爬壁機(jī)器人的研究與進(jìn)展

太原科技大學(xué)2011-2012學(xué)年第2學(xué)期研究生課程考核（讀書報(bào)告、研究報(bào)告）考核科目：機(jī)器人技術(shù)學(xué)生所在院（系）：浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院學(xué)生所在學(xué)科：機(jī)械電子工程姓名：蔡炳清學(xué)號(hào)：s20110113

爬壁機(jī)器人的研究與進(jìn)展摘要：爬壁機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支,可在垂直壁面上靈活移動(dòng),代替人工在極限條件下完成多種作業(yè)任務(wù),是當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。文中介紹了壁面爬行機(jī)器人的用途和傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、吸附方式、移動(dòng)方式及其特點(diǎn)，闡述了壁面移動(dòng)式機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況，并對(duì)未來(lái)爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)及發(fā)展趨勢(shì)作出預(yù)測(cè)。關(guān)鍵字：爬壁，吸附技術(shù)，發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，機(jī)器人在各行各業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，其研究與應(yīng)用水平已成為一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志。爬壁機(jī)器人是特種機(jī)器人的一種,它把地面移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)與吸附技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái),是在惡劣、危險(xiǎn)、極限等情況下進(jìn)行特定作業(yè)的一種自動(dòng)化機(jī)械裝置，如今越來(lái)越受到人們的重視。目前,爬壁機(jī)器人主要應(yīng)用于核工業(yè)、石化工業(yè)、造船業(yè)、消防部門及偵查活動(dòng)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。爬壁機(jī)器人的應(yīng)用取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展,爬壁機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)涌現(xiàn)出一大批豐碩的成果,特別是20世紀(jì)90年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外在爬壁機(jī)器人領(lǐng)域中的發(fā)展尤為迅速。近年來(lái),由于多種新技術(shù)的發(fā)展,爬壁機(jī)器人的許多技術(shù)難題得到解決,極大地推動(dòng)了爬壁機(jī)器人的發(fā)展,特別是小型爬壁機(jī)器人成為機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。1傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、吸附方式、移動(dòng)方式及其特點(diǎn)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(diǎn)，但當(dāng)壁面凸凹不平時(shí)，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(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)功能分主要是吸盤式、車輪式和履帶式。吸盤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。2 國(guó)內(nèi)外壁面爬行機(jī)器人的發(fā)展概況自1966年日本的西亮教授研制出第一個(gè)爬壁機(jī)器人以來(lái),爬壁機(jī)器人在日本得到蓬勃發(fā)展。之后,英國(guó)、西班牙、美國(guó)、德國(guó)和俄羅斯等國(guó)也相繼研制出多種爬壁機(jī)器人樣機(jī)。20世紀(jì)80年代以來(lái),國(guó)內(nèi)許多院校和科研單位也在爬壁機(jī)器人領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,研制了多種型號(hào)的爬壁機(jī)器人。2.1國(guó)外爬壁機(jī)器人發(fā)展概況爬壁機(jī)器人是一種能夠在壁面爬行作業(yè)的極限作業(yè)機(jī)器人，它是集機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、控制和信息技術(shù)等為一體的高技術(shù)產(chǎn)品，世界機(jī)器人大國(guó)日本在極限作業(yè)機(jī)器人研究方面尤為積極。在過(guò)去的幾十年里，爬壁機(jī)器人技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展，也相繼研制出了不同種類的樣機(jī)，有些已經(jīng)投入實(shí)用。在這一領(lǐng)域，日本取得的成績(jī)突出，美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、意大利、西班牙、澳大利亞、韓國(guó)等國(guó)也在不斷深入研究。早在1966年，在日本大阪府立大學(xué)工學(xué)部任講師的西亮，就利用電風(fēng)扇進(jìn)氣側(cè)低壓空氣產(chǎn)生的負(fù)壓作為吸附力制作了一臺(tái)垂直壁面移動(dòng)機(jī)器人的原理樣機(jī)，這被看作是爬壁機(jī)器人研究的開端。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，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)的宏油茂男研究開發(fā)了吸盤式磁吸附爬壁機(jī)器人，吸盤與壁面之間有一個(gè)很小的傾斜角度，這樣吸盤對(duì)壁面的吸力仍然很大，每個(gè)吸盤分別由一個(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。此后的幾十年里，爬壁機(jī)器人技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展，也相繼研制出了不同種類的樣機(jī)，有些已經(jīng)投入實(shí)用。2.2國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人的發(fā)展概況和國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人的研究起步較晚，但近幾年已取得了很大進(jìn)步。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從20世紀(jì)80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人本體的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離;機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。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。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)。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)，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。3爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)由于傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人具有很多不足之處，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。3.1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)直徑的十分之一，毛發(fā)前端有100～1000個(gè)類似樹狀的微細(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130千克的物體，這相當(dāng)于兩個(gè)成人的質(zhì)量。從壁虎腳的附著方式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，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)的交叉學(xué)科研究，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)和任意形狀的表面，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。3.2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，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。3.3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)器人的研究開發(fā)水平，滿足國(guó)內(nèi)研制高性能機(jī)器人的基礎(chǔ)保障。因此微特電機(jī)在機(jī)器人應(yīng)用的前景是非常樂觀的，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:朝著高精度、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):利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)，將彈性材料的微觀形變通過(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)，斷電后具有自鎖功能;(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。3.4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(qiáng)的電池，或者通過(guò)遙控途徑對(duì)機(jī)器人提供能量和信號(hào)控制。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。4結(jié)束語(yǔ)隨著機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展以及自我保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，人們迫切希望能用機(jī)器人代替人工進(jìn)行高空作業(yè)。爬壁機(jī)器人的使用可以大大降低高層建筑的清洗成本和工業(yè)中高空高危設(shè)施的維護(hù)費(fèi)用，提高效率，特別是把人從高空作業(yè)中解脫出來(lái)。因此，研制一種適用于高空作業(yè)的爬壁機(jī)器人具有重要的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)意義和廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)[1]付宜利,李志海.爬壁機(jī)器人的研究進(jìn)展[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2008,25（4）:63—68.[2]張秀麗，鄭浩峻，陳懇,等.機(jī)器人仿生學(xué)研究綜述[J].：機(jī)器人，2002，24（2）:188-192.[3]吉愛紅，戴振東，周來(lái)水.仿生機(jī)器人的研究進(jìn)展[J].機(jī)器人,2005,27(3):284-288.[4]崔旭明，孫英飛，何富君.壁面爬行機(jī)器人研究與發(fā)展[J]，科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（11）：132—138.[5]王茁，張波，裴榮國(guó)，吳敵，張建忠，張學(xué)芹.壁面爬行機(jī)器人本體的設(shè)計(jì)[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，21（4）：116—122.[7]張俊強(qiáng),張華,萬(wàn)偉民.履帶式爬壁機(jī)器人磁吸附單元的磁場(chǎng)