爬壁机器人发展趋势-中文翻译

译文：爬壁机器人发展趋势1.引言：爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支,可在垂直壁面上灵活移动,代替人工在极限条件下完成多种作业任务,是当前机器人领域研究的热点之一。它主要应用于核工业、石化工业、造船业、消防部门及侦查活动等,如对高楼外壁面进行清洗,对石化企业中的储料罐外壁进行检测和维护,对大面积钢板进行喷漆,以及在高楼事故中进行抢险救灾等，并且取得了良好的社会效益和经济效益，具有广阔的发展前景。经过 30 多年的发展,爬壁机器人领域已经涌现出一大批丰硕的成果,特别是20 世纪 90 年代以来,国内外在爬壁机器人领域中的发展尤为迅速。近年来,由于多种新技术的发展,爬壁机器人的许多技术难题得到解决,极大地推动了爬壁机器人的发展。在我国各高校机器人设计活动也已经很广的开展起来，这种氛围对我国机器人的研制开发特别以及专业方面人才的培养是具有积极意义的。2.国外爬壁机器人研究现状1966 年日本的西亮教授首次研制成功壁面移动机器人样机,并在大阪府立大学表演成功。这是一种依靠负压吸附的爬壁机器人。随后出现了各种类型的爬壁机器人,到 80 年代末期已经开始在生产中应用。日本在开发爬壁机器人方面发展最为迅速,主要应用在建筑行业与核工业。如：日本清水建设公司开发了建筑行业用的外壁涂装与贴瓷砖的机器人,他们研制的负压吸附清洗玻璃面的爬壁机器人,曾为加拿大使馆清洗。东京工业大学开发了无线遥控磁吸附爬壁机器人。在日本通产省极限作业机器人国家研究计划支持下,日晖株式会社开发了用于核电站大罐的负压吸附壁面检查机器人等。其他各国也加入到爬壁机器人研究的热潮中如：美国西雅图的 Henry R Seemann 在波音公司的资助下研制出一种真空吸附履带式爬壁机器人“AutoCrawler”。其两条履带上各装有数个小吸附室,随着履带的移动,吸附室连续地形成真空腔而使得履带贴紧壁面行走。美国 CaseWestern Reserve University 研制的采用 4 个“腿轮”的爬壁机器人样机。与前两种机器人相似,该机器人依靠 4 个“腿轮”上的仿生粘性材料来吸附,样机不同的是这 4 个腿轮上脚掌的特殊分布更有利于机器人在壁面上稳定爬行。该机器人质量仅有 87 g。20 世纪 90 年代初,英国朴次茅斯工艺学校研制了一种多足行走式的爬壁机器人。采用模块化设计,机器人由两个相似的模块组成,每个模块包括两个机械腿和腿部控制器。可根据任务需要来安装不同数量的腿,可重构能力强。机械腿采用仿生学机构,模拟大型动物臂部肌肉的功能,为两节式,包括上、下两个杆和3 个双作用气缸,具有 3 个自由度。稳定性好,承载能力大,利于机器人的轻量化,并能跨越较大的障碍物。除腿端部各有一真空吸盘外,机器人腹部设有吸盘, 使机器人具有较大的负载质量比,可达 21。3.国内爬壁机器人研究现状中国也于 20 世纪 90 年代以来进行类似的研究。1988 年在国家“863”高技术计划的支持下,哈尔滨工业大学机器人研究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附两个系列的 5 种型号壁面爬行机器人。研制成功的我国第一台壁面爬行遥控检测机器人,采用负压吸附,全方位移动轮,用于核废液储存罐罐壁焊缝缺陷检测。1994 年开发的用于高楼壁面清洗作业的爬壁机器人 CLR-,采用全方位移动机构,机器人在原地就可以任意改变运动方向。之后开发的 CLR-,采用两轮独立驱动方式同轴双轮差速机构, 通过对两轮速度的协调控制实现机器人的全方位移动,机器人本体和地面控制站之间采用电力线载波通讯方式。上述 3 款爬壁机器人均采用单吸盘结构,弹簧气囊密封,保证了机器人具有较高爬行速度和可靠的附着能力。1995 年研制成功的金属管防腐用磁吸附爬壁机器人,采用永磁吸附结构,靠两条履带的正反转移动来实现转弯。该机器人可以为石化企业金属储料罐的外壁进行喷漆、喷砂,以及携带自动检测系统对罐壁涂层厚度进行检测。1997 年研制的水冷壁清检测爬壁机器人,呈圆弧形永磁吸附块与罐壁圆弧相吻合,提高了吸附力,也提高了作业的效率。上海大学也较早开展高楼壁面清洗作业机器人的研究,先后研制出垂直壁面爬壁机器人和球形壁面爬壁机器人。该球形壁面爬壁机器人采用多吸盘、负压吸附、6 足独立驱动腿足行走方式,可用于不同曲率半径的球形外壁 1996 年以来,北京航空航天大学先后研制成功 WASH2 MAN,CLEANBOT 1,SKYCLEAN,“吊篮式擦窗机器人”和“蓝天洁宝”等幕墙清洗机器人样机。为全气动擦窗机器人;吊篮式清洗机器人,机器人依靠楼顶上的安全吊索牵引移动,利用风机产生的负压使机器人贴附在壁面上以国家大剧院椭球形顶棚清洗为应用背景研制的适用于复杂曲面的自攀爬式机器人样机,由攀爬机构、移动机构、清机器人有许多相似之处,但由于其特殊的工作环境和任务要求,在理论和技术等方面又有一些特殊性。4. 爬壁机器人的关键技术：4.1 吸附机构：吸附机构的作用是产生一个向上的力来平衡机器人的重力,使其保持在壁面上。目前,吸附方式主要有真空负压吸附、磁吸附、螺旋桨推力及粘结剂等几种方式。由于这些吸附方式各自都有局限性,所研制的爬壁机器人往往针对性较强,只适用于某种特定任务,较难通用化。机器人的设计需要针对工作任务、环境,选取合适的吸附方式。近年来,人们通过研究壁虎等爬行动物脚掌的吸附机理,制作出高分子合成的粘性材料,这些材料利用分子与分子之间的范德华力,在很小的接触面积上就可获得巨大的吸附力,而且具有吸附力与表面材料特性无关的优点。但目前这些材料的使用寿命较短, 使用一定次数之后就失去粘性,难以实用化,需要进一步进行研究。4.2 移动机构及运动控制系统：移动机构及运动控制系统爬壁机器人的移动机构主要有轮式、多足式、履带式等,其中,轮式和足式使用较为广泛,履带式多用于磁吸附方式。越障能力是爬壁机器人壁面适应性能的一个重要指标。当工作面上有凸起、沟槽时,机器人要通过这些障碍物,就必须有足够的越障能力。各种移动机构中,多足式机器人的越障能力较强,其每个腿部都置有小吸盘,当遇到障碍物时,可控制各个“腿”,使小吸盘逐个跨过障碍物。壁面机器人的移动机构可以使机器人在可靠吸附的前提下能够在壁面上灵活移动。由于爬壁机器人工作于壁面的特殊性,移动机构常和吸附机构存在耦合,这给机器人的运动控制带来了一些困难。如多吸盘足式爬壁机器人,腿末端各有一个吸盘,每移动一个腿需要完成“消除吸力抬腿迈腿落腿产生吸附力”一系列动作。在此过程中,机器人移动机构的动作要和吸附机构相互协调,才能保证机器人在壁面上的灵活移动。此外,也有移动机构与吸附机构分离的,如单吸盘爬壁机器人,吸盘可持续吸附,驱动轮连续运动实现机器人的移动,运动控制较为简单。 4.3 能源供应及驱动方式：能源供应及驱动方式能源供应方式有通过电线管路为机 器人提供电、气等能源的方式,也有自带电池、气瓶等方式。驱动方式主要有电机气动等几种方式。爬壁机器人的设计尽量采用具有高功效质量比的驱动器和动力源,特别是采用无线控制情况下。采用电机驱动时,能源供应主要有聚合物锂电池、镍氢电池、电化学电池和燃料电池。此外,由于内燃机的能源汽油、氢等燃料具有较高的能重比,先进的微型内燃机也可应用于爬壁机器人。 4.4 安全问题：机器人在受到外界干扰、环境变化情况下,如何保证机器人安全附着于壁面而不至于坠落,或坠落后如何尽量减小机器人的损伤。过去所研制的高楼清洗爬壁机器人, 大都采用由置于高楼顶上的运载小车、卷扬机构和系在机器人上的钢丝绳组成保险系统。而对于一些其他用途的机器人,比如侦查用的小型爬壁机器人,其目标并不确定,不能采用保险绳的方式,因而需要研究新的防坠落方式。可以考虑采用降落伞、小功率螺旋降落浆、快速撑起阻降板等,这些可能会成为未来爬壁机器人安全措施的发展方向。5.爬壁机器人的发展趋势驱动、传感、控制等硬软件技术的发展极大地推动了爬壁机器人技术的发展,实际应用的需求也对爬壁机器人的发展提出了挑战,爬壁机器人的发展趋势归结起来主要有以下几方面。(1)新型吸附技术的发展。吸附技术一直是爬壁机器人发展的一个瓶颈,它决定了机器人的应用范围。(2)爬壁机器人的任务由单一化向多功能化方向发展。过去所研制的爬壁机器人大多用于清洗、喷涂、检测等作业,作业任务往往只局限于单一的任务。而目前人们则希望爬壁机器人能够装备多种工具,在不同的场合进行工作。(3)小型化、微型化是当前爬壁机器人发展的趋势。在满足功能要求的前提下,体积小、质量轻的机器人可较小能耗,具有较高灵活性,并且在某些特殊场合也需要机器人具有小的体积。(4)由带缆作业向无缆化方向发展。由于爬壁机器人的作业空间一般都较大,带缆作业极大地限制了机器人的作业空间,所以,为了提高机器人的灵活性和扩大工作空间,无缆化成为现在和未来爬壁机器人的发展趋势。(5)由简单远距离遥控向智能化方向发展。与人工智能相结合,使机器人在封闭环境中能够具有一定的自主决策能力, 完成任务,并具有自我保护能力,是移动机器人发展的重要方向,也是爬壁移动机器人的重要发展方向。(6)可重构是机器人适应能力的一项重要指标。为了使机器人能够应用于不同场合,根据任务需求,在不需要重新设计系统条件下,充分利用已有的机器人系统,应使机器人具有可重构性,即具有模块化结构。根据任务需求,把需要的模块直接连接起来组成新的机器人。