壁面移动机器人吸附方式的研究现状与发展

近年来 ，机器人 在各个域 中得到广泛的应用。爬壁机器人作为高空作业的种 自动装置，已在高强度、高危险环境中得以应用。这种作业方式替代了人的高空作业，降低了操作的危险性 ，大大提高了检测率。因此爬壁机器人的研究和应用有着其重要的工程应用背景和非常广泛的应用前景，受到各学者的广泛重视。
壁面移动机器人主要用于核工业、石油化工业 、建筑业、造船业、消防等行业，作为能够在垂直陡壁上进行作业的高空限作业的自动装置，越来越受到人们的重视。
吸附装置是壁面移动机器人完成壁面移动的核心，吸附装置的发展直接影响着壁面移动机器人的研发。对于壁面移动机器人有两个问题必须要处理好，壁面吸附问题，二是移动能力，壁面吸附和壁面移动是个矛盾问题，有良好的移动能力就损失了吸附能力。吸附能力过强又给移动带来困难。正确的处理吸附和移动的矛盾是壁面吸附机器人的关键，目前比较成熟的吸附方式主要有三种：磁吸附、真空吸附和推力吸附。此三种技术经过几十年发展 ，在各种各样的壁面机器人上得到了很好 的应用。随着对壁面机器人新的要求，此三种吸附方式局限性 日益凸显 ，所以新的吸附方式的研究开发直接关系着壁面机器人的发展。
本文从三种吸附方式出发，对三种吸附方式的发展进行了分析 ，通过分析三种吸附方式和结合今后对壁面吸附机器人的新要求，对吸附方式的发展趋势进行了展望，并提出了壁面机器人发展的关键所在。
1 吸附方式类型及点
壁面移动机器人能够实现在壁面上 自由移动必须具备吸附功能和移动功能。吸附方式按吸附功能来分有真空吸附、磁吸附和推力吸附三类。三种吸附方式的优缺点比较如表 1所示。
2 吸附方式的研究现状
2．1 磁吸附磁吸附式爬 壁机器人 虽然只适 用于导磁性材料构成的壁面，但能产生较大的吸附力，并且不受壁面凹凸或裂缝的限制。目前，研究的磁吸附壁面移动机器人多为永磁式。磁吸附方式的发展主要体现在以下三种爬壁机器人。

车轮式磁吸附爬壁机器人 ，1988年 日本钢管株氏会社开发 了车轮式磁吸附爬壁机器人 ，它可以吸附在油罐、球形煤气罐和船舶等的壁面上，由两台直流伺服电机分别驱动左右两组车轮单元，磁性轮达到吸附的目的。具有行走稳定、移动速度快的点 ， 大速度可以达到9 m ／m in，适用于各种形状的壁面。该车轮式磁吸附爬壁机器人如图 1所示。

表 1 壁面移 动机器人吸附方式的比较

加拿大研制的 M agnetic C raw ler磁力吸附爬行器如图2 所示，该装置是双履带结构，可在水下 30 m 的深度工作 ，爬行速度为 0～9m ／m in，可在垂直的钢板上爬行 ，可对罐体和压力容器等进行电视检测。

车轮式磁吸附爬壁机器人虽然移动速度较快 ，但有的吸附只是车轮的小部分。步行式磁吸附爬壁机器人虽然吸附面增大了，但移动速度慢。为了提高吸附力和移动速度。l989年店漱茂男等研制了吸盘式磁吸附爬壁机器人 ，如图 3 所示。吸盘与壁面之间有个小的倾角，但吸盘对壁面的吸力依然很大。每个吸盘分别由个 电动机驱动 ，与壁面线接触的吸盘旋转，机器人就随着向前移动。在越障时，可让吸盘依次翻越。这种吸附机构总吸力可达 2730 N ，可使机器人在承受 200 N 的载荷下，在各方向自由行走。

此三类机器人的设计充分地体现了磁吸附优点，磁吸附在壁面爬壁机器人上得到了充分的应用。
2．2 真空吸附
真空吸附的单吸盘的研究先归根于，日本大阪府立大学工学部的西亮在 1 966 年研制的世界上 台垂直壁面移动机器人的原理样机。该机器人采用单个 大吸盘结构 ，利用 电风扇进气测低压作用产生吸附力。使机器人可靠吸附在壁面上，利用履带机构实现机器人在垂直壁面上的移动功能。
对于多吸附盘机器人，日本化工机械技术服务株式会社研制多吸附盘履带式真空吸附爬壁机器人“VACS”，它的主要技术点是在履带上做出多个立的吸附室，当某个吸附室与壁面相接处时，他就 自动与真空管路相连而形成真空腔 ，而当吸附室与壁面脱离时，能自动与真空管路断开，每个吸附室的真空均由各自的真空发生器产生。
香港城市大学研制的 “Cleanbot．2”采用了北航“Cleanbot1”原理 ，该机器人采用多个吸附盘组成的吸附机构和单链条爬行及转向机构，如图4 所示。

综上所述 ，单吸附盘都有个共同的点，即皆有与壁面见存在相对滑动的单真空吸附盘或者是机器人 自身机壳的密封装置通壁面形成个真空室，这种形式的爬壁机器人可实现小型化，轻量化，结构简单易于控制，但是对壁面有定的平滑度的要求，越障能力差，对于复杂壁面环境或者遇到较大的沟槽 ，凸凹时，吸附盘负压难以维持，且由于存在相对滑动，吸盘磨损厉害，对于多吸附盘，克服了单吸附盘的适应性差的问题，并且有较大的负载能力，但是结构比较复杂 ，控制不便，不易实现小型化 。

2.3 推力吸附
1990 年西亮教授推出了推 力型爬壁机器人 ，如图5(a) 所 示。它利用直升机原理 ，由螺旋桨产生的高速气流带动机器人高速移动，螺旋桨的轴线与壁面大约成 200。夹角，始终有指向壁面的推力，从而实现了机器人的吸附功能，使机器人可以紧贴壁面移动，且具有定的越障能力。由掌舵机构控制机器人的移动方向和倾斜角度 ，用4 通道的无线控制器来控制机器人的运动。由于使用柴油机，不带电源线，则使用起来很方便。

北京航空航天大学的机器人研究所研制出的推力型爬壁机器人，如图5(b) 所示 ，利用涵道风扇产生的推力作用，使机器人吸附于壁面。机器人本身不具有自主移动功能，由装在楼顶的缆车通过缆绳拉动机器人上下移动，移动机构不带动力仅为 4 只导向轮控制机器人的行进路线，由地面上的设备控制机器人的运动。

3 吸附方式的发展趋势
经过对壁面移动机器人内外现状的分析与研究，并且结合机器人技术发展的总体趋势，我们认为壁面移动机器人吸附方式的发展具有如下趋势。
3．1 吸附方式将更多地采用干性粘合剂
真空吸附方式和磁吸附方式技术发展已经相对成熟 ，并伴随着商用化产品的出现，在定范围内得到较大的应用，但其缺点限制了进步的推广与应用。干性粘合剂作为种仿生智能材料 ，能够适应各种材质壁面，无噪音，虽然目前其吸附能力还比较差，但随着MEMS加工技术和新材料的发展，人造壁虎脚掌的性能将会有明显提升。目前 ，西方发达家都很重视对壁虎脚掌仿生材料的研究，我南京航空航天大学也已经开展相关方面的研究。
3．2 向适应微小型化机器人发展
21世纪的尖 技术之是微型机器人。仿生微型机器人可以用于小型管道检测作业，可以进入人体肠道进行检查和实施治疗而不伤害人体，也可以进入狭小的复杂环境进行各种作业。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，并且在某些殊场合也需要机器人具有小的体积。各种微型驱动元件 、控制元件及能源供应方式的发展，为小型化 、微型化奠定了基础。因此 ，壁面移动机器人的小型化和微型化是未来非常重要的个发展趋势。小型化 、微型化是当前爬壁机器人发展的趋势。为了适应爬壁机器人的微小化 ，新的吸附方式正在开发研究。仿生微型机器人是今后吸附方式发展的个必然趋势。
4 结语
壁面移动机器人吸附方式的研究日益趋近成熟 ，在原有吸附方式的基础上经不断的研究与开发相继出现了适合各种情况的吸附方式，如间隙永磁吸附、永磁吸附和真空吸附复合等，目前正在探讨其它的吸附方式，如干性粘合剂，高分子合成的粘性材料等新材料的新型吸附方式 ，各个域都在寻找适合自己的吸附方式。吸附技术直是爬壁机器人发展的个瓶颈，它决定了机器人的应用范围。由于 目前应用比较成熟的吸附技术都有很大的局限性，在很多情况下难以满足实际应用的要求，因此，开发和研究新型吸附技术是当前爬壁机器人域的个重要方向。吸附方式的发展正朝着适应微小化爬壁机器人的迅速发展 ，模仿壁虎等动物脚掌的仿生粘性材料的发展是当前新型吸附技术发展的热点。