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1  引言

    近幾年來，機器人在各個領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。其中，爬壁機器人是能夠在垂直陡壁上進行作業(yè)的機器人，它作為高空極限作業(yè)的一種自動機械裝置，越來越受到人們的重視。概括起來，爬壁機器人主要用于：
    (1)  核工業(yè)：對核廢液儲罐進行視覺檢查、測厚及焊縫探傷等；
    (2)  石化企業(yè)：對立式金屬罐或球形罐的內(nèi)外壁面進行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐；
    (3)  建筑行業(yè)：噴涂巨型墻面、安裝瓷磚、壁面清洗、擦玻璃等；
    (4)  消防部門：用于傳遞救援物資，進行救援工作；
    (5)  造船業(yè)：用于噴涂船體的內(nèi)外壁等。

2  傳統(tǒng)爬壁機器人的結(jié)構(gòu)及特性

    爬壁機器人必須具有兩個基本功能：在壁面上的吸附功能和移動功能。

    傳統(tǒng)爬壁機器人按吸附功能可分為真空吸附和磁吸附兩種形式：真空吸附法又分為單吸盤和多吸盤兩種結(jié)構(gòu)形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點，但當壁面凸凹不平時，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低；磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種，電磁體式維持吸附力需要電力，但控制較方便。永磁體式不受斷電的影響，使用中安全可靠，但控制較為麻煩。磁吸附方式對壁面的凸凹適應(yīng)性強，且吸附力遠大于真空吸附方式，不存在真空漏氣的問題，但要求壁面必須是導磁材料，因此嚴重地限制了爬壁機器人的應(yīng)用環(huán)境。

    爬壁機器人按移動功能分主要是吸盤式、車輪式和履帶式。吸盤式能跨越很小的障礙，但移動速度慢；車輪式移動速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難；履帶式對壁面適應(yīng)性強，著地面積大，但不易轉(zhuǎn)彎。而這三種移動方式的跨越障礙能力都很弱。

    驅(qū)動方式有兩種：真空式由氣缸驅(qū)動，磁吸附式由電動機驅(qū)動。氣缸和電機不僅質(zhì)量大，增加機器人本體的重量，而且效率很低，能耗非常大。

    供電能源：目前機器人的電能供給均采用有纜接電方式或者是較大的蓄電池。有纜方式使機器人的移動不方便，工作受到一定的影響，而且電纜在壁面上產(chǎn)生摩擦，具有一定的危險性；而蓄電池質(zhì)量大，增加機器人的自身重量，并且供電的時間有限。

3  國內(nèi)外爬壁機器人的現(xiàn)狀

    日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出了車輪式磁吸附爬壁機器人，如圖1所示。

圖1  車輪式磁吸附爬墻機器人

    它可以吸附在各種大型構(gòu)造物如油罐、球形煤氣罐、船舶等的壁面，代替人進行檢查或修理等作業(yè)。這種爬壁機器人靠磁性車輪對壁面產(chǎn)生吸附力，其主要特征是：行走穩(wěn)定速度快，最大速度可達9m/min，適用于各種形狀的壁面，且不損壞壁面的油漆。1989年日本東京工業(yè)大學的宏油茂男研究開發(fā)了吸盤式磁吸附爬壁機器人，吸盤與壁面之間有一個很小的傾斜角度，這樣吸盤對壁面的吸力仍然很大，每個吸盤分別由一個電動機來驅(qū)動，與壁面線接觸的吸盤旋轉(zhuǎn)，爬壁機器人就隨著向前移動，這種吸附機構(gòu)的吸附力可以達到很大。

    我國哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所已經(jīng)成功研制出單吸盤真空吸附車輪行走式爬壁機器人和永磁鐵吸附履帶行走式爬壁機器人。單吸盤輪式壁面移動機器人，有吸附機構(gòu)和移動機構(gòu)兩大部分，移動機構(gòu)由電機、減速器、車輪構(gòu)成，吸附機構(gòu)包括真空泵、壓力調(diào)節(jié)閥、密封機構(gòu)等。真空泵是產(chǎn)生負壓的裝置，其功能是不斷地從負壓腔內(nèi)抽出空氣，使負壓腔內(nèi)形成一定程度的真空度。為維持機器人負壓腔內(nèi)的負壓，還需要有密封機構(gòu)，使機器人可靠地吸附在壁面上并產(chǎn)生足夠的正壓力，從而使驅(qū)動機構(gòu)產(chǎn)生足夠的摩擦力以實現(xiàn)移動功能。由于氣囊密封裝置具有較好的彈性，在壁面有凹凸時，通過氣囊的變形來減小縫隙的高度，可使機器人具有一定的越障能力，且充氣量可由調(diào)節(jié)閥來控制。調(diào)節(jié)彈簧的作用有兩個：一是為密封圈提供密封所必需的正壓力，二是提高氣墊對壁面的適應(yīng)能力，還可起到減震的作用。負壓的控制通過調(diào)節(jié)真空泵的電機電壓來改變電機的轉(zhuǎn)速，同時采用負壓傳感器作為檢測元件，實時檢測負壓的變化，為調(diào)整壓力提供依據(jù)。設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥改變機器人本體內(nèi)的真空度，可防止真空泵因腔內(nèi)真空度過高而冷卻空氣較少而發(fā)熱。

    磁吸附履帶式爬壁機器人采用的是雙履帶永磁吸附結(jié)構(gòu)，如圖2所示，在履帶一周上安裝有數(shù)十個永磁吸附塊，其中的一部分緊緊地吸附在壁面上，并形成一定的吸附力，通過履帶（由鏈條和永磁塊組成）使機器人貼附在壁面上。機器人在壁面上的移動靠履帶來完成，移動時，履帶的旋轉(zhuǎn)使最后的吸附塊在脫離壁面的同時又使上面的一個吸附塊吸附于壁面，這樣周而復始，就實現(xiàn)了機器人在壁面上的爬行。

1步進電機  2諧波減速器  3鏈輪  4單元吸附塊  5框架  6鏈條
圖2  磁吸附爬壁機器人本體結(jié)構(gòu)示意圖

4  爬壁機器人的發(fā)展趨勢

    由于傳統(tǒng)爬壁機器人具有很多的不足之處（如對壁面的材料和形狀適應(yīng)性不強，跨越障礙物的能力弱，體積大，質(zhì)量重等），因此未來爬壁機器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)該向著實用化的方向發(fā)展。

    (1)  吸附裝置
    最近幾年，美、英、俄等國的研究小組真正揭示了壁虎在墻上爬行的秘密，這個秘密就是分子間的作用力―范德華力。范德華力是中性分子彼此距離非常近時產(chǎn)生的一種微弱電磁引力。科學家在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，壁虎腳趾上約有650萬根次納米級的細毛，每根細毛直徑約為200至500納米，約是人類毛發(fā)的直徑的十分之一。這些細毛的長度是人類毛發(fā)直徑的2倍，毛發(fā)前端有100～1000個類似樹狀的微細分枝，每分枝前端有細小的肉趾，這種精細結(jié)構(gòu)使得細毛與物體表面分子間的距離非常近，從而產(chǎn)生分子引力。雖然每根細毛產(chǎn)生的力量微不足道，但累積起來就很可觀。根據(jù)計算，一根細毛能夠提起一只螞蟻的重量，而一百萬根細毛雖然占地不到一個小硬幣的面積，但可以提起二十公斤力的重量。如果壁虎腳上650萬根細毛全部附著在物體表面上時，可吸附住質(zhì)量為133千克的物體，這相當于兩個成人的質(zhì)量。科學家說，壁虎實際上只使用一個腳，就能夠支持整個身體。從壁虎腳的附著力得到的啟示可用于研制爬壁機器人。

    在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用機理的基礎(chǔ)上，運用類比，模擬和模型方法，通過高分子材料化學，工程材料科學，力學和機械學的交叉研究，探索出一種與壁虎腳趾表面結(jié)構(gòu)相近的，經(jīng)物理改進的極性高分子材料（人造壁虎仿生腳干性粘合劑），并應(yīng)用精密微機械加工的手段，設(shè)計并制作模擬壁虎腳趾的吸附裝置，該吸附裝置將適應(yīng)于各種材質(zhì)（如玻璃，粉墻和金屬等）和任意形狀的表面（如平面，柱面，弧面和拐角等）。這種裝置如果研制成功將使爬壁機器人的實用化邁出堅實的一大步。

    (2)  移動方式
    在移動機器人中，輪式和履帶式移動方式已獲得廣泛的應(yīng)用，但是足式移動方式具有輪式和履帶式所沒有的優(yōu)點。足式移動方式的機器人可以相對較容易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等），并且機器人的足所具有的大量的自由度可以使機器人的運動更加靈活，對凸凹不平的地形適應(yīng)能力更強。足式機器人的立足點是離散的，跟壁面接觸的面積小，可以在可達到的范圍內(nèi)選擇最優(yōu)支撐點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。正是由于足式結(jié)構(gòu)多樣、運動靈活，適應(yīng)于各種形狀的壁面上，而且能夠跨越障礙物，因此足式結(jié)構(gòu)將在爬壁機器人上有著較好的應(yīng)用前景。

    (3)  驅(qū)動設(shè)備
    傳統(tǒng)伺服電機因功率重量比低，必須安裝在遠離驅(qū)動的地方，而且電機高速運行后需有減速齒輪來降低速度，致使傳動系統(tǒng)復雜，結(jié)構(gòu)累贅，不能滿足實用化的要求，為此需要研制利用功能材料構(gòu)成的體積小、重量輕、高效率密度的新型電機。

    微特電機所組成的驅(qū)動伺服系統(tǒng)和位置速度傳感系統(tǒng)是機器人關(guān)鍵部件，研制開發(fā)直接驅(qū)動、大力矩、小體積、重量輕、精度高、反應(yīng)靈敏、工作可靠的各類微特電機是提高我國機器人的研究開發(fā)水平，滿足國內(nèi)機器人高性能微特電機的基礎(chǔ)保障。因此微特電機在機器人應(yīng)用的前景是非常樂觀的，而且要求微特電機技術(shù)的發(fā)展，滿足機器人智能化、可靠、靈活、長壽命的需要。因此爬壁機器人使用微特電機技術(shù)的發(fā)展趨勢可歸納為朝高精度、高可靠性、直接驅(qū)動、新原理、新結(jié)構(gòu)、機電一體化、超微化方向發(fā)展。

    超聲波電機 是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動，將彈性材料（壓電陶瓷）的微觀形變通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運動。由于其獨特的運行機理，超聲波電機具有傳統(tǒng)電磁式電機不具備的優(yōu)點：(1) 靠摩擦力驅(qū)動，因而斷電后具有自鎖功能，不需制動裝置；(2) 轉(zhuǎn)矩密度大，低速下可產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩，不需齒輪減速機構(gòu)，因而體積小、質(zhì)量輕、控制精度高、響應(yīng)速度快；(3) 運行無噪聲，不產(chǎn)生也不接受電磁干擾等。正是由于超聲波電機具有眾多優(yōu)點，所以它在爬壁機器人上將有非常好的實用價值。

    (4)  能源問題
    迫切的需要探索出一種新的能源，體積小、供電性能強的電池，或者通過遙控途徑對機器人提供能量和控制信號。目前國內(nèi)外正對此進行積極研究，這方面日本取得了較大的成果。日本已經(jīng)較為成功的將微波技術(shù)應(yīng)用到一臺無線機器人上，該技術(shù)成功的應(yīng)用將會使爬壁機器人的運動范圍得到較大的擴展。

5  結(jié)語

    通過對以上爬壁機器人結(jié)構(gòu)和功能的分析，可以預見當微機械電子技術(shù)、微驅(qū)動器技術(shù)、高分子材料技術(shù)和能源供給方面等高科技領(lǐng)域發(fā)展到一定程度時，這種新型爬壁機器人的實用化才能變成現(xiàn)實。