壁上AI

井達凱　武梓萱　紀祥　柳辰宇　王艷芳

摘 要：針對傳統壁面機器人存在的適應性差、費用高昂等問題，設計了一款自適應多壁面智能移動作業平臺。平臺作品基于間隙式負壓吸附原理實現，搭載有氣壓傳感器、光流傳感器、陀螺儀等多種傳感器，以及視頻采集模塊和4G無線傳輸模塊，實現了多功能化應用，市場前景廣闊。

關鍵詞：智能移動作業平臺

1 作品簡介

針對目前在復雜環境下直立壁面或大傾角斜面上，機器人執行偵查、探測、清潔等作業的需求，開發了一種適應于多種材質壁面的負壓吸附式智能移動作業平臺。

作品基于間隙式負壓吸附原理，將履帶式行進裝置融入吸附所需的密封裝置中，構成增強密封性能的行進阻流機構，有效解決了傳統負壓吸附為增強密封效果而增大行走阻力的問題。同時，作品中搭載有氣壓傳感器、光流傳感器、陀螺儀等多種傳感器，以及視頻采集模塊和4G無線傳輸模塊，在實現對機體本身吸附負壓、運行姿態、行走路徑速度等的智能控制外，可進一步實時上傳環境數據，利用遠程服務器實現環境的三維重構和監測，為大數據背景下的工程應用提供數據支撐。該平臺可進一步搭載不同的檢測模塊和機械機構，實現多功能化應用，以滿足不同負載應用環境下的特殊作業需求。

目前試制樣機已完成對多種直立壁面的運行測試以及傳感器和視頻數據采集，如圖1所示。

樣機平臺的技術關鍵和指標如下。

（1）吸附技術：載荷比優于2，壁面平整度的偏差數值范圍為-12～13 mm，且最大值不超過20 mm;

（2）移動技術：運行速度為8 m/min，工作電壓為12 V，額定功率為240 W，續航能力為37 min（額定功率）;

團隊還將進一步針對吸附結構優化、多傳感器數據融合等進行深入研究，并朝著實用化方向不斷完善和提升該作品。

2 工作原理

本作品研制的基于行進阻流機構的氣密增強型可適用于多種壁面的小型無纜化智能移動作業平臺具有路徑追蹤控制、無線視頻傳輸等基本功能，預留了多種可拓展接口，并搭載了多類傳感器，可滿足不同需求。

作品搭載氣壓傳感器、光流傳感器、陀螺儀等多種模塊。氣壓傳感器實時監測密封腔內的氣壓值，光流傳感器與陀螺儀監測機體位置和姿態，利用無線視頻傳輸技術實現對機體的智能化控制，將采集信息反饋至服務器，實現人機交互，滿足復雜環境下的作業需求，同時，可為基于大數據背景下的工程應用提供數據支撐。

除上述內容外，本產品還利用 PID 控制方法實現對密封腔內負壓的自動調節，搭建出可用于各種城市壁面的遠程遙控平臺。平臺具有路徑追蹤控制、無線視頻傳輸等功能，并預留有多種可拓展接口，可滿足不同應用場景的需求。

3 創新點

作品主要創新點總結如下：

（1）基于負壓吸附原理，創新性地將履帶運動裝置嵌入密封腔內構成行進阻流機構，解決行走阻力與密封效果的矛盾，降低對壁面材質及粗糙度的要求;

（2）通過車載多種傳感器、視頻采集模塊和4G無線模塊實現對機體的智能控制及環境數據的實時反饋，并利用遠程服務器，實現環境的三維重構和監控，亦可為大數據背景下的工程應用提供數據支撐;

（3）平臺可搭載不同檢測模塊和機械機構，實現多功能應用，滿足特殊工況下的作業需求。

4 市場前景

隨著社會的不斷發展，不同領域都對機器人有了更高的要求，能夠靈活行走的小型機器人受到越來越多領域的青睞，主要體現為：

（1）高空作業：風電塔筒清洗、船舶側壁除銹、火電爐壁檢測等;

（2）智能巡檢：石油站場巡檢、高壓電站巡檢、碼頭港口安檢等;

（3）偵查排爆：消防輔助救援、核電高危監控、軍用偵查排爆等。

隨著我國高空及斜面作業規模的不斷增加，爬壁應用要求不斷提高，人工成本逐年提升。爬壁機器人平臺研究是集機械與材料學、電子與通訊技術、力學計算、傳感器技術、控制技術等學科于一體的高科技成果的集中體現。小型多功能爬壁機器人具有小巧、靈活、適用性強等優點，其經濟前景廣闊。

經過市場調研，本設計的單機成本遠低于市場傳統同類機器人，若批量生產可進一步降低成本。

該平臺設計預留了大量可拓展接口，機器人可通過搭載不同的模塊滿足不同的應用需求，目前平臺已成功應用于光伏板運維和消防救援，相信該平臺能夠滿足未來不同應用場景的需求。平臺可通過人工智能、物聯網、大數據等技術的加持與新技術融合應用，以有效滿足不同行業、不同工況下的壁面作業需求，為“中國制造2025”做出貢獻。