爬壁機器人技術研究現狀及展望

王思佳 吳珊紅 李雷

摘 要：近年來移動機器人技術飛速發展，很多種類的移動機器人開始應用到實際中。爬壁機器人作為移動機器人領域的一個重要分支，把地面移動機器人技術與吸附技術有機結合起來，大大擴展了機器人的應用范圍。本文通過對爬壁機器人應用及研究目的分析，根據其行走機構介紹了目前爬壁機器人的種類，最后進一步討論了目前磁吸附爬壁機器人的發展趨勢。

關鍵詞：爬壁機器人；行走機構；發展趨勢

1 爬壁機器人技術研究的意義和目的

智能移動機器人根據移動方式可分為：輪式移動機器人、步行移動機器人（單腿式、雙腿式和多腿式）、履帶式移動機器人、爬行機器人、蠕動式機器人和游動式機器人等類型。垂直壁面作業超出人的極限，且勞動力消耗極大，爬壁機器人便應運而生。

研究爬壁機器人的目的是為了讓其代替人類在石化企業、建筑行業、消防部門、船舶、水下等領域中的危險作業。

2 爬壁機器人國內外研究進展

爬壁機器人要實現導航技術、路徑規劃技術、多傳感器信息融合技術等關鍵技術，主要取決于機器人的行走機構和工作臂。行走機構的設計，決定了機器人工況適應性、工作可靠性和工作安全性。爬壁機器人按其行走機構大致可分為輪式、履帶式、足式三類。

2.1 輪式爬壁機器人

在各種移動機構中，輪式移動機構最為常見，也是磁吸附爬壁機器人中比較早出現的一種行走機構。它的主要優點是運動速度快，結構簡單，系統穩定性高，但是它也存在吸附力不易控制，壁面適應能力差等問題。

瑞士蘇黎世聯邦理工大學的W.Fischer、F.Tache等人提出了磁輪爬墻機器人。[1]該系統有一對“母子”機器人，較大的機器人（母親）只在厚的金屬板處移動，其質量對環境結構穩定性并不重要，所以這種機器人可建造的足夠大，可輕松越過各種障礙，較小的機器人（孩子）不具備垂直攀爬能力，只能水平移動，工作時，較大的機器人背著較小的機器人越過焊縫和其他障礙物，到達焊接處時，較小的機器人在金屬板的焊接處水平地移動，進行探測。

張衛、黃哲軒等人發明了一種模塊化輪式磁吸附爬壁機器人，該機器人包括兩個相互獨立的車體模塊和四組結構相同的輪式永磁吸附單元，兩個相互獨立的車體模塊分為左車體模塊和右車體模塊，兩者結構相同，使機器人在狹小空間工作時，可根據作業需求進行快速拆解、運輸和對接。

2.2 履帶式爬壁機器人

履帶式爬壁機器人采用履帶結構的行走方式，并通過不同履帶體之間形成的速度差來實現轉彎，且機器人的履帶與壁面的接觸面積大，具有很強的吸附力，因此與采用其他行走方式的機器人相比具有更強的帶負載能力和越障能力。

德國kamat公司研制了一種永磁吸附、履帶式爬壁機器人。用于搭載船舶除銹清洗器，該機器人采用雙履帶行走機構，通過氣壓馬達驅動。

北京史河科技有限公司研制了塔筒清洗履帶式爬壁機器人。[2]履帶由多個強磁鐵排列而成，通過強磁吸附在金屬塔筒表面，采用兩自由度的鉸鏈左右連接履帶，可適應不同曲率的曲面，操作者可以通過無線電遙控器控制左右履帶進行上下移動或拐彎，配合清洗工具，從而完成塔筒表面的清洗作業。

2.3 足式爬壁機器人

多足式爬壁機器人是當前比較熱門的一個研究領域，一般的多足爬行機器人多由舵機或者電動缸控制腿部運動。它的優點在于行動靈活，可適應多種工況，但是其負載能力小、機械足的協調控制困難。

韓國成均館大學的Hyoukryeol Choi等人設計了一種足式封閉連接結構的爬壁機器人。該機器人的行走機構由兩只對稱的腿和一個軀干組成，每條腿由執行器驅動的平面閉合運動鏈組成，并且它們兩者同步運動。

遼寧石油化工大學的方杰、佟仕忠等人設計了一種變磁力吸附多足爬壁機器人。該機器人的足式機構以4只仿生足構成，仿生足位于立方體側下端，平均分布于鋁板的4個方向，吸附裝置的永磁體的磁力是可控的，當嵌入永磁體的旋轉軸的角度為0°時，永磁體的吸附力為0，當角度為 90°時，永磁體的吸附力處于最大值。

3 爬壁機器人的發展趨勢

未來爬壁機器人的結構應該向著實用化的方向發展。爬壁機器人的發展趨勢歸結起來主要有以下幾方面。

1）多功能化。爬壁機器人在作業時，要根據需要，能夠同時完成多作作業任務，其任務將由現在的由單一化向多功能化方向發展。

2）微型化。隨著新技術的推廣，爬壁機器人將向著小型化、微型化方向發展，以適應更多的無人環境作業。

3）無纜化。目前爬壁機器人的體積較大，工作時耗電較大，隨著先進技術的發展及機器人體積減小，將通過電池可其它方式（如光、磁）提供電源，維持機器人作業所需要電能提供。

4）智能化。將人工智能技術及視覺技術應用于爬壁機器人將是今后發展的重要目標，使爬壁機器人能夠更加靈活可靠的完成各項工作。

參考文獻：

[1]W.Fischer，F.Tache，R.Siegwart.Inspection system for very thin and fragile surfaces，based on a pair of wall climbing robots with magnetic wheels.Proceedings of 2007 IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems，2007.

[2]36氪.從風電塔筒清洗業務切入，史河科技推出曲面自適應磁吸附爬壁機器人.[2017-06-26].http：//www.sohu.com/a/152038067_114778.html.