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1  引言

    近幾年來(lái)，機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。其中，爬壁機(jī)器人是能夠在垂直陡壁上進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人，它作為高空極限作業(yè)的一種自動(dòng)機(jī)械裝置，越來(lái)越受到人們的重視。概括起來(lái)，爬壁機(jī)器人主要用于：
    (1)  核工業(yè)：對(duì)核廢液儲(chǔ)罐進(jìn)行視覺(jué)檢查、測(cè)厚及焊縫探傷等；
    (2)  石化企業(yè)：對(duì)立式金屬罐或球形罐的內(nèi)外壁面進(jìn)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(mén)：用于傳遞救援物資，進(jìn)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(jī)器人的結(jié)構(gòu)及特性

    爬壁機(jī)器人必須具有兩個(gè)基本功能：在壁面上的吸附功能和移動(dòng)功能。

    傳統(tǒng)爬壁機(jī)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(pán)和多吸盤(pán)兩種結(jié)構(gòu)形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)壁面凸凹不平時(shí)，容易使吸盤(pán)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(duì)壁面的凸凹適應(yīng)性強(qiáng)，且吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附方式，不存在真空漏氣的問(wèn)題，但要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，因此嚴(yán)重地限制了爬壁機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境。

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

    驅(qū)動(dòng)方式有兩種：真空式由氣缸驅(qū)動(dòng)，磁吸附式由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。氣缸和電機(jī)不僅質(zhì)量大，增加機(jī)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(jī)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(jī)器人的移動(dòng)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(xiǎn)性；而蓄電池質(zhì)量大，增加機(jī)器人的自身重量，并且供電的時(shí)間有限。

3  國(guó)內(nèi)外爬壁機(jī)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(jī)器人，如圖1所示。

圖1  車輪式磁吸附爬墻機(jī)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(jìn)行檢查或修理等作業(yè)。這種爬壁機(jī)器人靠磁性車輪對(duì)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(dá)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(xué)的宏油茂男研究開(kāi)發(fā)了吸盤(pán)式磁吸附爬壁機(jī)器人，吸盤(pán)與壁面之間有一個(gè)很小的傾斜角度，這樣吸盤(pán)對(duì)壁面的吸力仍然很大，每個(gè)吸盤(pán)分別由一個(gè)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，與壁面線接觸的吸盤(pán)旋轉(zhuǎn)，爬壁機(jī)器人就隨著向前移動(dòng)，這種吸附機(jī)構(gòu)的吸附力可以達(dá)到很大。

    我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所已經(jīng)成功研制出單吸盤(pán)真空吸附車輪行走式爬壁機(jī)器人和永磁鐵吸附履帶行走式爬壁機(jī)器人。單吸盤(pán)輪式壁面移動(dòng)機(jī)器人，有吸附機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)兩大部分，移動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)、減速器、車輪構(gòu)成，吸附機(jī)構(gòu)包括真空泵、壓力調(diào)節(jié)閥、密封機(jī)構(gòu)等。真空泵是產(chǎn)生負(fù)壓的裝置，其功能是不斷地從負(fù)壓腔內(nèi)抽出空氣，使負(fù)壓腔內(nèi)形成一定程度的真空度。為維持機(jī)器人負(fù)壓腔內(nèi)的負(fù)壓，還需要有密封機(jī)構(gòu)，使機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生足夠的摩擦力以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能。由于氣囊密封裝置具有較好的彈性，在壁面有凹凸時(shí)，通過(guò)氣囊的變形來(lái)減小縫隙的高度，可使機(jī)器人具有一定的越障能力，且充氣量可由調(diào)節(jié)閥來(lái)控制。調(diào)節(jié)彈簧的作用有兩個(gè)：一是為密封圈提供密封所必需的正壓力，二是提高氣墊對(duì)壁面的適應(yīng)能力，還可起到減震的作用。負(fù)壓的控制通過(guò)調(diào)節(jié)真空泵的電機(jī)電壓來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)采用負(fù)壓傳感器作為檢測(cè)元件，實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)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(jī)器人本體內(nèi)的真空度，可防止真空泵因腔內(nèi)真空度過(guò)高而冷卻空氣較少而發(fā)熱。

    磁吸附履帶式爬壁機(jī)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(gè)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(guò)履帶（由鏈條和永磁塊組成）使機(jī)器人貼附在壁面上。機(jī)器人在壁面上的移動(dòng)靠履帶來(lái)完成，移動(dòng)時(shí)，履帶的旋轉(zhuǎn)使最后的吸附塊在脫離壁面的同時(shí)又使上面的一個(gè)吸附塊吸附于壁面，這樣周而復(fù)始，就實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在壁面上的爬行。

1步進(jìn)電機(jī)  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(jī)器人本體結(jié)構(gòu)示意圖

4  爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

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

    (1)  吸附裝置
    最近幾年，美、英、俄等國(guó)的研究小組真正揭示了壁虎在墻上爬行的秘密，這個(gè)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(shí)產(chǎn)生的一種微弱電磁引力?？茖W(xué)家在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，壁虎腳趾上約有650萬(wàn)根次納米級(jí)的細(xì)毛，每根細(xì)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(xì)毛的長(zhǎng)度是人類毛發(fā)直徑的2倍，毛發(fā)前端有100～1000個(gè)類似樹(shù)狀的微細(xì)分枝，每分枝前端有細(xì)小的肉趾，這種精細(xì)結(jié)構(gòu)使得細(xì)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(xì)毛產(chǎn)生的力量微不足道，但累積起來(lái)就很可觀。根據(jù)計(jì)算，一根細(xì)毛能夠提起一只螞蟻的重量，而一百萬(wàn)根細(xì)毛雖然占地不到一個(gè)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(wàn)根細(xì)毛全部附著在物體表面上時(shí)，可吸附住質(zhì)量為133千克的物體，這相當(dāng)于兩個(gè)成人的質(zhì)量。科學(xué)家說(shuō)，壁虎實(shí)際上只使用一個(gè)腳，就能夠支持整個(gè)身體。從壁虎腳的附著力得到的啟示可用于研制爬壁機(jī)器人。

    在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用類比，模擬和模型方法，通過(guò)高分子材料化學(xué)，工程材料科學(xué)，力學(xué)和機(jī)械學(xué)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(jìn)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(jī)械加工的手段，設(shè)計(jì)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(jī)器人的實(shí)用化邁出堅(jiān)實(shí)的一大步。

    (2)  移動(dòng)方式
    在移動(dòng)機(jī)器人中，輪式和履帶式移動(dòng)方式已獲得廣泛的應(yīng)用，但是足式移動(dòng)方式具有輪式和履帶式所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)。足式移動(dòng)方式的機(jī)器人可以相對(duì)較容易地跨過(guò)比較大的障礙（如溝、坎等），并且機(jī)器人的足所具有的大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，對(duì)凸凹不平的地形適應(yīng)能力更強(qiáng)。足式機(jī)器人的立足點(diǎn)是離散的，跟壁面接觸的面積小，可以在可達(dá)到的范圍內(nèi)選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過(guò)嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。正是由于足式結(jié)構(gòu)多樣、運(yùn)動(dòng)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(jī)器人上有著較好的應(yīng)用前景。

    (3)  驅(qū)動(dòng)設(shè)備
    傳統(tǒng)伺服電機(jī)因功率重量比低，必須安裝在遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)的地方，而且電機(jī)高速運(yùn)行后需有減速齒輪來(lái)降低速度，致使傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)累贅，不能滿足實(shí)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(jī)。

    微特電機(jī)所組成的驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)和位置速度傳感系統(tǒng)是機(jī)器人關(guān)鍵部件，研制開(kāi)發(fā)直接驅(qū)動(dòng)、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(jī)是提高我國(guó)機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)水平，滿足國(guó)內(nèi)機(jī)器人高性能微特電機(jī)的基礎(chǔ)保障。因此微特電機(jī)在機(jī)器人應(yīng)用的前景是非常樂(lè)觀的，而且要求微特電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，滿足機(jī)器人智能化、可靠、靈活、長(zhǎng)壽命的需要。因此爬壁機(jī)器人使用微特電機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可歸納為朝高精度、高可靠性、直接驅(qū)動(dòng)、新原理、新結(jié)構(gòu)、機(jī)電一體化、超微化方向發(fā)展。

    超聲波電機(jī) 是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)，將彈性材料（壓電陶瓷）的微觀形變通過(guò)共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運(yùn)動(dòng)。由于其獨(dú)特的運(yùn)行機(jī)理，超聲波電機(jī)具有傳統(tǒng)電磁式電機(jī)不具備的優(yōu)點(diǎn)：(1) 靠摩擦力驅(qū)動(dòng)，因而斷電后具有自鎖功能，不需制動(dòng)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(jī)構(gòu)，因而體積小、質(zhì)量輕、控制精度高、響應(yīng)速度快；(3) 運(yùn)行無(wú)噪聲，不產(chǎn)生也不接受電磁干擾等。正是由于超聲波電機(jī)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，所以它在爬壁機(jī)器人上將有非常好的實(shí)用價(jià)值。

    (4)  能源問(wèn)題
    迫切的需要探索出一種新的能源，體積小、供電性能強(qiáng)的電池，或者通過(guò)遙控途徑對(duì)機(jī)器人提供能量和控制信號(hào)。目前國(guó)內(nèi)外正對(duì)此進(jìn)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(tái)無(wú)線機(jī)器人上，該技術(shù)成功的應(yīng)用將會(huì)使爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍得到較大的擴(kuò)展。

5  結(jié)語(yǔ)

    通過(guò)對(duì)以上爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)和功能的分析，可以預(yù)見(jiàn)當(dāng)微機(jī)械電子技術(shù)、微驅(qū)動(dòng)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(shí)，這種新型爬壁機(jī)器人的實(shí)用化才能變成現(xiàn)實(shí)。