爬壁機器人發展與關鍵技術綜述

聶佩晗，張雅婷，陳勇

(南京林業大學機械電子工程學院，江蘇南京 210037)

0 前言

隨著科學技術的發展，現代社會越來越追求智能化，工業機器人可以把人類從繁瑣、重復、危險的勞動作業中解放出來。其中，爬壁機器人具有自動化程度高、能夠代替人完成特殊場合下作業的特點，因此近些年成為國內外學者的研究熱點。爬壁機器人是一種工作在空間壁面環境中并攜帶特定作業工具以完成特定任務的特種機器人。它可以代替人類在高空等危險環境下有效完成各項工作，如船舶業的除銹與噴涂、大型建筑物外表面的清洗、反恐偵察、石化行業大型油罐的噴漆及檢測探傷、金屬罐容量計量、大型風電扇葉的維護等。在實際應用中，爬壁機器人不僅需要在簡單的壁面進行工作，還需要工作于復雜的壁面環境，如曲面、多壁面、粗糙平面等。然而目前，爬壁機器人行業尚未成熟，研究機構主要以科研院所及高校為主，存在功能性匹配度不高、安全穩定性低等制約因素。要盡快突破這些瓶頸，對爬壁機器人關鍵技術的研究及創新必不可少。

1 爬壁機器人的吸附方式

根據工作環境和工作介質的不同，爬壁機器人吸附方式主要有：負壓吸附、磁吸附、仿生吸附、靜電吸附、黏結劑吸附。

1.1 負壓吸附

負壓吸附的原理是在機器人內部產生真空或者負壓，利用機器人內外壓力差實現吸附。負壓吸附通常為吸盤結構，它的優點是不受工作材料的限制。

圖1所示為華南理工大學研發的一種多關節雙足爬壁機器人W-Climbot，它每只足有3個真空吸盤以增加冗余度，提高吸附的可靠性。該機器人由5個關節模塊和2個負壓吸附模塊組成，在光滑表面上的移動性能優良，也可具有吸附和操控物體的功能。

圖2所示為日本東北大學發明的一種基于新型真空吸盤的爬壁機器人，其吸盤有可隨接觸表面變形的裙部以避免漏氣。這種多吸盤腳式爬壁機器人具有可靠的穩定性和吸附性，但其移動是間斷的，且移動速度受到限制，控制難度大。

圖 1 W-Climbot機器人 圖2 真空吸盤式爬壁機器人

負壓吸附方式雖然可以不受壁面材料的限制，但對壁面的粗糙程度要求較高，只能用于連續光滑的壁面。若壁面上凹凸不平或者有裂縫，會削弱吸盤的吸附能力，對爬壁機器人正常作業造成影響。

1.2 磁吸附

磁吸附又分為電磁吸附和永磁吸附。這種吸附方式能產生很大的吸附力，不受凹凸或裂縫的限制，也不受物體表面狀態(粗糙度、濕度、溫度)的影響。

西班牙的GRIECO等研制出了一種具有大負載能力的六足電磁吸附式機器人REST，如圖3所示。西班牙CSIC大學工業自動化研究所研制出2種足式電磁吸附爬壁機器人，采用直流電機和齒輪驅動。電磁吸附可以通過對電源的控制實現吸附力大小的調節，但同時也存在斷電時機構容易發生墜落的風險。

圖3 全地形六足爬壁機器人 圖4 永磁吸附履帶模塊

如圖4所示，上海交通大學采用稀土永磁吸盤作為壁面吸附機構，研制了一種應用于油罐容積檢測的爬壁機器人，該機器人設有2個旋轉和1個直線運動關節，能越過15 mm高的障礙。清華大學利用永磁吸附裝置研制出非接觸式吸盤，設計了多體柔性永磁吸附爬壁機器人，能在復雜空間曲面上可靠吸附和靈活運動。永磁吸附具有結構小、吸附力大以及不需要提供額外電源的優點，但永磁吸附的磁力大小不能調節，吸附力有時會成為爬壁機器人運動的阻力。

磁吸附方式只能應用于導磁體表面，如果壁面上出現銹蝕或者有螺絲松動，爬壁機器人在移動過程中可能會吸走鐵銹或者螺絲，導致磁鐵吸力下降，也會給被檢測設備帶來安全隱患。

1.3 仿生吸附

科學家受到自然界某些動物(如螞蟻、壁虎等)能在三維空間壁面上自由行走的啟發，參照其骨骼和運動機制以及足端的爪刺結構，研制出基于仿生技術的爬壁機器人。其吸附原理是利用納米級人造仿生纖毛材料通過范德華力吸附于壁面。

如圖5所示，美國斯坦福大學一個研究小組開發出了一種仿壁虎機器人Stickybot， 它的4個趾底布滿了數百萬根人造橡膠制成的用于粘附的毛發，能輕松地實現腳足與附著面的吸附與脫附。該機器人的外形、運動方式、吸附原理都與真實的壁虎非常相似，但吸附能力比真實壁虎差很多，而且加工不易卻容易損耗。

圖5 Stickybot 圖6 仿生爪刺式履帶爬壁機器人

在國內，南京航空航天大學仿生研究所開發了一種四足仿壁虎爬壁機器人，這種機器人每條腿有6個自由度，足端采用一種仿壁虎的黏附陣列。圖6所示為西安理工大學提出的一種仿生爪刺式履帶爬壁機器人，通過機構設計模仿昆蟲足部粘附、脫附動作，實現在履帶旋轉過程中爪刺足穩定粘附、輕松脫附，為設計高效運動的仿生爪刺式爬壁機器人提供了思路。

上述仿生吸附的方式可在粗糙壁面利用毛刺(爪刺)吸附，其應用前景十分廣闊。但是，這種吸附方式的吸附力有限，對壁面的要求也很高，其足部納米級結構的人工纖毛韌性和強度不足且制作成本較高，距離實際應用還有很大差距。

1.4 靜電吸附

爬壁機器人可以通過靜電吸附的方式吸附在豎直壁面或者天花板上。這種方式主要利用靜電吸盤與壁面之間的電場力作為機器人的吸附力，可作用于各種壁面材料，具有質量輕、功耗低、噪聲小、結構簡單、對壁面無損傷、吸附力可控等優點。

日本東京大學YAMAMOTO等最先嘗試將靜電吸附技術應用于爬壁機器人，采用柔性電路板制作了兩款爬壁機器人樣機，如圖7所示。采用雙電極靜電吸盤，通過尺蠖方式在垂直導體壁面上行走，II型樣機中將雙電極結構改進成了梳妝叉指電極結構，以實現在絕緣壁面上行走。

圖7 東京大學設計的爬壁機器人

哈爾濱工程大學采用鋁箔作為電極，研發了國內首款單履帶結構的靜電吸附式爬壁機器人，通過在電極上施加高壓使機器人能夠在石灰壁面上進行移動。北京航空航天大學研制的靜電吸附爬壁機器人，可在傾角為30°的壁面上實現轉彎。華南理工大學的王黎明研制出雙履帶的靜電爬壁機器人(見圖8)，該樣機兩側履帶均由靜電吸附膜構成，通過調控左右電極速度，使兩側履帶形成速度差，實現爬壁機器人的直線行走、轉向掉頭等運動。

圖 8 雙履帶的靜電爬壁機器人

靜電吸附機器人中使用的柔性電極吸附膜與電機帶動的輾軸之間是通過摩擦力帶動的，故而電極膜容易被磨損，導致吸附性降低。此外，靜電吸附機器人不適用于潮濕工作環境中。

1.5 黏結劑吸附

黏結劑吸附方式通常采用黏性材料，利用分子間的范德華力，在很小的接觸面上產生巨大的吸力且不受壁面材料和粗糙程度的影響。

美國卡內基·梅隆大學研制了一種采用扁平黏合彈性材料的小型機器人Waalbot，它的每個腳上呈三角分布著3個黏性足盤,由電機驅動實現爬升和轉向。韓國蔚山國立科學技術研究所展示了一種壁虎式四足機器人，如圖9所示，它的4個足帶有聚二甲基硅氧烷黏合墊蘑菇形微柱，可以在天花板和不同角度的墻壁上行走。

圖9 壁虎式四足機器人 圖10 Mini-Whegs機器人

美國克利夫蘭大學設計了采用專利技術的爬壁機器人Mini-Whegs，如圖10所示，它的每個輪子上均裝有4個具有特殊黏性的高分子材料制成的長條片狀結構。同軸上2個輪子的葉片與接觸面成一定角度并相互交錯，以此來保證在行進時至少有1個輪子的葉片與壁面相接觸。

黏結劑吸附方式常與仿生吸附相結合，采用這種吸附方式，雖然不受工作壁面的限制，但黏性材料很容易受到環境中灰塵的影響， 使得吸附力下降。

1.6 吸附方式總結

綜上所述，不論是哪種吸附方式，在為爬壁機器人提供吸附力以保證其安全移動的過程中，吸附力總會成為爬壁機器人移動的阻力，如何平衡吸附性與機動性成為關鍵問題。南京林業大學研制了一種采用新型電磁吸附結構的爬壁機器人，如圖11所示。這種電磁結構能讓分別與電磁鐵正負極相連的小滑輪沿著只有下側部采用導電材料制成的兩條環形導電槽移動，當同步帶輪被驅動旋轉時，電磁鐵將依次與導電槽接觸和脫離。在這種方案中，磁力只是吸附力而不會成為機器人運動過程中的阻力。經實驗驗證，這種方案具有可行性。

圖11 電磁吸附爬壁機器人

2 爬壁機器人的行走方式

爬壁機器人常見的行走方式有多足式、輪式、框架式和履帶式等，其中輪式和履帶式最為常見。以上行走方式各具優缺點。

如圖9所示的四足式爬壁機器人，能夠實現在粗糙壁面上穩定爬行，具有一定的越障能力。這種多足步行式爬壁機器人常采用仿生吸附的方式，轉向靈活、壁面過渡性好，但移動速度慢且控制難度大。

中國計量大學研制的一種輪式爬壁機器人如圖12所示，具有運動靈活、耗能少、體積小、質量輕、移動速度快等優勢。但輪式爬壁機器人車輪與壁面的接觸面積小，容易打滑，雖然可以通過增加輔助機構以提高其吸附能力，但會引起自重的增加，因此輪式爬壁機器人的負載性能不好。

圖12 可折疊輪式爬壁機器人 圖13 框架式爬壁機器人

框架結構是一種比較平穩的結構，圖13所示為北京理工大學設計的框架式爬壁機器人，該機器人利用兩層或者多層框架交替運動來實現機器人本體的前進，控制簡單、吸附能力較強，但其移動速度慢且不易轉向。

以圖8所示的雙履帶式爬壁機器人為例，這種爬壁機器人與壁面接觸面積大、自身吸附力較強、可供負載大，但在轉向時需要較大的轉矩，壁面過渡能力也較弱。

在爬壁機器人研究中，常選擇多種行走方式相結合的方法來實現壁面過渡。上海交通大學研制的輪足組合式自主焊接爬壁機器人WCWR，綜合了輪式和足式的優點，性能得到了較大提高。

3 爬壁機器人的驅動方式

驅動方式決定了機器人的運動狀態。常見的驅動方式有氣壓驅動、液壓驅動和電機驅動，原理是將氣壓、液壓或者電機等的能量轉化為機器人直線或者旋轉運動所需能量。

3.1 氣壓驅動

氣壓驅動是采用氣動馬達或者氣缸壓縮氣體實現能量傳輸，在工業上應用很廣。其優點在于原理簡單、便于操作、易于編程，以空氣作為工作介質取之不盡用之不竭，制造成本低、輸入力大且具有良好的緩沖作用。圖14所示的氣壓驅動爬壁機器人，氣缸用于將壓縮空氣的壓力能轉換為機械能以驅動機器人運動。其缺點在于需要配置空氣壓縮機，噪聲較大，且具有強烈的非線性，控制困難。

圖14 氣動六足式爬壁機器人

3.2 液壓驅動

液壓驅動以液壓油作為工作介質，把油壓泵產生的壓力轉換為機器人運動過程中所需要的扭矩和力，通過液壓油缸或液壓馬達來控制執行機構的運動，穩定性較強。它具有動力大、力矩與體積之比大、響應速度高等優點。圖15所示為液壓驅動重載爬壁機器人的液壓系統，以液壓系統控制動力驅動單元的液壓馬達減速裝置，為重載爬壁吸附機構提供行走的驅動力，同時控制液壓馬達減速裝置形成差速工況，實現整套重載爬壁吸附機構的轉向行走。液壓驅動需要設計體積較大的液壓動力源設備和復雜的管路，工作效率較低、維修技術要求高、系統噪聲大，還存在油液泄漏的危險，在一定程度上影響機器人的穩定性和控制精度。因此，液壓驅動常用在大型動力機械上。

圖15 爬壁機器人液壓系統

3.3 電機驅動

電機驅動基本原理一般是通過電機和減速器之間的配合來驅動負載，可以分為普通電機驅動、直流電機驅動和步進電機驅動。電機驅動具有效率高、響應快、體積小、質量小等優點，但在提供大推力時成本較高，且經常需要配合減速器使用，降低速度需要很大的力矩，力矩與質量之比較低，這是電機驅動的一大弊端。圖16所示電機驅動式爬壁機器人啟動時，伺服電動機直驅主動輪，電動機輸出的牽引力需要克服靜摩擦力與重力沿船體的分量，從而完成行進動作。目前，電機發展趨勢為小型化、大功率，擴展了電機驅動的應用范圍和場合。

圖16 電機驅動式爬壁機器人

4 爬壁機器人的壁面過渡結構

爬壁機器人不僅需要在單一壁面上工作，而且會在階梯壁面、存在一定角度的壁面或者復雜曲面環境中工作，這就要求爬壁機器人具有在三維空間壁面過渡的能力。然而，這個問題始終沒有得到很好的解決，這在很大程度上制約了爬壁機器人進一步的發展和應用。

4.1 多段式結構

國內外的學者們大多數采用雙段式或多段式結構來解決爬壁機器人的壁面過渡問題。韓國首爾國立大學采用柔性連接的自適應運動研制了爬壁機器人Combot。美國斯坦福大學基于拉格朗日公式研制了一種磁履帶式多體爬壁機器人，如圖17所示，它可實現在垂直壁面間的過渡。

圖17 磁履帶式多體爬壁機器人 圖18 雙履帶過渡結構

中國計量大學研制了利用扭簧連接的永磁吸附的可折疊輪式爬壁機器人和雙履帶過渡結構式爬壁機器人，分別如圖12和圖18所示。

4.2 連桿結構

哈爾濱工業大學采用三自由度機械臂吸盤和四輪滑動吸附機構相結合的方案，研制了輪足混合雙吸盤爬壁機器人，如圖19所示。輪式移動方式下，吸盤為滑動吸附狀態，機器人能夠在平整壁面上快速移動；雙足運動方式下，吸盤為靜止吸附狀態，可實現機器人的地壁過渡、越障等運動。南京理工大學采用復合連桿機構加絲桿驅動來實現爬壁機器人在各種墻面障礙上的尺蠖式仿生式移動。

圖19 輪足混合雙吸盤 圖20 連桿式爬壁機器人

韓國首爾國立大學采用多連桿軌道機構和氣動黏合技術，解決壁面過渡問題。印度拉姆斯瓦密紀念大學研究了一個連桿式爬壁機器人，將3個吸盤呈三角形放置在連桿兩端，其結構如圖20所示。

4.3 其他結構

除上述結構，學者們還在其他結構上針對壁面過渡問題進行了一些研究。

瑞士聯邦理工學院洛桑分校采用鈍角三角形結構和磁吸附履帶結構相結合的方案研制了爬壁機器人TRIPILLAR，如圖21所示。在內側墻角時，驅動輪通過履帶將動力傳遞至輔助輪，輔助輪與壁面間的摩擦力對機器人產生的反轉力矩將機器人的本體抬起，以達到壁面過渡的目的。

圖21 TRIPILLAR 圖22 行星輪系結構機器人

中國科學院沈陽自動化研究所針對具有雙足輪混合動力運動機構的具有壁面過渡能力的爬壁機器人的步態規劃問題，提出了一種采用插值方案和BP神經網絡的在線自適應算法。北京信息大學設計了一種可以實現內直角壁面過渡的混合磁吸附爬壁機器人模型。中國科學院大學研制了一種由一個行星輪系結構將負壓模塊和真空模塊結合在一起的輪足復合式爬壁機器人，如圖22所示，2種運動方式相互配合，利用復合運動模式可實現交叉面跨越等。

現有的這些關于壁面過渡的研究，大多數還停留在模型仿真階段或實驗室研究階段。在少數有實物的成果中，大部分只具有單一的過渡能力，即只能進行壁面凹過渡或壁面凸過渡，并不能滿足在復雜壁面上移動。南京林業大學研制了一個帶有偏轉離合機構的兩段式磁吸附爬壁機器人，如圖23所示，它具有行走轉向和壁面的凹過渡和凸過渡功能。前后兩車段間連接有能維持一定偏轉角度以完成爬壁機器人在不同夾角壁面上過渡行走的定位機構。其行走轉向和換壁動作主要是依靠伺服電機和4個小型步進電機驅動花鍵齒輪與內齒輪的嚙合與離開的相互協調完成。

圖23 兩段式爬壁機器人結構示意

5 結束語

不同爬壁機器人的吸附方式、行走方式、驅動方式和壁面過渡方式具有不同的優缺點，不同爬壁機器人往往適用于不同的場合。其中，吸附方式爬壁機器人主要的技術瓶頸是吸附性和機動性的統一問題。吸附力越大，工作中的安全性越高，但同時受到的阻力也越大。由于無纜化是爬壁機器人的一個發展方向，應多采用電池供電。在同等的供電條件下，阻力會導致爬壁機器人的損耗增加，續航能力下降。另外，實際應用中還需要爬壁機器人工作于復雜壁面環境，所以它還必須具有在不同工作壁面之間進行壁面過渡的能力。然而，目前對爬壁機器人的研究尚未成熟，現有的技術并不能滿足實際的需求。綜上所述，如何更好地解決吸附性和機動性之間的矛盾以及如何提高爬壁機器人的壁面過渡能力，是研究爬壁機器人的關鍵問題。