(jié)真空泵的電機電壓來改變電機的轉(zhuǎn)速，同時采用負壓傳感器作為檢測元件，實時檢測負壓的變化，為調(diào)整壓力提供依據(jù)。磁吸附履帶式爬壁機器人采用的是雙履帶永磁吸附結(jié)構(gòu)，在履帶一周上安裝有數(shù)十個永磁吸附塊，其中的一部分緊緊地吸附在壁面上，并形成一定的吸附力，通過履帶(由鏈條和永磁塊組成)使機器人貼附在壁面上。機器人在壁面上的移動靠履帶來完成，移動時，履帶的旋轉(zhuǎn)使最后的吸附塊在脫離壁面的同時又使上面的一個吸附塊吸附于壁面，這樣周而復(fù)始，就實現(xiàn)了機器人在壁面上的爬行。3爬壁機器人的發(fā)展趨勢由于傳統(tǒng)爬壁機器人具有很多不足之處，因此未來爬壁機器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實用化的方向發(fā)展。3.1吸附裝置最近幾年，美、英、俄等國的研究小組真正揭示了壁虎在墻上爬行的秘密，這個秘密就是分子間的作用力——范德華力，范德華力是中性分子彼此距離非常近時產(chǎn)生的一種微弱電磁引力。科學家在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，壁虎腳趾上約有650萬根次納米級的細毛，每根細毛直徑約為200至500納米，約是人類毛發(fā)直徑的十分之一，毛發(fā)前端有100～1000個類似樹狀的微細分枝，每分枝前端有細小的肉趾，這種精細結(jié)構(gòu)使得細毛與物體表面分子間的距離非常近，從而產(chǎn)生分子引力雖然每根細毛產(chǎn)生的力量微不足道，但累積起來就很可觀根據(jù)計算，一根細毛能夠提起一只螞蟻的重量，而一百萬根細毛雖然占地不到一個小硬幣的面積，但可以提起二十公斤力的重量，如果壁虎腳上650萬根細毛全部附著在物體表面上時，可吸附住質(zhì)量為130千克的物體，這相當于兩個成人的質(zhì)量。從壁虎腳的附著方式得到的啟示可用于研制爬壁機器人。在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用機理的基礎(chǔ)上，通過高分子材料化學、工程材料科學、力學和機械學的交叉學科研究，探索出一種與壁虎腳趾表面結(jié)構(gòu)相近的，經(jīng)物理改進的極性高分子材料——人造壁虎仿生腳干性粘合劑，并應(yīng)用精密微機械加工的手段，設(shè)計并制作模擬壁虎腳趾的吸附裝置，該吸附裝置將適應(yīng)于各種材質(zhì)和任意形狀的表面，這種裝置如果研制成功將使爬壁機器人的實用化邁出堅實的一大步。3.2移動方式在移動機器人中，輪式和履帶式移動方式已獲得廣泛的應(yīng)用，但是足式移動方式具有輪式和履帶式所沒有的優(yōu)點，足式移動方式的機器人可以相對較容易地跨過比較大的障礙，并且機器人的足所具有的大量的自由度可以使機器人的運動更加靈活，對凸凹不平的地形適應(yīng)能力更強，足式機器人的立足點是離散的，跟壁面接觸的面積小，可以在可達到的范圍內(nèi)選擇最優(yōu)支撐點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。正是由于足式結(jié)構(gòu)多樣、運動靈活，適應(yīng)于各種形狀的壁面上，而且能夠跨越障礙物，因此足式結(jié)構(gòu)將在爬壁機器人上有著較好的應(yīng)用前景。3.3驅(qū)動設(shè)備傳統(tǒng)伺服電機因功率重量比低，必須安裝在遠離驅(qū)動的地方，而且電機高速運行后需有減速齒輪來降低速度，致使傳動系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)累贅，不能滿足實用化的要求，為此需要研制利用功能材料構(gòu)成的體積小、重量輕、高效率密度的新型電機。微特電機所組成的驅(qū)動伺服系統(tǒng)和位置速度傳感系統(tǒng)是機器人關(guān)鍵部件，研制開發(fā)直接驅(qū)動、大力矩、小體積、重量輕、精度高、反應(yīng)靈敏、工作可靠的各類微特電機，是提高我國機器人的研究開發(fā)水平，滿足國內(nèi)研制高性能機器人的基礎(chǔ)保障。因此微特電機在機器人應(yīng)用的前景是非常樂觀的，爬壁機器人使用微特電機技術(shù)的發(fā)展趨勢可歸納為:朝著高精度、高可靠性、直接驅(qū)動、新原理、新結(jié)構(gòu)、機電一體化、超微化方向發(fā)展。超聲波電機:利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動，將彈性材料的微觀形變通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運動。由于其獨特的運行機理，超聲波電機具有傳統(tǒng)電磁式電機不具備的優(yōu)點:(1)靠摩擦力驅(qū)動，斷電后具有自鎖功能;(2)轉(zhuǎn)矩密度大，低速下可產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩，不需齒輪減速機構(gòu)，因而體積小、質(zhì)量輕、控制精度高、響應(yīng)速度快;(3)運行無噪聲，不產(chǎn)生也不接受電磁干擾等。正是由于超聲波電機具有眾多優(yōu)點，所以它在爬壁機器人上將有非常好的實用價值。3.4能源問題迫切的需要探索出一種新的能源，體積小、供電性能強的電池，或者通過遙控途徑對機器人提供能量和信號控制。目前國內(nèi)外正對此進行積極研究，這方面日本取得了較大的成果。日本已經(jīng)較為成功的將微波技術(shù)應(yīng)用到一臺無線機器人上，該技術(shù)成功的應(yīng)用將會使爬壁機器人的運動范圍得到較大的擴展。4結(jié)束語隨著機器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展以及自我保護意識的增強，人們迫切希望能用機器人代替人工進行高空作業(yè)。爬壁機器人的使用可以大大降低高層建筑的清洗成本和工業(yè)中高空高危設(shè)施的維護費用，提高效率，特別是把人從高空作業(yè)中解脫出來。因此，研制一種適用于高空作業(yè)的爬壁機器人具有重要的社會效益、經(jīng)濟意義和廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻[1]付宜利,李志海.爬壁機器人的研究進展[J].機械設(shè)計,2008,25（4）:63—68.[2]張秀麗，鄭浩峻，陳懇,等.機器人仿生學研究綜述[J].：機器人，2002，24（2）:188-192.[3]吉愛紅，戴振東，周來水.仿生機器人的研究進展[J].機器人,2005,27(3):284-288.[4]崔旭明，孫英飛，何富君.壁面爬行機器人研究與發(fā)展[J]，科學技術(shù)與工程，2010，10（11）：132—138.[5]王茁，張波，裴榮國，吳敵，張建忠，張學芹.壁面爬行機器人本體的設(shè)計[J].吉林化工學院學報，2004，21（4）：116—122.[7]張俊強,張華,萬偉民.履帶式爬壁機器人磁吸附單元的磁場