爬壁机器人技术研究现状及展望

王思佳 吴珊红 李雷

摘 要：近年来移动机器人技术飞速发展，很多种类的移动机器人开始应用到实际中。爬壁机器人作为移动机器人领域的一个重要分支，把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来，大大扩展了机器人的应用范围。本文通过对爬壁机器人应用及研究目的分析，根据其行走机构介绍了目前爬壁机器人的种类，最后进一步讨论了目前磁吸附爬壁机器人的发展趋势。

关键词：爬壁机器人；行走机构；发展趋势

1 爬壁机器人技术研究的意义和目的

智能移动机器人根据移动方式可分为：轮式移动机器人、步行移动机器人（单腿式、双腿式和多腿式）、履带式移动机器人、爬行机器人、蠕动式机器人和游动式机器人等类型。垂直壁面作业超出人的极限，且劳动力消耗极大，爬壁机器人便应运而生。

研究爬壁机器人的目的是为了让其代替人类在石化企业、建筑行业、消防部门、船舶、水下等领域中的危险作业。

2 爬壁机器人国内外研究进展

爬壁机器人要实现导航技术、路径规划技术、多传感器信息融合技术等关键技术，主要取决于机器人的行走机构和工作臂。行走机构的设计，决定了机器人工况适应性、工作可靠性和工作安全性。爬壁机器人按其行走机构大致可分为轮式、履带式、足式三类。

2.1 轮式爬壁机器人

在各种移动机构中，轮式移动机构最为常见，也是磁吸附爬壁机器人中比较早出现的一种行走机构。它的主要优点是运动速度快，结构简单，系统稳定性高，但是它也存在吸附力不易控制，壁面适应能力差等问题。

瑞士苏黎世联邦理工大学的W.Fischer、F.Tache等人提出了磁轮爬墙机器人。[1]该系统有一对“母子”机器人，较大的机器人（母亲）只在厚的金属板处移动，其质量对环境结构稳定性并不重要，所以这种机器人可建造的足够大，可轻松越过各种障碍，较小的机器人（孩子）不具备垂直攀爬能力，只能水平移动，工作时，较大的机器人背着较小的机器人越过焊缝和其他障碍物，到达焊接处时，较小的机器人在金属板的焊接处水平地移动，进行探测。

张卫、黄哲轩等人发明了一种模块化轮式磁吸附爬壁机器人，该机器人包括两个相互独立的车体模块和四组结构相同的轮式永磁吸附单元，两个相互独立的车体模块分为左车体模块和右车体模块，两者结构相同，使机器人在狭小空间工作时，可根据作业需求进行快速拆解、运输和对接。

2.2 履带式爬壁机器人

履带式爬壁机器人采用履带结构的行走方式，并通过不同履带体之间形成的速度差来实现转弯，且机器人的履带与壁面的接触面积大，具有很强的吸附力，因此与采用其他行走方式的机器人相比具有更强的带负载能力和越障能力。

德国kamat公司研制了一种永磁吸附、履带式爬壁机器人。用于搭载船舶除锈清洗器，该机器人采用双履带行走机构，通过气压马达驱动。

北京史河科技有限公司研制了塔筒清洗履带式爬壁机器人。[2]履带由多个强磁铁排列而成，通过强磁吸附在金属塔筒表面，采用两自由度的铰链左右连接履带，可适应不同曲率的曲面，操作者可以通过无线电遥控器控制左右履带进行上下移动或拐弯，配合清洗工具，从而完成塔筒表面的清洗作业。

2.3 足式爬壁机器人

多足式爬壁机器人是当前比较热门的一个研究领域，一般的多足爬行机器人多由舵机或者电动缸控制腿部运动。它的优点在于行动灵活，可适应多种工况，但是其负载能力小、机械足的协调控制困难。

韩国成均馆大学的Hyoukryeol Choi等人设计了一种足式封闭连接结构的爬壁机器人。该机器人的行走机构由两只对称的腿和一个躯干组成，每条腿由执行器驱动的平面闭合运动链组成，并且它们两者同步运动。

辽宁石油化工大学的方杰、佟仕忠等人设计了一种变磁力吸附多足爬壁机器人。该机器人的足式机构以4只仿生足构成，仿生足位于立方体侧下端，平均分布于铝板的4个方向，吸附装置的永磁体的磁力是可控的，当嵌入永磁体的旋转轴的角度为0°时，永磁体的吸附力为0，当角度为 90°时，永磁体的吸附力处于最大值。

3 爬壁机器人的發展趋势

未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展。爬壁机器人的发展趋势归结起来主要有以下几方面。

1）多功能化。爬壁机器人在作业时，要根据需要，能够同时完成多作作业任务，其任务将由现在的由单一化向多功能化方向发展。

2）微型化。随着新技术的推广，爬壁机器人将向着小型化、微型化方向发展，以适应更多的无人环境作业。

3）无缆化。目前爬壁机器人的体积较大，工作时耗电较大，随着先进技术的发展及机器人体积减小，将通过电池可其它方式（如光、磁）提供电源，维持机器人作业所需要电能提供。

4）智能化。将人工智能技术及视觉技术应用于爬壁机器人将是今后发展的重要目标，使爬壁机器人能够更加灵活可靠的完成各项工作。

参考文献：

[1]W.Fischer，F.Tache，R.Siegwart.Inspection system for very thin and fragile surfaces，based on a pair of wall climbing robots with magnetic wheels.Proceedings of 2007 IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems，2007.

[2]36氪.从风电塔筒清洗业务切入，史河科技推出曲面自适应磁吸附爬壁机器人.[2017-06-26].http：//www.sohu.com/a/152038067_114778.html.