爬壁机器人的研究与进展

太原科技大学2011-2012学年第2学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目：机器人技术学生所在院（系）：浙江大学宁波理工学院学生所在学科：机械电子工程姓名：蔡炳清学号：s20110113

爬壁机器人的研究与进展摘要：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。文中介绍了壁面爬行机器人的用途和传统爬壁机器人的结构、吸附方式、移动方式及其特点，阐述了壁面移动式机器人在国内外的发展概况，并对未来爬壁机器人结构及发展趋势作出预测。关键字：爬壁，吸附技术，发展趋势进入21世纪以来，机器人在各行各业中都得到了广泛的应用和发展，其研究与应用水平已成为一个国家经济实力和科技发展水平的重要标志。爬壁机器人是特种机器人的一种,它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来,是在恶劣、危险、极限等情况下进行特定作业的一种自动化机械装置，如今越来越受到人们的重视。目前,爬壁机器人主要应用于核工业、石化工业、造船业、消防部门及侦查活动等领域得到了应用。爬壁机器人的应用取得了良好的社会效益和经济效益。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,特别是小型爬壁机器人成为机器人领域的一个研究热点。1传统爬壁机器人的结构、吸附方式、移动方式及其特点爬壁机器人必须具有两个基本功能:在壁面上的吸附功能和移动功能。传统爬壁机器人按吸附功能可分为真空吸附和磁吸附两种形式:真空吸附法又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式，具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凸凹不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低;磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，电磁体式维持吸附力需要电力，但控制较方便。永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，但控制较为麻烦。磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，且吸附力远大于真空吸附方式，不存在真空漏气的问题，但要求壁面必须是导磁材料，因此严重地限制了爬壁机器人的应用环境。爬壁机器人按移动功能分主要是吸盘式、车轮式和履带式。吸盘式能跨越很小的障碍，但移动速度慢;车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难;履带式对壁面适应性强，着地面积大，但不易转弯。而这三种移动方式的跨越障碍能力都很弱。2 国内外壁面爬行机器人的发展概况自1966年日本的西亮教授研制出第一个爬壁机器人以来,爬壁机器人在日本得到蓬勃发展。之后,英国、西班牙、美国、德国和俄罗斯等国也相继研制出多种爬壁机器人样机。20世纪80年代以来,国内许多院校和科研单位也在爬壁机器人领域取得了长足的发展,研制了多种型号的爬壁机器人。2.1国外爬壁机器人发展概况爬壁机器人是一种能够在壁面爬行作业的极限作业机器人，它是集机构学、传感技术、控制和信息技术等为一体的高技术产品，世界机器人大国日本在极限作业机器人研究方面尤为积极。在过去的几十年里，爬壁机器人技术在世界范围内得到迅速发展，也相继研制出了不同种类的样机，有些已经投入实用。在这一领域，日本取得的成绩突出，美国、英国、法国、意大利、西班牙、澳大利亚、韩国等国也在不断深入研究。早在1966年，在日本大阪府立大学工学部任讲师的西亮，就利用电风扇进气侧低压空气产生的负压作为吸附力制作了一台垂直壁面移动机器人的原理样机，这被看作是爬壁机器人研究的开端。日本应用技术研究所研制出了车轮式磁吸附爬壁机器人，它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是:行走稳定速度快，最大速度可达9m/min，适用于各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。1989年日本东京工业大学的宏油茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人，吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度，这样吸盘对壁面的吸力仍然很大，每个吸盘分别由一个电动机来驱动，与壁面线接触的吸盘旋转，爬壁机器人就随着向前移动，这种吸附机构的吸附力可以达到很大。此后的几十年里，爬壁机器人技术在世界范围内得到了迅速发展，也相继研制出了不同种类的样机，有些已经投入实用。2.2国内爬壁机器人的发展概况和国外相比，国内爬壁机器人的研究起步较晚，但近几年已取得了很大进步。我国的工业机器人从20世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人本体的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离;机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。哈尔滨工业大学机器人研究所已经成功研制出单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人。单吸盘轮式壁面移动机器人，有吸附机构和移动机构两大部分，移动机构由电机、减速器、车轮构成，吸附机构包括真空泵、压力调节阀、密封机构等。真空泵是产生负压的装置，其功能是不断地从负压腔内抽出空气，使负压腔内形成一定程度的真空度。为维持机器人负压腔内的负压，还需要有密封机构，使机器人可靠地吸附在壁面上并产生足够的正压力，从而使驱动机构产生足够的摩擦力以实现移动功能。由于气囊密封装置具有较好的弹性，在壁面有凹凸时，通过气囊的形来减小缝隙的高度，可使机器人具有一定的越障能力。调节弹簧的作用有两个:一是为密封圈提供密封所必需的正压力，二是提高气垫对壁面的适应能力，还可起到减震的作用。负压的控制通过调节真空泵的电机电压来改变电机的转速，同时采用负压传感器作为检测元件，实时检测负压的变化，为调整压力提供依据。磁吸附履带式爬壁机器人采用的是双履带永磁吸附结构，在履带一周上安装有数十个永磁吸附块，其中的一部分紧紧地吸附在壁面上，并形成一定的吸附力，通过履带(由链条和永磁块组成)使机器人贴附在壁面上。机器人在壁面上的移动靠履带来完成，移动时，履带的旋转使最后的吸附块在脱离壁面的同时又使上面的一个吸附块吸附于壁面，这样周而复始，就实现了机器人在壁面上的爬行。3爬壁机器人的发展趋势由于传统爬壁机器人具有很多不足之处，因此未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展。3.1吸附装置最近几年，美、英、俄等国的研究小组真正揭示了壁虎在墙上爬行的秘密，这个秘密就是分子间的作用力——范德华力，范德华力是中性分子彼此距离非常近时产生的一种微弱电磁引力。科学家在显微镜下发现，壁虎脚趾上约有650万根次纳米级的细毛，每根细毛直径约为200至500纳米，约是人类毛发直径的十分之一，毛发前端有100～1000个类似树状的微细分枝，每分枝前端有细小的肉趾，这种精细结构使得细毛与物体表面分子间的距离非常近，从而产生分子引力虽然每根细毛产生的力量微不足道，但累积起来就很可观根据计算，一根细毛能够提起一只蚂蚁的重量，而一百万根细毛虽然占地不到一个小硬币的面积，但可以提起二十公斤力的重量，如果壁虎脚上650万根细毛全部附着在物体表面上时，可吸附住质量为130千克的物体，这相当于两个成人的质量。从壁虎脚的附着方式得到的启示可用于研制爬壁机器人。在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用机理的基础上，通过高分子材料化学、工程材料科学、力学和机械学的交叉学科研究，探索出一种与壁虎脚趾表面结构相近的，经物理改进的极性高分子材料——人造壁虎仿生脚干性粘合剂，并应用精密微机械加工的手段，设计并制作模拟壁虎脚趾的吸附装置，该吸附装置将适应于各种材质和任意形状的表面，这种装置如果研制成功将使爬壁机器人的实用化迈出坚实的一大步。3.2移动方式在移动机器人中，轮式和履带式移动方式已获得广泛的应用，但是足式移动方式具有轮式和履带式所没有的优点，足式移动方式的机器人可以相对较容易地跨过比较大的障碍，并且机器人的足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凸凹不平的地形适应能力更强，足式机器人的立足点是离散的，跟壁面接触的面积小，可以在可达到的范围内选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。正是由于足式结构多样、运动灵活，适应于各种形状的壁面上，而且能够跨越障碍物，因此足式结构将在爬壁机器人上有着较好的应用前景。3.3驱动设备传统伺服电机因功率重量比低，必须安装在远离驱动的地方，而且电机高速运行后需有减速齿轮来降低速度，致使传动系统复杂，结构累赘，不能满足实用化的要求，为此需要研制利用功能材料构成的体积小、重量轻、高效率密度的新型电机。微特电机所组成的驱动伺服系统和位置速度传感系统是机器人关键部件，研制开发直接驱动、大力矩、小体积、重量轻、精度高、反应灵敏、工作可靠的各类微特电机，是提高我国机器人的研究开发水平，满足国内研制高性能机器人的基础保障。因此微特电机在机器人应用的前景是非常乐观的，爬壁机器人使用微特电机技术的发展趋势可归纳为:朝着高精度、高可靠性、直接驱动、新原理、新结构、机电一体化、超微化方向发展。超声波电机:利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将弹性材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。由于其独特的运行机理，超声波电机具有传统电磁式电机不具备的优点:(1)靠摩擦力驱动，断电后具有自锁功能;(2)转矩密度大，低速下可产生大转矩，不需齿轮减速机构，因而体积小、质量轻、控制精度高、响应速度快;(3)运行无噪声，不产生也不接受电磁干扰等。正是由于超声波电机具有众多优点，所以它在爬壁机器人上将有非常好的实用价值。3.4能源问题迫切的需要探索出一种新的能源，体积小、供电性能强的电池，或者通过遥控途径对机器人提供能量和信号控制。目前国内外正对此进行积极研究，这方面日本取得了较大的成果。日本已经较为成功的将微波技术应用到一台无线机器人上，该技术成功的应用将会使爬壁机器人的运动范围得到较大的扩展。4结束语随着机器人技术的出现和发展以及自我保护意识的增强，人们迫切希望能用机器人代替人工进行高空作业。爬壁机器人的使用可以大大降低高层建筑的清洗成本和工业中高空高危设施的维护费用，提高效率，特别是把人从高空作业中解脱出来。因此，研制一种适用于高空作业的爬壁机器人具有重要的社会效益、经济意义和广阔的应用前景。参考文献[1]付宜利,李志海.爬壁机器人的研究进展[J].机械设计,2008,25（4）:63—68.[2]张秀丽，郑浩峻，陈恳,等.机器人仿生学研究综述[J].：机器人，2002，24（2）:188-192.[3]吉爱红，戴振东，周来水.仿生机器人的研究进展[J].机器人,2005,27(3):284-288.[4]崔旭明，孙英飞，何富君.壁面爬行机器人研究与发展[J]，科学技术与工程，2010，10（11）：132—138.[5]王茁，张波，裴荣国，吴敌，张建忠，张学芹.壁面爬行机器人本体的设计[J].吉林化工学院学报，2004，21（4）：116—122.[7]张俊强,张华,万伟民.履带式爬壁机器人磁吸附单元的磁场