爬墻機(jī)器人綜述

1、爬墻機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 爬墻機(jī)器人分類1.1 用于檢測(cè)和維修領(lǐng)域爬墻機(jī)器人需滿足的要求1) 速度和機(jī)動(dòng)性：對(duì)爬墻機(jī)器人來說速度和機(jī)動(dòng)性是它最重要的兩個(gè)參數(shù)。由于垂直結(jié)構(gòu)的尺寸要求，即使在豎直方向或者天花板上，在檢測(cè)區(qū)域和一些相似點(diǎn)之間也需要實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)。其他的要求與系統(tǒng)的操控和定位能力有關(guān)，這包括移動(dòng)軌跡的精確性，因?yàn)橐恍┯糜跈z測(cè)的傳感器要求在表面進(jìn)行光滑且連續(xù)的運(yùn)動(dòng)。也有可能要求機(jī)器人橫向運(yùn)動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)360°來滿足位置傳感器和一些工具的要求。最后一點(diǎn)，機(jī)器人必須解決臺(tái)階和突起等越障問題，以此來保證其可以到達(dá)建筑物的任何一個(gè)角落。2) 負(fù)載能力：機(jī)器人必須具有攜帶不同重量的負(fù)載的能力。

2、對(duì)于一個(gè)表面的檢測(cè)，攜帶至少10kg的檢測(cè)裝置負(fù)載是必須的，因此，機(jī)器人的尺寸、吸附和運(yùn)動(dòng)裝置都應(yīng)該滿足應(yīng)用的要求。3) 可靠性和安全性：魯棒性是機(jī)器人一個(gè)非常重要的非功能性的性質(zhì)。如果爬墻機(jī)器人在它的一次任務(wù)中失敗了，它就不能在實(shí)踐中投入使用。可靠性和安全性要求包括：硬件魯棒性、最優(yōu)控制、檢測(cè)方法、處理危險(xiǎn)情況以及自我恢復(fù)等。系統(tǒng)本身要保證吸附的足夠安全，因?yàn)榫退闶强煽氐牡湟彩呛芪ｋU(xiǎn)的。4) 易用性：作為一個(gè)檢測(cè)裝置，爬墻機(jī)器人需要比一般的裝置更強(qiáng)大、更有效率、更安全。這當(dāng)然也包括機(jī)動(dòng)性和處理問題的多樣性。因此，根據(jù)任務(wù)要求，它必須能攜帶各種不同的負(fù)載，容易損耗的零件能夠快速被替換，與現(xiàn)有

3、的技術(shù)相比它的操作必須快且簡(jiǎn)單，此外，能耗、重量及機(jī)器人的尺寸也是很重要的。1.2 爬墻機(jī)器人分類(1) 磁吸附式爬壁機(jī)器人磁吸附式爬壁機(jī)器人是一種可以在導(dǎo)磁壁面上進(jìn)行特定作業(yè)如焊接、打磨、檢測(cè)、涂裝等的一種自動(dòng)化機(jī)械裝置?，F(xiàn)有的磁吸附式爬壁機(jī)器人主要有磁足式爬壁機(jī)器人，磁輪式爬壁機(jī)器人，履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人。磁足式爬壁機(jī)器人是靠磁足提供的吸附力吸附在壁面上，由于其行走特點(diǎn)決定了其吸附力必須可調(diào)，多采用電磁鐵提供吸附力。磁足式爬壁機(jī)器人步法控制比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)靈活性不好；磁輪式爬壁機(jī)器人是靠磁輪的吸附力吸附在導(dǎo)磁壁面上，特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)靈活性較好，但是由于磁輪的有效吸附面積小，磁能利用率不高，負(fù)載能

4、力較差；履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人是靠履帶式移的，其特點(diǎn)是負(fù)載能力強(qiáng)，但是在進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)其運(yùn)動(dòng)靈活性較差。 圖1 輪式磁吸附式爬壁機(jī)器人（左）和爬壁機(jī)器人爬壁過程（右）(2) 仿生吸附爬壁機(jī)器人利用動(dòng)物爬壁的特點(diǎn)，制造仿生纖毛（納米級(jí)），與壁面間通過范德華力吸附；其對(duì)壁面材料的適應(yīng)性強(qiáng)，但仿生纖毛需要經(jīng)常更換并清潔，且纖毛制造難度大價(jià)格高昂；優(yōu)點(diǎn)是功耗低噪聲小 圖2 防壁虎爬壁機(jī)器人(a) （b）圖3 密直根州立大學(xué)FLIPPER機(jī)器人（a）與哈工大機(jī)器人（b）(3) 靜電吸附式爬壁機(jī)器人利用靜電感應(yīng)效應(yīng)，通過電荷的庫(kù)侖力產(chǎn)生吸附；對(duì)壁面材料適應(yīng)能力強(qiáng)，但不適用于潮濕的環(huán)境或者壁面有水的環(huán)境；功

5、耗低，噪聲小。 （a） （b）圖4 靜電吸附原理樣機(jī)（a）和靜電吸附式爬壁機(jī)器人（b）(4) 正壓吸附式爬壁機(jī)器人機(jī)器人依靠自身推進(jìn)裝置產(chǎn)生背離壁面方向的氣體，依靠氣體反作用力實(shí)現(xiàn)吸附作用(類似于噴氣飛機(jī))；與負(fù)壓媳婦相比不存在氣體泄漏問題，且對(duì)壁面形狀、材料適應(yīng)能力強(qiáng)；產(chǎn)生推力的裝置噪聲大，體積大且效率較低。 （a） （b）圖5 迪士尼公司研制的輪式機(jī)器人VertiGo(5) 負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人依靠真空泵等動(dòng)力裝置將吸盤內(nèi)部氣體抽出從而與外界大氣壓形成壓差；對(duì)避免材料適應(yīng)能力強(qiáng)，但對(duì)避免粗糙度要求較高；功耗大，噪聲大，真空環(huán)境無法使用。 （a） （b）圖6 輪式驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)吸附爬壁機(jī)器人（a）

6、和ALICIA爬壁機(jī)器人（b）圖7 一種負(fù)壓吸附式爬墻機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖8 爬墻反恐機(jī)器人輪式驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)吸附爬壁機(jī)器人具有較高的移動(dòng)速度，四輪驅(qū)動(dòng)雙吸盤爬壁機(jī)器人組成結(jié)構(gòu)如圖6（a）所示，包括滑動(dòng)吸盤f和r，驅(qū)動(dòng)輪fl（前左輪）、fr（前右輪）、bl（后左輪）、br（后右輪），滑動(dòng)吸盤通過離心真空泵在吸盤密封腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，使機(jī)器人附著于壁面。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)，甩出機(jī)器人負(fù)壓腔內(nèi)的空氣形成負(fù)壓，從而提供爬壁機(jī)器人吸附力。采用離心離心風(fēng)扇的爬壁機(jī)器人通常需要密封機(jī)構(gòu)來保持負(fù)壓差，其具有良好的壁面適應(yīng)能力。圖6（b）所示為意大利D.Longo等研制的ALICIA爬壁機(jī)器人，外徑300mm，重4kg，

7、行走速度2m/min時(shí)負(fù)載為15kg，以吸塵器離心風(fēng)扇作為負(fù)壓發(fā)生裝置，能跨越l0mm高障礙。2 爬壁機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人必須具有兩個(gè)基本功能：壁面吸附功能和移動(dòng)功能。但是，這兩者又是矛盾的：機(jī)器人的負(fù)載能力越強(qiáng)，要求爬壁機(jī)器人和導(dǎo)磁壁面間的吸附力越大，但這也造成了爬壁機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力越大，爬壁機(jī)器人的吸附能力和移動(dòng)性能是矛盾的。(1) 吸附方式比較(2) 移動(dòng)方式比較(3) 爬壁機(jī)器人控制方式1) 單片機(jī)單片機(jī)具備集成度高、體積小、較強(qiáng)的控制功能與擴(kuò)展的靈活性等特點(diǎn)，并且處理速度快，具有較高的可靠性，所以在智能儀器儀表領(lǐng)域其應(yīng)用也十分廣泛。從某種程度而言，單片機(jī)帶動(dòng)了傳統(tǒng)測(cè)量、控制儀

8、器儀表技術(shù)的一項(xiàng)革命，通過單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了儀器儀表技術(shù)的數(shù)字化、智能化、綜合化以及多功能化，與傳統(tǒng)的電子電路或者數(shù)字電路相比，其功能更強(qiáng)大，綜合性更突出。2) PLC控制PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比DCS要低很多。一個(gè)PLC的控制器，可以接收幾千個(gè)I/O點(diǎn)（最多可達(dá)8000多個(gè)I/O）。如果被控對(duì)象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC主要用在工業(yè)控制，里面是類似一個(gè)加強(qiáng)的單片機(jī)。對(duì)輸入輸出均有做處理例如抗干擾，增加帶負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。3) DSPDSP芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地

9、實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。DSP主要用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、雙電動(dòng)機(jī)同步控制平臺(tái)、大尺寸激光數(shù)控加工系統(tǒng)、電壓反饋的機(jī)器人多軸運(yùn)動(dòng)控制器等方面。最顯著的兩大特性是強(qiáng)大的處理數(shù)據(jù)能力和較高的運(yùn)行速度。DSP 數(shù)字信號(hào)處理芯片，這個(gè)用途可做信號(hào)處理，例如圖像處理，數(shù)據(jù)采集處理，它比單片要快很多，比單片機(jī)功能要強(qiáng)大。3 爬壁機(jī)器人吸盤結(jié)構(gòu)(1) 電磁吸盤電磁吸盤為電磁系統(tǒng)和吸盤相結(jié)合，它不需要自備氣泵，也不需要遠(yuǎn)程導(dǎo)氣管。其特點(diǎn)是機(jī)器人在爬墻移動(dòng)時(shí)質(zhì)量輕、吸盤吸氣和排氣快捷。足部接觸墻面時(shí)，電磁鐵斷電，復(fù)位彈簧復(fù)原，推動(dòng)銜鐵，銜鐵通過連桿拉動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，形成活塞內(nèi)部瞬間真空，活塞內(nèi)部瞬

10、間真空先使內(nèi)側(cè)密封裙邊迅速壓緊墻面，連桿的體積小于活塞的體積，使得外側(cè)裙邊動(dòng)作慢于內(nèi)側(cè)密封裙邊壓緊墻面，并且對(duì)內(nèi)側(cè)密封裙邊形成密封保護(hù)。圖9 電磁吸盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(2) 負(fù)壓吸盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖10 吸盤結(jié)構(gòu)圖圖11 吸盤實(shí)物圖當(dāng)吸盤與被吸附面接觸時(shí), 彈性體板, 彈性體邊緣與被吸附面圍成了密封空氣腔如圖2所示.當(dāng)通電加熱時(shí),SMA彈簧發(fā)生奧氏體相變伸長(zhǎng), 偏置彈簧縮短,SMA彈簧產(chǎn)生巨大的相變回復(fù)力, 該相變回復(fù)力通過導(dǎo)桿帶動(dòng)彈性體板變形, 使密封空氣腔的體積變大產(chǎn)生負(fù)壓, 如圖2所示.當(dāng)SMA彈簧斷電冷卻后,SMA彈簧發(fā)生相變恢復(fù)為柔弱的馬氏體, 在偏置彈簧變形回復(fù)力的作用下, SMA彈簧逐漸縮短恢復(fù)到初始狀態(tài), 彈性體不變形, 吸盤內(nèi)的負(fù)壓消失.圖12 吸盤工作原理示意圖(3) 微型真空泵智能吸附足圖13 微型真空泵及智能吸附足4 爬墻機(jī)器人吸附方式與移動(dòng)方式確定(1) 吸附方式確定通過比較磁吸附、靜電吸附、仿生吸附、正壓吸附于負(fù)壓吸附的不同特點(diǎn)和各自得優(yōu)缺點(diǎn)，由于要爬行的壁面可能會(huì)出現(xiàn)凹凸不平，且是非導(dǎo)磁材料，靜電吸附、磁吸附、仿生吸附都不適用，容易出現(xiàn)吸附力不足，吸附失敗的情況，以此選用正壓吸附或者負(fù)壓吸附，具體吸附方式還需要進(jìn)一步根據(jù)攀爬壁面的情況來確定（可借鑒Vertigo和ALICIA爬壁機(jī)器人）。 （a） （b）圖14 Vertigo爬壁機(jī)器