國內外高空作業機器人的研究綜述

房欣欣

（廣東碧品居建筑工業化有限公司，廣東 佛山528000）

近年來，高層建筑物越來越多，隨之也產生了諸如幕墻清洗、外墻噴涂、外墻保溫等的一系列高空作業。高空作業即指工人借助于吊籃、吊繩、腳手架等在超過兩米的高處進行作業。高空作業危險性較高，傷亡事故很難避免，且對工人的身體、心理素質都要求較高。且由于工人在高空中處于欠約束狀態，作業的效率、質量很難保證。因而高空作業機器人有著較為廣闊的應用市場，其大力推廣將成為必然。

高空作業機器人根據其工作方式主要分為四種：懸架吊籃式、爬壁式、并聯柔索式及復合式。懸架吊籃式高空作業機器人是由現在建筑工地上常用的人工吊籃發展而來的，它主要由屋面懸架和空中吊籃兩大部分組成，二者通過鋼絲繩相連，吊籃的升降運動借助懸架上卷軸器的正反轉實現，吊籃的水平運動借助于懸架的橫向行走實現。由于吊籃內空間較大，因而此類機器人一般用于承載量較大的場合。吊籃在作業時只受到鋼絲繩和壁面的約束作用，極易在氣流、核心末端作業裝置運動、反沖等擾動的影響下，發生晃動，偏離穩定狀態，因而如何提高作業穩定性是此類高空作業機器人的研究難點。提高作業穩定性的方法有多種，如安裝螺旋槳增大推力、增加質量塊平衡執行機構運動慣性、柔性吸附壁面等。爬壁式高空作業機器人沒有鋼絲繩牽引，借助于磁、負壓、推力、仿生等吸附方式在壁面上自行運動，此類機器人一般結構緊湊，承載量較小，運動較為靈活。2007年，哈工大學成功研發了一款反恐偵察爬壁機器人。該機器人采用單吸盤負壓吸附方式，機器人總重8 kg，行進速度10 m/min，可在多種相對光滑的壁面上運動。并聯柔索式高空作業機器人的四個點上各捆綁了一條柔鎖，通過改變各條柔索的長度即可使機器人沿壁面的各個方向運動，此類機器人運動速度快、精度高，但控制較為復雜。復合式即采用了上述任意兩種方式的高空作業機器人。

吸附方式、行走方式、越障方式是高空作業機器人最重要的三個研究方向。三者決定了機器人可以在何種壁面上工作，工作的可靠性以及最大承載力等。

目前，常用的吸附方式主要有磁吸附、負壓吸附、推力吸附、仿生吸附四種。磁吸附要求壁面材質必須為導磁面，可采用永磁鐵或電磁鐵產生磁力。磁吸附式高空作業機器人現已在船舶、油罐的除銹、檢測等方面有了一定的應用。負壓吸附通常采用真空泵或離心風機配合吸盤實現，此種方式可擺脫對壁面材質的要求，但其對壁面的平整度、清潔度、干燥度要求較高，壁面凹凸不平或者灰塵較多或者有水都會導致吸盤可靠性降低，且吸盤存在漏氣風險。現國內已有多家公司研發了負壓吸附式幕墻清潔機器人，使用效果較佳。常見的推力吸附實現方式為在機器人背部對稱布置若干個螺旋槳，根據作用力與反作用力的關系，螺旋槳高速旋轉會使周圍氣流對機器人產生較大的推力，此原理同飛機上升方式。除了螺旋槳，還可以采用涵道風機為機器人提供推力。如需較大推力，則需選用功率較大的電機來驅動螺旋槳或涵道風機，且工作噪聲較大。仿生吸附是目前較為熱門的一個研究方向。壁虎腳上長著數以百萬計的細長剛毛，這些剛毛與壁面分子間累積的范德華力使壁虎對各種壁面有著超強的黏附力。實驗證明壁虎足對平整木板和玻璃的切向黏附力可達7～10 N/cm2。當剛毛與壁面成30°角時，二者會突然發生脫離。目前應用仿生吸附方式的高空作業機器人尚處于實驗室階段。

高空作業機器人的行走方式可分為履帶式、足式、輪式三種。對于履帶式高空作業機器人，可以將吸附組件安裝于履帶上，因此它的最大優點是與壁面的接觸面積較大，對壁面的吸附力更大，但其越障較困難。輪式運動速度快，轉彎靈活，但其越障較困難。足式越障能力強，但其結構較復雜。因此現在出現了輪足復合式高空作業機器人，兼顧了運動靈活和越障能力強的優點。

通常，建筑物壁面上會有裝飾臺階、遮雨檐等凸出物，這就要求高空作業機器人必須具備越障能力。要實現越障，首先要識別障礙，通常借助于機器視覺或者BIM（Building Information Modeling）技術來實現。在機器人身上安裝工業相機，通過拍照、圖像處理，識別運動路徑中的障礙物，并根據預先編寫好的程序行進越障。BIM即建筑信息模型，它借助計算機技術建立了包含整個建筑物完整數據信息的3D參數化模型，可以在位置信息服務領域為機器人的室內室外導航提供數據支持。首先，機器人向服務器發送請求，請求內容包含待作業建筑物的標號及所需提供的具體參數，針對高空作業機器人所請求的具體參數即指壁面障礙物位置、尺寸。然后服務器生成待作業建筑物的BIM模型，并將此模型參數化，根據機器人要求提取相關參數，構建壁面地圖。然后服務器根據構建好的地圖和作業起始點，對機器人進行壁面路徑規劃。待服務器將規劃好的路徑正式下發后，機器人開始正式工作。越障主要分為跨越越障和蠕動越障兩種。跨越越障類似于人跨門檻，最常見的是交錯足結構，即機器人有前后對稱的一對或多對足，在作業過程中總有半數足在壁面上。當遇到障礙時，前足直接跨過去，跨過去的過程是先后退遠離壁面，然后沿行進方向伸長，最后靠近壁面。蠕動越障類似于軟體動物爬行，最常見的是多節式結構，即機器人的行走機構有多節構成，相鄰兩節之間可相對轉動。當遇到障礙時，機器人一節一節地沿著障礙物的輪廓爬行。

高空作業機器人想要得到快速發展，安全性、可靠性、智能化是要解決的重要問題。安全性是指其高空掉落的風險性大小、高空掉落的應急方案。對于有柔索牽引的高空作業機器人，柔索存在斷裂或忽升忽降的風險；對于沒有柔索牽引的高空作業機器人，它是依靠各種吸附方式貼在壁面上的，而吸附方式存在失效的風險。可通過配置安全繩、多層吸附裝置等方式避免高空掉落事故的發生。可靠性是指其對不同壁面以及各種惡劣作業環境，如大風、大雨的適應性。在不同壁面、不同作業環境中，機器人的作業效率、作業質量都需要滿足要求，并且能夠對工況進行判斷，在惡劣工況下，應能立即停止工作，返回安全位置。智能化是指其能根據指令自主規劃最優作業路徑，順利通過壁面障礙物，無須人工干預。智能化是高空作業機器人普及的重要條件，它對機器人的導航定位控制算法有著很高的要求。隨著科學技術的不斷發展，高空作業機器人必將取代“蜘蛛人”，這將是人類歷史上又一重大進步。