壁面爬行机器人的研究现状与发展趋势

李宗兴，袁安康，张学武，刘 轩，贺静思，舒政捷

（石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003）

目前世界各国的制造业正向着智能制造的方向转型，“中国制造2025”“德国工业4.0”等发展战略对智能机器人的未来发展提出了新的要求[1]。作为机器人领域的重要分支，壁面爬行机器人结合了地面机器人移动技术与壁面吸附技术，使机器人在垂直壁面上贴附、移动的同时能够完成作业任务[2]。在建筑业、船舶制造、航空航天等多方面壁面机器人都得到了广泛的应用，如对高楼玻璃幕墙进行清洗、对船舶壁面进行探伤，对飞机蒙皮进行检测等，取得了巨大的经济与社会效益。

1 壁面爬行机器人的国内外研究现状

自1966年日本研发了第一代壁面爬行机器人起，壁面爬行机器人便成为了机器人领域的一个研究热点。此后，美国、葡萄牙、加拿大等发达国家也都相继研发了多种壁面爬行机器人；我国的壁面爬行机器人研究相比国外起步较晚，存在一定差距，自20世纪80年代以来，国内诸多科研院所与高校研制出了多种壁面爬行机器人，在壁面爬行机器人领域取得了巨大的进步。

1.1 壁面爬行机器人国外研究现状

日本的A.NISHI于1966年成功研制出了世界上第一台负压式垂直壁面爬行机器人，通过电风扇产生的吸附动力使机器人成功贴附在壁面上。1975年又研制了更为实用的单吸盘壁面爬行机器人，有效地增强了吸附力及爬壁的可靠性，同时推动了多吸盘壁面爬行机器人的研究[2]。

波音公司在1989年推出了一种履带式壁面爬行机器人（图1），该机器人设计了严密的气动回路。利用真空吸附原理，履带移动时将带动若干个真空吸附室移动，并通过气动回路使真空吸附室与壁面间形成真空，从而履带贴紧地面，实现对壁面的吸附，使机器人具备较好的吸附稳定性和较强的负载能力，但是结构较为复杂。

图1 履带式壁面爬行机器人

三菱重工2002年提出了一种轮式壁面爬行机器人，该机器人采用磁吸附的方式实现对大型导磁体壁面的吸附，并可对壁面进行检修、清洁和粉刷等工作[3]。葡萄牙科英布拉大学Mahmoud Tavakoli等研制的三轮永磁吸附壁面爬行机器人（图2），其磁轮上存在多个小磁铁，可实现对不同曲率导磁体壁面的自适应，具有较好的机动性[4]。

图2 葡萄牙Omni Climbers

加拿大西蒙弗雷泽大学的Menon，C等于2008年研发的仿蜘蛛型太空攀爬机器人Abigaille-I，采用仿生结构设计，用光刻的方式在PDMS基底刻划粘附阵列，并在行走时提供必要的预紧力便可实现在60°壁面上的稳定粘附与移动。斯坦福大学的Mark Cutkoky研制的仿壁虎壁面爬行机器人Sticky BotⅢ，采用干性黏附材料制作脚掌，模拟了壁虎脚趾结构并且具备微型仿生刚毛，可通过范德华力的作用实现对玻璃、光滑瓷砖等竖直的光滑壁面的吸附，同时舵机驱动机器人四肢使机器人在壁面上移动[4]。

1.2 壁面爬行机器人国内研究现状

我国壁面爬行机器人的研究始于20世纪80年代，在“863”计划的支持下，哈尔滨工业大学率先研发出我国第一台垂直壁面爬行机器人，之后又相继研制了CLR-I、CLR-II型的壁面清洁机器人。前者采用了全方位移动机构，可实现机器人的原地转向；后者将单吸盘吸附与车轮运动组合，同时协调两车轮的转速实现机器人的全方位移动，具有良好的吸附稳定性[2]。

北京航空航天大学研制了一种多足式壁面清洗机器人（图3），该机器人主要由移动平台、清洗装置和地面控制平台组成，通过控制平台对机器人进行远程遥控，利用多足式吸盘机构实现壁面上的吸附与移动，自动化程度较高，避障能力强，但移动缓慢[5]。

图3 多足式壁面清洗机器人

南京航空航天大学的陈磊等研制了一种负压式飞机蒙皮检测机器人，壁面爬行机器人在变曲率壁面上的自适应控制进行了研究。通过对机器人曲面姿态控制器、吸盘组吸附力控制系统、机器人外部辅助定位模块及声源定位系统的设计及机器人的曲面步态分析，实现对飞机蒙皮的无损探伤[6]。

大连海事大学衣正尧等研制了一种永磁真空混合吸附式壁面除锈机器人（图4），该机器人通过履带上的永磁体实现对船舶壁面的吸附，并可根据爬壁高度的变化实现对负载管路质量及重心的自动调节。在垂直壁面工作时，该机器人的爬壁高度不低于30 m，稳定性较好[7]。

图4 船舶壁面除锈机器人

西安理工大学刘彦伟等人基于毛虫腹足对抓机理研制了一种爪刺对抓式壁面爬行机器人，通过凸轮、滚轮的配合驱动爪刺对垂直壁面进行连续的抓附、脱附，且由于抓附和脱附动作均在平行于壁面的状态下执行，抓附稳定且易于脱附[8]。

2 壁面爬行机器人的技术现状

目前壁面爬行机器人为适应特定工作环境、完成攀爬作业任务，主要进行以下研究内容。

2.1 吸附方式

壁面爬行的前提要求机器人与工作表面有良好的吸附性能，能够稳定地保持在壁面上。目前，真空吸附、磁吸附、仿生吸附等吸附技术是壁面爬行机器人的主要研究方向。真空吸附主要适用于光滑大平壁，吸附能力较强，但吸盘气密性要求较高；磁吸附则需要保证相对运动表面为铁磁性材料，更能适应所需吸附力较大的壁面，包括永磁吸附和电磁吸附；仿生吸附承载能力一般，但对于体积较小的爬行装置具有很好的应用前景，且仿生学理论的应用是现阶段壁面爬行机器人吸附方式的热门研究领域[9]。综上所述，目前正在研究的吸附方式都有自身的亮点和局限，针对不同的工作环境和需求采用合适的吸附方式完成特定任务。

2.2 移动方式

现阶段，壁面爬行机器人主要以履带式、足式和轮式等移动方式开展壁面爬行的研究。履带式运动的突出优势是具有较强的越障性能，可适应凹凸不平的壁面，但自身重量较大、工作效率低；足式运动能够满足各种地形条件，但行进速度缓慢且易侧翻；轮式运动的移动效率较高，更容易实现转向、前进和后退，但其越障和地形适应能力较差。

2.3 吸附装置与移动装置的复合

目前壁面爬行机器人吸附装置与移动装置的突出问题常表现为两者易发生工作复合，较大的吸附力是该机器人能够在壁面爬行的前提，而移动又要突破吸附力，故壁面爬行机器人在吸附稳定性与运动灵活性之间存在矛盾。因此在设计过程中需要根据工作环境及任务考虑吸附装置与移动装置的适用范围，选择合适的吸附方式与移动方式进行组合设计。

3 壁面爬行机器人的发展趋势

近年来，城市中的高层建筑层出不穷，因此需要大量人工来进行墙壁的粉刷、喷涂和清洁等高空危险作业。壁面爬行机器人作为高空极限作业的自动化机械装置，能够代替人工完成高强度高危险性作业，因此随着科技创新的发展，对于壁面爬行机器人的研究将更为深入，朝着更为实用化的方向发展。壁面爬行机器人的发展趋势可总结为以下几个方面。

3.1 吸附与爬行的相互适应性

壁面爬行机器人的工作面与地面成一定角度，这要求该机器人具有较大吸附力的同时能够爬行自如。目前壁面爬行机器人的吸附机构与移动机构之间多存在耦合情况，如多足式爬壁机器人，其腿部串并联的设计和足部的吸盘设计是关键，工作时需要完成“稳定吸附-抬起腿部-迈开腿部-落下腿部-稳定吸附”一系列步骤。而现有吸附方式与移动方式在试验阶段存在矛盾，稳定吸附的同时难以移动，灵活移动的同时难以吸附，因此在今后的研究过程中要保证壁面爬行机器人的吸附机构与移动机构相互协调适应。

3.2 单一功能向多功能化过渡

现有的壁面爬行机器人多进行清洁、检测、除锈等作业，多完成单一工序，需要多种壁面爬行机器人完成一套任务。未来将以壁面爬行机器人为载体向着多功能化、作业模块集成化方向发展，在提高工作效率的同时大大提高壁面爬行机器人的有效利用率。

3.3 带缆作业向无缆作业发展

当壁面爬行机器人进行大型作业时，为保证长时间连续工作，需要外界为机器人带缆作业提供吸附与爬行所需的能量。但在工作过程中易造成线缆缠绕、缆绳过度磨损等问题，因此为减轻壁面爬行机器人负重和降低作业风险，无缆作业是壁面爬行机器人未来发展的必然趋势。

3.4 轻量便携一体化发展趋势

在保证机器人结构强度和安全性的前提下，最大程度地减低壁面爬行机器人的质量，不仅能够保证壁面爬行机器人吸附稳定性，而且有利于降低运行阻力、节省制动所需能量。通过优化机器人结构设计、采用新型材料以使机器人变得轻量便携。

3.5 三维空间表面无障碍攀爬

目前壁面爬行机器人的工作方式仅适用于特定平面，如真空吸附适用于光滑大平壁，磁吸附要求相对运动表面为铁磁性材料等。由于工况条件复杂多样，现有的吸附技术和爬行技术仅能适应特殊情况，可实施的作业条件有限，因此为应对各种工作环境，未来新型吸附和爬行关键技术是研究的重点。

3.6 智能化自动化精准化控制

利用人工智能、机器视觉和计算机网络等技术，借助传感器、控制算法等实现壁面爬行机器人环境认知、图像处理、自主作业。通过集成多功能模块，进行信息处理、分析判断、操作控制以实现精准化工作，未来的壁面爬行机器人能根据复杂的工作环境和需求完成自主化任务。