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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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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 2∶1。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(xué)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-Ⅰ,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-Ⅱ,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(xué)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(xué)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(fēng)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(xué)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?？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。