爬壁机器人的行业报告

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1、爬壁机器人的行业报告随着移动机器人的迅速发展，壁面爬行机器人得到了各界的高度重视，并在军事、工业以及 民用等领域得到了广泛的应用。（1）建筑外墙面清洗机器人现阶段高层建筑外墙面的清洁多采用人工高空清洗的方式，工人搭乘吊篮、升降平台或 者用安全绳的方式进行清洗，这些方式存在工作效率低，尤其是对工人安全存在很大的隐患。 而建筑外墙清洗机器人可以替代工人完成外墙清洗工作，其可以分为粗糙表面的外墙清洗机 器人和玻璃表面外墙清洗机器人。（2）造船业应用的机器人我国的船舶制造业在制造领域占有重要的地位，随着海洋运输、深海探测等迅速发展， 对船舶制造技术提出了更高的要求，船舶的制造过程主要的加工工序有焊接、

2、除锈、喷涂等 操作，由于这些制造过程环境极其恶劣，比如在焊接过程中，工人需要在密闭的空间中承受 近60 C的高温，近年来国内外积极推动将爬壁机器人应用于船舶制造过程的焊接、涂装、 除锈的制造领域。（3）管道爬壁机器人管道在工业生产中发挥着很重要的作用，比如石油管道、天然气管道、化工行业应用的 各种管道、建筑物内的通风管道、城市管网、工业大型锅炉的热交换管道等等。应用于管道 的爬壁机器人通常有管内爬壁机器人和管外爬壁机器人，机器人通常完成的工作任务有焊 接、检测。（4）罐体爬壁机器人在工业生产中，罐体在石化、冶金等领域有广泛的应用，如液化石油气、天然气储罐， 是由若干经过预先弯曲成球面的钢板通过

3、焊接而成，存储过程中罐体受到较大的工作压力， 一旦金属罐体产生泄露将造成重大的安全生产责任事故，因此对这些压力容器的外壁，严格 规定了清理周期为1年，且其罐内壁检测检验的周期不超过6年，这些行业对于爬壁机器 人的需求也极为迫切。1爬壁机器人的吸附方式通常情况下，爬壁机器人需要在陡峭或者垂直的壁面上行走，甚至在大于90的壁面 或者天花板上面行走。因此爬壁机器人首先需要解决的问题是克服重力的作用，实现机器人 的攀爬动作。而爬壁机器人的攀爬多采用吸附的方式。1.1磁吸附方式磁吸附的方式多应用在攀爬的壁面是导磁体的场景，如造船行业的焊接爬壁机器人、除 锈爬壁机器人和管道检测机器人。浙江大学的朱世强等利

4、用带有永磁体的履带作为机器人的 吸附力来源，研制了一种用于船舶壁面除锈的爬壁机器人，如图1所示，该机器人具有吸附 力大，负载能力强的优点。北京理工大学的杨艳云研究了一种永磁吸附的爬壁机器人，该机 器人可用于风机塔筒焊缝自动检测，如图2所示。闻靖研制了基于储油罐清洗和检测的磁 吸附爬壁机器人，该机器人针对机器人变磁力吸附单元进行了研究。图i永磁吸附履带式图2风机塔筒磁吸附焊接机器人爬壁机器人磁吸附有电磁体吸附和永磁体吸附两种。电磁体爬壁机器人的磁力是电磁铁通电后产生 电磁吸力，它的特点是可以通过调整通电电压来调整电磁力的大小，但是由于需要通过电磁 线圈励磁产生吸力，因此需要提供额外的电源供电，且

5、防水性能要求较高。因此该方法具有 一定的局限性。1.2负压吸附方式负压吸附是利用机器人和被吸附的壁面之间形成负压，产生吸附力而实现吸附。该方式 现有的技术相当成熟，且能承受比较大的负载。但其对吸附面的粗糙度要求较高且设备笨重、 噪声大。日本的西亮于1966年利用负压吸附技术研制出第一个能吸附在垂直壁面上的爬壁机器 人样机，1975年他采用单吸盘结构研制了第二代爬壁机器人样机。此后很多爬壁机器人的 吸附方式均利用了真空吸附原理。如武丽君研制了一种利用负压吸附的单吸盘爬壁机器人， 并研制了原理样机，如图3所示。图3直空吸附的爬壁机器人美国siegel研制了利用真空所产生的吸附力的爬壁机器人，该机器

6、人采用了履带式结 构，履带上有若干个小的真空吸附室随着履带移动，吸附室形成真空而使履带贴紧地面，该 机器人用于波音飞机的探伤。上海交通大学的钱志源等研制了一种采用双吸盘吸附用于玻璃 幕墙清洗的机器人。它的特点是当机器人在移动过程中遇到障碍时，双吸盘交替地工作从而 跨越窗格等障碍物。1.3干性材料静电吸附方式干性黏附材料是模拟壁虎脚掌，通过微机电系统(MEMS)加工技术设计并制作的高分 子材料吸附阵列，该吸附方式最大的优点就是对吸附面的形状和材质没有特殊要求，适应性 较强。2010年斯坦福大学的Mark Cutkoky利用干性黏附材料研制了一种名为Sticky Botlll的 仿壁虎机器人，如图

7、4所示，其脚掌是一种干性黏附材料，它是一种微纳尺度的仿生刚毛， 脚趾能外翻和内收。每条腿使用4台舵机驱动，腿部是五杆机构，该机器人的吸附原理、 运动形式均和壁虎相近，该机器人长760 cm。南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究 所也研究了具有干性黏附材料的壁虎机器人（图5），主要包括壁虎的生物结构、机器人的 运动步态、力学建模、黏附材料的制作和所制作材料黏附力的分析，所研制的壁虎机器人可 以在90墙面上爬行。图4 斯坦福大学图5 南京航空航天大学的Stiokybnt酬制的壁虎机器人1.4攀援式吸附方式日本Inoue. K等研制可以在网状壁面攀爬的爬壁机器人，如 图6所示，它有多个手臂，通过手

8、臂的抓紧金属网格实现吸附和吊挂功能。图6攀援式六足爬壁机器人2爬壁机器人的移动机构及功能目前爬壁机器人技术的研究主要集中在吸附技术和移动技术，与常见的地面移动机器人 相同，爬壁机器人移动部分常用的结构有足式、轮式、履带式和混合式等。2.1足式结构足式机器人常见的有两足、四足和六足等几种。足式结构的机器人最大的优点便是具有 很高的越障能力，对地形的适应能力强，但其结构复杂，也一定程度上造成了控制的难度。 图4所示的Sticky Bot类壁虎机器人的移动就是采用的四足的方式，卡内基麦隆大学Unver O等也研制了一种四足的爬壁机器人Geckobot，如图7所示，该机器人可以在85的 斜面上爬行。图

9、7 Gtcknbot机器人南京航空航天大学仿照壁虎结构研制了 IBSS系列机器人，如图8所示，其特点是每 条腿上都有3个自由度，但机器人的质量重，机身刚性较大，因此机器人的移动过程中存 在过约束问题。图8 TBSS系列机器人加州大学伯克利分校的Ronald Fearing于2012年研究了一种六足爬壁机器人，如图9 所示，该机器人采用干性黏附的方式，可实现垂直面的爬壁功能。上海大学钱晋武也研制了 一种六足爬壁机器人，对其行走运动进行了规划。图9 六足爬壁机器人2.2轮式结构轮式移动机构具有移动速度快、效率高、控制简单等优点，如北京航空航天大学刘传淼18 就是采用四轮移动机构实现机器人在玻璃幕墙

10、表面的移动，如图10所示。但轮式移动机构 要求移动表面平坦且无障碍，且不适合于攀爬，因此应用较少。图1。轮式移动爬壁机器人2.3履带式图11是卡内基梅隆大学Carlo Menon等19所研制的履带式仿壁虎机器人，其履带采用黏 性材料制成，履带的黏附面积较大，因此该机器人的负载能力较大，其不足在于由于履带机 器人在转弯时滑动摩擦较大，对黏附材料损害较大，因而转弯稳定性存在问题。2.4混合式移动机构混合式机器人通常采用轮式和足式的混合，具有轮式和足式的共同优点，但在控制、感知和 结构方面更为复杂。如近年卡内基梅隆大学Michael P. Murphy20研制的类壁虎刚毛群吸附 技术的爬壁机器人一W

11、aal Bot，图12所示就是采用的轮式和足式结合的混合式结构。图11使用粘性履带的图12使用三角形旋转式爬壁机器人足的Wnal Bot图13所示为Daltorio K A基于仿壁虎脚掌吸附材料研制的轮腿式爬壁机器人Mini-Whegs。图14所示为加州大学伯克利分校研制的Mecho-Gecko,该机器人与Waalbot类似采用了轮 腿式的爬行方式，不同的是尾部用两个轮支撑减小了机器人摩擦，提高机器人稳定性。图13四足轮腿丁（机器人Muii-Wliegh图14四轮Meclin-Gecko3爬壁机器人关节驱动方式目前爬壁机器人的关节驱动和水平面移动机器人关节运动驱动方法相同，主要有3种方 法：液

12、压驱动、气压驱动以及电气驱动。（1）液压驱动液压驱动是通过机械能与液体的压力能之间的相互转换，来实现直线往复运动和回旋运 动。其中的液体称为工作介质，一般为矿物油。液压驱动具有单位面积压力高、体积小、能 提供大推力或转矩，力、速度和方向易实现自动控制，防锈性和润滑，寿命长等优点。缺点 是油液的黏度会随着温度的变化而改变，从而影响工作性能；高温燃烧爆炸；油液易泄漏， 造价高；而且需要相应的供油系统以及漏油装置，体积庞大笨重。因此不适合小型机器人。（2）气压驱动气压驱动以压缩气体为工作介质，靠气体的压力传递动力。气压驱动具有黏度小，易达 到高速；利用集中站供气，不必添加动力设备；无污染，安全，可高

13、温作业等优点。缺点为 工作平稳性差，速度控制困难，准确位置控制难；很难解决除水问题，零件容易生锈；存在 噪声污染。（3）电气驱动电气驱动是一种不需要能量转换，通过直接或间接驱动执行机构，就能使得机器人运动 的一种驱动方式。电气驱动具有效率高、精确度高、调速方便、成本低等优点。缺点是推力 较小，大推力时成本较高。为了满足爬壁机器人的要求，其驱动方式要尽量满足爬壁机器人 的需求，即要求体积小，重量轻，控制精度高，在玻璃等易碎表面运动时还要求不能损伤其 爬行的表面。4爬壁机器人存在的技术难题虽然近年来爬壁机器人研究取得了很大的进步，但是爬壁机器人到在工程应用中进行推 广仍然存在以下技术难点仍需攻克:

14、（1）吸附方式爬壁机器人主要在与地面成一定角度的壁面进行工作，特别是垂直壁面甚至是天花板表 面。吸附机构的作用是产生一个向上的力来平衡机器人的重力，使其保持在壁面上。目前， 吸附方式主要有真空负压吸附、磁吸附、螺旋桨推力及粘结剂等几种方式，但是在满足结构 轻巧又能够产生足够吸附力仍然难以满足，如真空负压吸附要求被吸附表面光洁，与被吸附 表面不能产生漏气问题，磁吸附要求被吸附表面是导磁体，静电吸附要求表面洁净不能有灰 尘等等。（2）移动机构和运动控制系统如前所述，爬壁机器人的移动结构通常有轮式、足式、履带式和混合式等，其中，足式 和履带式使用较为广泛。爬壁机器人对越障能力要求较高，也是工程应用的

15、一个极为困难的 问题。当壁面有凸起、沟槽时，要求机器人能够顺利通过，故爬壁机器人要满足充分的越障 能力。对于不同的移动机构，足式机器人的越障能力最好，这是由于当机器人遇到障碍物时， 可以控制机器人的每个腿部抬起跨越障碍，其通行能力较强。由于爬壁机器人的运动是在保证可靠地吸附于壁面前提下有股走的灵活移动能力，而爬 壁机器人工作于壁面的特殊性，其移动机构和吸附机构存在着耦合问题，这给机器人的运动 控制造成了困难。如足式吸盘的爬壁机器人结构，当腿部运动中，由于每个腿部末端有一个 吸盘，每移动一个腿，其动作流程为“去吸附力一抬腿一腿部前移一落腿一吸附”，这一系 列动作中爬壁机器人移动机构和吸附机构要求

16、协调动作，才能保证其在壁面的灵活移动，如 果这一系列耦合运动控制不好，将导致爬壁机器人运动的不稳定问题。（3）爬壁机器人的供能及驱动问题爬壁机器人的供能是机器人的另一关键问题，尤其是在要求机器人重量尽量轻的前提 下。机器人的供能常用的有带电缆供电、通过管道供气，也有通过自带电池或者气瓶的方式。 机器人的驱动是依据供能的方式来确定，主要有电动、气动等。在爬壁机器人设计过程中， 要求尽量使用高力矩质量比的驱动器或者驱动源。如果采用自带能源的方式，则要求能量重 量比尽可能高，例如采用电动驱动的方式，其能源可以采用镍氢电池、锂电池、燃料电池等。 有部分爬壁机器人也可以使用微型内燃机作为能源供给，如汽油发动机等