简介：摘要 随着科技的发展，智能机械得到了长足发展，他们代替人类完成各种各样复杂、繁琐、甚至危险的工作。但对于墙体作业，如风电塔筒清洗、船舶侧壁除锈、火电炉壁检测等工作危险性高且传统的无人机智能车等已经无法满足要求。一种新型的爬墙机器人应运而生。爬壁机器人集机构学、传感、电子、控制和信息技术等为一体，是极限作业机器人的一个分支，目前国内外学者对爬壁机器人进行了大量研究并取得了显著成果。本文首先从吸附方式以及移动方式对爬壁机器人进行了分类并对各种方式的优缺点进行对比分析，阐明了本设计吸附方式以及移动方式的选择依据以及需要解决的问题。然后对间隙式负压吸附爬壁机器人的机构设计进行了详细的介绍，分别从底板、负压发生装置、密封装置、行进装置、电控装置五个部分对其工作机理进行介绍，并对机器人的控制方式进行详细介绍，最后总结了全文内容并对爬壁机器人的发展趋势进行展望。 关键词：爬墙机器人 机械结构 吸附 机器人控制 研究背景 爬壁机器人 (wall climbing robot)是可以在垂直墙壁上攀爬并完成作业的自动化机器人，集机构学、传感、电子、控制和信息技术等为一体，是极限作业机器人的一个分支。现代城市高楼林立 ,大厦壁面大多采用瓷砖结构或玻璃结构 ,常年裸露在外 ,需要进行许多维护工作 ,石化企业对圆柱形大罐需要进行探伤检查或喷漆处理，核工业中需要检查测厚，船舶侧壁除锈、消防辅助救援等方面都迫切需要一款自动化机器人。而爬墙机器人克服了传统机器人、智能车在复杂路面以及陡坡作业的局限性，填补了机器人在墙体作业领域的空白，对机器人取代人类完成高空墙体危险作业有巨大的指导意义。 研究现状 如何快速、高效、稳定的实现爬壁一直是行业中的难题。目前国内外对此进行了大量的研究并提出了多种实现方式。可以按照吸附方式和移动方式进行如下分类。 按照吸附方式分类 爬壁机器人按照吸附方式分类，可以分为磁吸附，负压吸附，吸盘吸附，推力吸附，静电吸附，范德华力吸附等。 其中磁吸附式爬壁机器人采用磁性材料，通过永磁吸附材料使得机器人能够吸附于墙面不易脱落。磁吸附产生的吸力较大，工作方式可靠，但是磁吸附的吸附方式对于吸附壁面的要求较高，仅适用于导磁材料壁面。 负压吸附爬壁机器人安装有离心风扇，电机带动离心风扇旋转时 ,高速旋转的风扇叶之间的气体也跟着旋转 ,并在离心力的作下将这些气体甩出风扇排入大气，而在风扇入口处形成负压，外界的气体在大气压的作用下不断补入。在风扇对的连续旋转作用下风扇出气口不断的排出气体，最终在风机达到某个转速后形成稳定的负压。负压吸附方式产生的吸附力较大，机器人安全性较高，但是机器人需要安装密封装置且吸附力往往会成为行走阻力。 吸盘式爬壁机器人通过在机器人运动构件上加上吸盘，并辅以气泵。机器人在墙面行驶时通过气泵抽气使吸盘产生吸力，通过 PWM波数字电子开关使气泵放气，吸盘得以释放，使得机器人能够前进。吸盘吸附稳定性较强，通过吸盘负压产生的大吸力使得机器人的载荷比大大增加，但是吸盘吸附利用气泵不断的抽气放气这一工作原理限制了机器人的运动速度，当地面凹凸不平时 易使吸盘漏气，导致吸附力下降安全性降低。 推力吸附爬壁机器人通过底部安装涵道风扇，利用涵道风扇工作时产生的斜推力，斜推力与墙面之间存在夹角，可以分解为沿墙面竖直向上的分力和垂直于墙面的附着力。推力吸附原理简单，经济成本较低。但对于多土多尘的路面具有一定的局限性。另外，涵道风扇产生的推力大小及角度需要经过精细的计算，推力过小机器人无法完成爬墙这一功能，而推力较大又可能会使机器人发生倾覆。 静电吸附是指对导电电极施加高压静电从而在电极上产生出大量自由电荷，利用自由电荷所激发的高压强电场促使壁面极化，产生极化电荷，利用通过壁面和电极上极性相反电荷间的电场力作用实现吸附。静电吸附具有低噪声，低功耗，能长时间续航等优点，而缺点为静电吸附通过电场力作用实现吸附，易受外界环境的影响，稳定性及可靠性不高。 范德华力吸附爬壁机器人应用材料仿生学，设计出人造毛，细细密密的人造毛包裹在机器人的运动足部，使得机器人与墙面接触范围大大增加，从而使得范德华力达到最大值，利用范德华力使机器人和墙面“粘”在一起，从而实现机器人的爬墙功能。范德华力吸附具有广阔的适用性，可适用于各种壁面，但是该种吸附方式对于材料的要求较高，仿生材料生产困难且成本较高。 表1 . 吸附方式对比分析表 吸附方式 优点 缺点 磁吸附 产生吸力较大工作方式可靠 对于吸附壁面的要求较高仅适用于导磁材料壁面 负压吸附 产生吸附力较大，安全性较高 需要安装密封装置，吸附力往往会成为行走阻力。 吸盘吸附 稳定性较强，通过吸盘负压产生的大吸力使得机器人的载荷比大大增加 运动速度受到限制，当地面凹凸不平时易使吸盘漏气 推力吸附 原理简单，经济成本较低 对于多土多尘的路面具有一定的局限性，推力计算复杂 静电吸附 低噪声低功耗，能长时间续航 通过电场力作用实现吸附，易受外界环境的影响，稳定性及可靠性不高 范德华力吸附 适用性广阔，可适用于各种壁面 仿生材料生产困难且成本较高 按照移动方式分类 爬壁机器人移动方式主要有轮式，履带式，仿生足式。 轮式爬墙机器人利用滚轮摩擦推动力实现机器人的行进运动，当左右两侧滚轮推动力方向一致时，机器人作前进或后退运动 ; 当左后两侧推动力方向相反时，爬墙机器人做转向运动。轮式爬墙机器人的优点是机械结构简单，易操作，行走速度快，控制灵活且成本较低，但是对于车身材料的重量要求较高，维持一定的吸附力较困难，负载性较差。 履带式爬墙机器人运动系统由原动机 ( 含燃料或电池 ) 、变速箱、主动轴轮、负重轴轮、诱导轴轮和履带组成。履带与墙面之间产生相互作用力，通过驱动装置推动机器人前进。履带式爬墙机器人具有逾越较小障碍的功能，但相较于车轮式机器人运动速度较慢灵活性不高且体积较大。 针对传统的机械结构不能很好的满足爬墙机器人对于速度，载荷比等各项指标的要求，不少学者将目光聚焦在仿生结构上，应用仿生学结构的爬墙机器人如壁虎爬壁机器人。 仿生足式爬墙机器人具有很好的环境适应性，可适用于各种复杂的路面行走。其缺点是机械结构复杂，各种关节冗余，其可靠性相对降低，并且机器人的运动步态的控制较为复杂，机器人运动速度较低，负载能力差且制作成本高。 表 2.移动方式对比分析表 移动方式 优点 缺点 轮式 机械结构简单，易操作，行走速度快，控制灵活且成本较低 对车身材料重量要求较高，维持一定的吸附力较困难，负载性较差 履带式 具有逾越较小障碍的功能 运动速度较慢灵活性不高且体积较大 仿生足式 具有很好的环境适应性，可适用于各种复杂的路面行走 机械结构复杂， 各种关节冗余，其可靠性相对降低 设计方案选择 综合国内外研究现状和现有的成果，结合本次设计的爬壁机器人工作环境为比较平整的玻璃幕墙、粉刷壁面或是稍有凹凸的城市外墙壁，本作品采用负压吸附式履带行走方式设计机器人，并致力于解决机器人负压吸附过程中吸附力与行走阻力之间的矛盾，以及履带行走灵活性不高体积较大等问题。 机器人机构设计 间隙式负压吸附爬壁机器人主要包括底板、负压发生装置、密封装置、行进装置、电控装置。各个部分之间密切配合，提供一种能够灵活在壁面移动的机器人的实施方案。 机器人总体车身结构 机器人机械结构的设计是机器人设计的基础，机器人的机械结构直接影响着机器人的性能。本次设计从小型化轻量化出发，机器人车身材料为强度较大，质量较轻的亚克力板。机器人总体连接结构为 :上底板罩于下底板之上，下底板通过支柱悬挂于上底板下方，下底板四周边缘与上底板四周不连接留有间隙，上下底板中间形成导流空腔，下底板两侧各有一个凹形结构用于嵌入所述行进装置的左右履带。 负压发生装置中高速电机与离心风扇抱轴相连，高速电机通过螺丝固定于上底板，密封装置中的导流机构安装于上下底板的间隙内，与下底板平面呈一定角度，使气流以一定角度流出。阻流装置安装于下底板底面，行进装置的固定机构和驱动电机与上底板固定，左右履带嵌入下底板凹形的履带行走槽内。 圖 1 . 机器人总体车身结构示意图 圖 2. 机器人总体车身结构 透视图 底板 底 板由上底板和下底板组成，上底板罩于下底板之上，下底板通过支柱悬挂于上底板下方，下底板中心开有进风孔，下底板四周边缘与上底板四周不连接留有间隙，上下底板中间形成导流空腔，导流空腔的设计为机器人底部气体的导流提供了空间。下底板安装有阻流装置，两侧各有一个凹形结构用于嵌入所述行进装置的左右履带。 圖 3. 上下底板结构示意图 负压发生装置 负压发生装置主要由高速电机和离心风扇及相关连接件组成，其中高速电机与离心风扇抱轴相连，气流从进风孔进入，当高速电机带动离心风扇高速旋转时，高速旋转的风扇叶片之间的气体也跟着旋转，并在并在离心力的作下将这些气体甩出，气体通过上下底板间的导流空腔，从上下底板间隙处流出。在风扇对的连续旋转作用下，风扇出气口不断的排出气体，外界气体在大气压的作用下不断补入，最终在风机达到某个转速后形成稳定的负压。 圖 4. 负压发生装置结构示意图 密封装置 爬壁机器人必须要具备的两个功能为移动和吸附。密封装置的设计对于机器人的移动吸附有着至关重要的影响，在负压发生装置产生相同负压的情况下，良好的密封装置有利于产生更大的吸附力。传统的被动密封方式通过将负压吸附力作用于密封圈使其变形来填补壁面与吸盘间的缝隙从而实现密封。但是密封圈与壁面相接触，在机器人行走过程中，吸附力往往成为行走阻力，对机器人的行走极为不利。 本设计所采用的密封方式是对机器人密封机构改进的一次探索性研究，通过导流机构，阻流装置，以及履带行走槽的设计实现密封装置与壁面不用接触就可以达到密封的效果 ,即密封装置与壁面间始终存在一定的间隙，因此称为间隙式结构。 导流机构的设计工作原理如下图，它是利用离心风扇排出的气体具有较高的速度。当这些气体通过一个与壁面呈一定角的导流机构后，与泄漏进机器人与壁面缝隙间的气体产生一个冲击，这样阻止了一部分气体流进缝隙，从而保证了空气泄漏量在一个允许的范围内，盘内产生一定的负压。 圖 5. 导流机构工作原理示意图 我们利用 CFD数值模拟仿真分析对加入阻流机构之前以及之后的负压区进行了对比分析，从图中 可以清楚的看出，加入阻流机构之后，密封装置的压力梯度变化比较明显，空气泄漏量少，低负压区带向外扩展，平均负压值增大，从而实现了机器人的稳定吸附，同时机器人密封装置不与壁面接触，大大减小了机器人的行走阻力。 圖 6. 加入导流机构前负压区 圖 7. 加入导流机构后负压区 阻流装置黏附于下底板，为有凸起颗粒的橡胶或鬃毛密封环。当外界气体在大气压的作用下泄漏进机器人与壁面缝隙，阻流装置交错排列的突起橡胶颗粒阻挡了气流的流通路径，从而进一步阻挡了气流泄露进机器人与壁面缝隙。 机器人下底板开设履带行走槽，机器人左右履带嵌入下底板的凹形结构的履带行走槽内，履带在充当行进装置的同时进一步阻挡了气流泄漏进负压区。 圖 8. 阻流装置 及 履带行走槽示意图 行进装置 行进装置为双履带式结构，包括左右履带及其固定装置和驱动电机，行进装置的固定机构和驱动电机与上底板固定，左右履带嵌入下底板的凹形结构内。行进装置支撑爬壁机器人使其下底板底面与壁面保持一定间隙。履带嵌入机器人车身，相对于外设履带，机器人的体积被大大减小。 圖 9. 行进装置示意图 电控装置 电控装置包括电池和控制装置，对负压发生装置、行进装置进行供电和实时控制。利用稳压模块，一块电池同时为行进装置和负压发生装置供电，减少了电池数量进而减轻了机器人的车身重量，有利于机器人载荷比的进一步提高。控制装置可以实现对于负压发生装置中的高速电机转速的实时调节，从而实现机器人对于不同粗糙程度的壁面产生不同的吸附力，减少不必要的能耗。控制装置同时对行进装置进行控制，机器人灵活的在墙壁上前进、后退、转向。 控制系统设计 控制系统是保证机器人吸附稳定和灵活行走的基础，爬壁机器人的控制系统主要由主控芯片、负压控制系统和运动控制系统组成。 机器人主控芯片为 STM32， 12V锂电池经过稳压模块为整个系统供电。主控芯片共输出三路 PWM波来控制运动控制系统中的左右履带电机以及负压控制系统中的高速电机。 负压控制系统根据壁面粗糙程度判断机器人所需要的吸附力，利用 STM32的 ADC模块采集气压传感器数据，将处理后的数据反馈给离心式风机进行调速，通过对高速电机的转速进行调节。确保为机器人提供合适的吸附力。 运 动控制系统利用驱动电路模块来控制机器人的前进、后退、转弯等动作，利用左右履带电机的编码器对车速进行采样、调速。 圖 10. 控制系统设计流程图 多功能模块化设计 我们为机器人安装了保护装置，对电源电压实时监控，在电压低于额定值时发出报警信号请求降落回地面，避免高空倾覆等现象的发生。同时安装 wifi无线视频传输模块，实现了机器人远程图像传输，用户可以根据手机 app实时查看机器人运动情况，可用于远程监测，以及复杂路面的探测等方面。 圖 11. 无线视频传输模块工作示意图 为了实现机器人的多功能可拓展，我们在硬件设计上预留了大量的接口，通过为机器人安装清扫装置，可以实现高层建筑的清洁，为机器人安装温度湿度传感器，可实现机器人对危险复杂地形温度湿度的探测等 总结与展望 总结 本文首先从吸附方式以及移动方式对爬壁机器人进行了分类并对各种方式的优缺点进行对比分析，阐明了本设计吸附方式以及移动方式的选择依据以及需要解决的问题。然后对间隙式负压吸附爬壁机器人的机构设计进行了详细的介绍，分别从底板、负压发生装置、密封装置、行进装置、电控装置五个部分对其工作机理进行介绍，并对机器人的控制方式进行详细介绍。本文提供了一种新型的爬壁机器人实施方案，解决了传统负压式爬壁机器人被动密封方式造成的机器人行走阻力大的问题，以及履带式行走结构机器人行走不灵活、体积较大的问题。并加工出爬壁机器人原理样机，通过实验验证了该实施方案的可行性。 展望 近年来，对于爬壁机器人的研究层出不穷，各种新技术新方法不断涌现。通过总结各种实现方式，爬壁机器人的发展主要朝着以下几个方面发展： 多元化： 爬墙机器人的机械结构，吸附方式以及驱动方式都呈现出多种多样的特点，而各种结构与吸附方式的交叉组合使得爬墙机器人的种类越来越繁多，爬墙机器人朝着多元化的方向发展。各种类型的机器人综合了各种实现方式的优缺点，使得机器人对于不同的应用方面有了更好的适用性。 微型化： 自爬墙机器人问世以来，一直朝着重量越来越轻，体积越来越小等方向发展。机器人变得越来越小巧便携。随着机器人数量的增长和工业生产的发展，高精度的工作种类也对机器人提出了更高的要求。微型化将成为爬墙机器人发展的一大趋势。 多功能化： 目前爬墙机器人的研究还并不成熟。在更好地解决了爬墙机器人对于吸附性以及稳定性最基本的要求后。更多的人将会致力于通过增加相关附件，实现机器人多种功能作业的研究。展望未来，各种工作需求，如侦查探测，高空清洁，船舶除锈等，不同的工作种类对机器人提出了不同的要求。这就促使爬墙机器人从传统的单一品种逐步向多品种发展，未来，随着爬墙机器人技术的进一步成熟，诸如爬墙清洁机器人，爬墙探测机器人这类功能多样且更加有针对性的机器人一定会成为机器人发展的一大趋势。 智能化 : 随着科技的发展，智能机械得到了长足发展，在爬墙机器人领域，通过对机器人增加相关的附件，使得机器人集成视觉跟踪系统和语音识别模块，具备较好的人机交互功能是机器人发展的一大趋势。我们也可以看到，随着科学技术的发展，越来越多的高新技术已经被应用到爬墙机器人领域，如临场感技术，虚拟现实技术，多真体技术，人工神经网络技术，遗传算法和遗传编程，放声技术，多传感器集成和融合技术等。未来，集各种技术于一身的爬墙机器人一定会向着越来越智能化的方向发展。 以上的发展方向也是我们的研究方向，本次设计主要从机器人的机械结构和控制方式出发，对于机器人微型化、智能化等方面欠考虑，还有很多值得完善的地方。以后我们将从以下几个方面对机器人进行改进： 进一步减小机器人的体积的重量，增大机器人的载荷比。 为机器人集成视觉跟踪系统和语音识别模块，使机器人具备较好的人机交互能力。 降低机器人噪音，负压式爬壁机器人由于其工作原理，离心风机产生噪声限制了机器人的工作环境。 提高机器人越障能力，使得机器人具备跨越一定障碍物的能力，增强机器人的适用性。 致謝 本文受河北省高等教育学会高等教育科学研究十三五规划课题“新形势下跨专业本科生协同创新的探索与实践”资助 。 参考文献： 孟献超 .一种多吸盘爬壁机器人的研制 [D].哈尔滨工业大学，哈尔滨， 2003. 武丽君 . 间隙式单吸盘爬壁机器人系统的研究 [D].中国计量学院 ,2013. 仿生爬壁机器人的研究现状 [J]. 黄伟 .  科技风 . 2018(26) 小型舰船吸附式机器人的设计与智能控制 [J]. 邹洁 .  舰船科学技术 . 2016(08) 爬壁机器人新型滑动式负压吸盘空气流场的数值模拟 [J]. 吴善强 ,武丽君 ,黄佩佩 .  机械设计与制造 . 2012(08) 新型除锈爬壁机器人附壁建模与仿真 [J]. 衣正尧 ,弓永军 ,王祖温 ,王兴如 .  四川大学学报 (工程科学版 ). 2011(02) 壁面移动机器人吸附方式的研究现状与发展 [J]. 汪家斌 ,李丽荣 ,陈咏华 ,陈阳 ,陈庚 ,陈金金 .  机械 . 2012(01) 低噪声负压吸附爬壁机器人系统的研究 [D]. 吴善强 .哈尔滨工业大学  2007 王黎明 .基于静电吸附的双履带爬壁机器人设计 [D].华南理工大学，广州， 2012. 王兴如 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