桂仲成

（京東方科技集團(tuán)股份有限公司，北京，100176）

爬壁機(jī)器人能源工業(yè)應(yīng)用與發(fā)展

桂仲成

（京東方科技集團(tuán)股份有限公司，北京，100176）

摘 要本文對爬壁機(jī)器人在能源工業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行分析，對爬壁機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展進(jìn)行研究，并提出其工業(yè)應(yīng)用研發(fā)技術(shù)路線發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：爬壁機(jī)器人，能源工業(yè)

1　爬壁機(jī)器人工業(yè)應(yīng)用

1.1 定義

爬壁機(jī)器人[1]是一種可以在各式各樣壁面上攀爬、攜帶作業(yè)工具及附屬設(shè)備并完成特定作業(yè)的移動(dòng)機(jī)器人，主要代替人從事危險(xiǎn)、繁重的現(xiàn)場作業(yè)，無須安裝腳手架，可提高作業(yè)效率、提升作業(yè)質(zhì)量并保障作業(yè)安全。其工業(yè)應(yīng)用主要包括：

檢查與檢測：包括電廠設(shè)備、輸電電纜、管道、石化儲(chǔ)罐、船舶、海洋平臺(tái)、橋梁等設(shè)施的檢查和無損檢測等；

材料加工：包括石化儲(chǔ)罐、船舶、海洋石油平臺(tái)等的切割、焊接、打磨、噴涂等；

維護(hù)：包括船舶、飛機(jī)等的除銹以及高層建筑物的清洗等；

其他：包括貨物運(yùn)輸、救援、公共安全等。

1.2 能源行業(yè)應(yīng)用

1.2.1 應(yīng)用需求

本節(jié)重點(diǎn)對以能源轉(zhuǎn)化為核心應(yīng)用的爬壁機(jī)器人需求進(jìn)行分析。其中，電廠外部主要包括資源運(yùn)輸以及電力輸送設(shè)備，資源運(yùn)輸涉及的設(shè)施包括船舶、管道、火車、儲(chǔ)罐等，電力輸送涉及的設(shè)施包括電纜等；發(fā)電設(shè)備主要包括鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、核島裝備、風(fēng)機(jī)等。

能源變化過程涉及的主要設(shè)備往往是大型設(shè)備，其特征是“重、大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜”，很多制造環(huán)節(jié)還是手工作業(yè)，有時(shí)還必須在現(xiàn)場作業(yè)，這其中又以焊接作業(yè)最為典型，此類部件是實(shí)現(xiàn)制造自動(dòng)化的瓶頸。

為提升制造水平、提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量，迫切要求實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)件焊接等作業(yè)的自動(dòng)化。但是，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人或?qū)Ｓ米詣?dòng)化裝備由于在移動(dòng)靈活性和柔性（智能）等方面受局限，很難在這種場合應(yīng)用，故迫切需要新的解決方案。解決這一問題的思路之一是采用比工件更大的自動(dòng)化系統(tǒng)，但這種自動(dòng)化系統(tǒng)的成本很高且適用的產(chǎn)品種類有限，因此，此類大型自動(dòng)化系統(tǒng)競爭力較弱。爬壁機(jī)器人可在工件表面全方位移動(dòng)并能適應(yīng)不同種類的工件，在作業(yè)靈活性和柔性等方面具備很大的優(yōu)勢且成本相對較低，因此其在大型鋼結(jié)構(gòu)件的焊接（包括切割）、噴涂、無損檢測等作業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

另一方面，能源設(shè)備往往都是重要的基礎(chǔ)設(shè)施，一般均需要定期檢修。以大型發(fā)電設(shè)備檢修為例，這些設(shè)施的檢修或者需要撘腳手架、或者需要把檢修對象拆下來在車間內(nèi)進(jìn)行檢修，這造成檢修周期長。如果能夠免除搭、拆腳手架或者拆卸安裝檢修對象的工序，能在現(xiàn)場完成檢修，這可以減小非必須的輔助工序時(shí)間（拆卸、安裝、調(diào)試等），會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。另外，在某些場合下，由于環(huán)境的限制（如放射性的場所、高空），工人進(jìn)行檢修作業(yè)存在巨大的安全隱患。而由各式各樣的爬壁機(jī)器人進(jìn)行上述檢修作業(yè)，不僅可以縮短檢修周期、提高檢修作業(yè)效率，也可以提升作業(yè)質(zhì)量和保障作業(yè)安全。因此，從上述角度來說，爬壁機(jī)器人在此類檢修作業(yè)中應(yīng)用前景廣闊。

綜上所述，爬壁機(jī)器人在能源轉(zhuǎn)化涉及的海洋石油平臺(tái)、船舶、管道、儲(chǔ)罐以及大型發(fā)電設(shè)備等設(shè)施的制造（或建造）以及在役檢修維護(hù)方面具有很大的市場潛力。

1.2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

本節(jié)重點(diǎn)對已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用或生產(chǎn)的典型機(jī)器人產(chǎn)品進(jìn)行介紹。

1）Alstom Inspection Robotics

該公司由Alstom（瑞士）和Swiss Federal Institute of Technology于2006年合資成立，致力開發(fā)適用于電廠、化工以及石化工業(yè)設(shè)施自主檢測的機(jī)器人產(chǎn)品。目前已開

發(fā)出系列檢查機(jī)器人，主要有：

A） Alstom模塊化大表面檢測機(jī)器人

該機(jī)器人自重12 kg，尺寸為410mm×45mm×410mm，負(fù)載能力10kg，如圖1（a）所示。機(jī)器人采用磁輪吸附（可跨越10mm高的障礙物），遠(yuǎn)程控制，可自主跟蹤焊縫以及特定的輪廓，具有自主防碰能力，可集成8-16通道超聲檢測儀以及4通道渦流檢測儀、攝像頭以及水槍等工具，并具備檢測數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄與自主創(chuàng)建缺陷分布圖功能，可用于船舶、大型儲(chǔ)罐與容器、壓力水管以及風(fēng)機(jī)塔架等大型表面的檢查。

B） Alstom小型四輪檢測機(jī)器人

Alstom小型四輪檢測機(jī)器人，采用永磁吸附方式（間隙吸附），可攜帶超聲等檢測儀器，具備數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄和處理功能，遠(yuǎn)程控制，如圖1（b）所示，可用于轉(zhuǎn)子等規(guī)則零部件的無損檢測。

C） Alstom Magnebike檢測機(jī)器人

Alstom Magnebike機(jī)器人自重3.5kg，尺寸180mm× 130mm×220mm ，如圖1（c）所示。機(jī)器人采用磁輪吸附、自行車運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，具備很強(qiáng)的壁面適應(yīng)能力，可用于汽輪機(jī)蒸汽室等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場檢測。

D）Alstom定子檢測機(jī)器人

該機(jī)器人高度僅有9mm，軸向采用磁輪驅(qū)動(dòng)，周向采用“蠕動(dòng)“方式移動(dòng)，適用于定子在役檢測，如圖1（d）所示。

圖1　Alstom 系列檢測機(jī)器人

2）GE Energy

A）GE管道檢測機(jī)器人

GE開發(fā)了適用于6-30英寸（15.2-76.2cm）管道檢測的系列機(jī)器人，如圖2（a）所示。機(jī)器人采用有纜方式供電和傳輸數(shù)據(jù)，可在彎道（1.5倍管子直徑）內(nèi)行走，可攜帶視覺、超聲檢測等工具，最大行駛距離1000英尺（約300m），可用于核電站、油氣運(yùn)輸、精煉廠等管道的檢測。

B）GE Magic定子檢測機(jī)器人

GE開發(fā)的適用于電機(jī)定子檢測的機(jī)器人高度約12 mm，可完成定子的在役檢測，如圖2（b）所示。

圖2　GE檢測機(jī)器人

3）Olympus

WeldROVER機(jī)器人可進(jìn)行全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、操作簡便的電動(dòng)掃查，如圖3所示。機(jī)器人采用四磁輪吸附方式，具備激光導(dǎo)引焊縫跟蹤功能。最多可使用6個(gè)探頭，具有UT、TOFD、PA功能，可對鐵磁性管件或容器進(jìn)行高效的相控陣焊縫檢測。

4）Jireh Industries

加拿大Jireh Industries公司開發(fā)了兩款無損檢測機(jī)器人產(chǎn)品Navic和Tripod，如圖4和圖5所示。Navic尺寸為21cm× 2.6cm×25.4 cm，自重7.7kg，采用模塊化的結(jié)構(gòu)，由2個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊采用2個(gè)磁輪，模塊間通過鉸鏈連接，適用表面最小直徑為70mm（周向檢測）、305mm（軸向檢測），遠(yuǎn)程控制，可自主跟蹤焊縫，

可攜帶各種檢測儀器。

圖3　Olympus檢測機(jī)器人

圖4　Navic檢測機(jī)器人

圖5　Tripod檢測機(jī)器人

Tripod機(jī)器人采用3磁輪機(jī)構(gòu)，尺寸為45cm× 16.5cm×39.3 cm，自重13.6kg，負(fù)載能力為13.6kg，遠(yuǎn)程控制，可以攜帶攝像頭、檢測儀器等工具。

這兩款機(jī)器人均可選配焊縫跟蹤、安裝拆卸輔助裝置、電動(dòng)掃描支架等模塊。

5）Silverwing

英國Sliverwing公司開發(fā)了Scorpion B-scan 無損檢測機(jī)器人，該機(jī)器人采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，永磁（間隙）吸附方式，尺寸為385 mm ×222 mm ×102 mm，自重4.75kg，可攜帶13.6kg的負(fù)載，如圖6所示，可遠(yuǎn)程控制，自動(dòng)記錄檢測數(shù)據(jù)，本體由電池驅(qū)動(dòng)，臍帶線最長可達(dá)50m。該機(jī)器人有一項(xiàng)特殊設(shè)計(jì)是采用輪式超聲檢測探頭，它可以和機(jī)器人無縫集成。根據(jù)大小、適應(yīng)的壁面不同等，公司已開發(fā)了3種型號的機(jī)器人。

圖6　Scorpion B-scan檢測機(jī)器人

6）Buckeye Partners

Buckeye Partners開發(fā)的Smart PIG管道檢測機(jī)器人，依靠管道內(nèi)液體的壓力驅(qū)動(dòng)機(jī)器人沿著管道運(yùn)動(dòng)并完成檢測作業(yè)，如圖7所示。

圖7　Smart PIG管道檢測機(jī)器人

7）Chariot Robotics

Chariot Robotics 有限責(zé)任公司從美國National Robotic Engineering Center購買了相關(guān)專利，開發(fā)用于船舶等表面除銹的機(jī)器人，如圖8所示。該機(jī)器人采用永磁吸附方式、輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，使用高壓水槍除銹工藝。

8）Robotic Technologies of Tennessee

從2007年開始，美國自然科學(xué)基金——小企業(yè)創(chuàng)新基金分兩次（2007年、2009年）資助Robotic Technologies of Tennessee研發(fā)爬壁焊接機(jī)器人樣機(jī)。2012年左右，工程樣機(jī)已在美國多個(gè)船廠應(yīng)用和完善。

該機(jī)器人采用永磁履帶機(jī)構(gòu)，具備焊縫跟蹤功能（采用Servo Robot或Meta傳感器）。機(jī)器人尺寸約47cm×47cm× 26cm，自重約30kg，負(fù)載能力約45kg，如圖9所示。

圖8　Chariot Robotics除銹機(jī)器人

圖9　Tennessee焊接機(jī)器人

9）中國東方電氣集團(tuán)有限公司[2]

中國東方電氣集團(tuán)開發(fā)了大型鋼結(jié)構(gòu)用爬壁焊接機(jī)器人工程樣機(jī)，該機(jī)器人采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，間隙面吸附裝置和磁輪的永磁復(fù)合吸附裝置，可自主跟蹤焊縫并進(jìn)行焊接作業(yè)。該爬壁機(jī)器人重25kg，可以攜帶超過60kg的負(fù)載，可原地轉(zhuǎn)向，如圖10所示。機(jī)器人已在大型發(fā)電設(shè)備焊接中應(yīng)用驗(yàn)證。

圖10　東方電氣智能爬壁焊接機(jī)器人

10）科沃斯

蘇州科沃斯電器公司開發(fā)了擦窗機(jī)器人“窗寶”，采用真空吸附方式，如圖11所示。

1.2.3 小結(jié)

從上述調(diào)研可以看出，市場上已經(jīng)存在了一定數(shù)量的爬壁機(jī)器人產(chǎn)品，這些產(chǎn)品在管道、船舶、儲(chǔ)罐、發(fā)電設(shè)備的檢查與檢測等方面已經(jīng)得到了較廣泛應(yīng)用，在大型結(jié)構(gòu)件焊接與維護(hù)方面的應(yīng)用也開始起步。

Alstom、GE、Olympus等設(shè)備制造商重視爬壁機(jī)器人的開發(fā)，但是相對于能源行業(yè)需求來說，現(xiàn)有產(chǎn)品種類和功能還比較單一，應(yīng)用推廣的普及程度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，爬壁機(jī)器人在能源行業(yè)的應(yīng)用還有很大潛力可挖。

圖11　科沃斯擦窗機(jī)器人

2　爬壁機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展

作為移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的一種，爬壁機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)主要包括爬壁機(jī)構(gòu)技術(shù)和控制技術(shù)。其中，爬壁機(jī)構(gòu)技術(shù)是爬壁機(jī)器人的專有技術(shù)，控制等技術(shù)和其他類型移動(dòng)機(jī)器人類似，如圖12所示。

本節(jié)主要對爬壁機(jī)構(gòu)技術(shù)及發(fā)展進(jìn)行分析，主要包

括吸附、移動(dòng)以及壁面適應(yīng)（或越障）三個(gè)方面。其中，吸附機(jī)構(gòu)技術(shù)從控制模式上可以分為被動(dòng)吸附方式和主動(dòng)控制吸附兩種，移動(dòng)機(jī)構(gòu)從適用的壁面類型來說可以分為2D移動(dòng)機(jī)構(gòu)和3D移動(dòng)機(jī)構(gòu)。

2.1 爬壁機(jī)構(gòu)技術(shù)

2.1.1 吸附機(jī)構(gòu)技術(shù)

1）機(jī)械吸附

機(jī)械吸附方式主要模仿人攀爬壁面以及登山裝置的原理，典型方式如圖13所示。

圖12　爬壁機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

圖13　典型機(jī)械吸附方式原理

最直接的壁面攀爬方式是利用壁面上已有的特征；如果沒有合適的特征可以利用，一個(gè)替代辦法是利用特定的裝置插入壁面；或者是上述兩種方式的結(jié)合，即在軟的壁面采用插入方式，在硬的表面采用利用壁面特征的方式。此類吸附方式的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)器人的負(fù)載能力僅受其與壁面連接強(qiáng)度的限制，缺點(diǎn)是此類吸附方式一般不能采用連續(xù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)），往往無法在天花板上使用，應(yīng)用受到很大限制。

如果必須使用輪式等連續(xù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，一個(gè)機(jī)械吸附的替代解決方案是通過機(jī)器人和壁面之間的擠壓產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行承載。為了產(chǎn)生擠壓力，往往采用彈性機(jī)構(gòu)或者主動(dòng)控制裝置，或者兩者結(jié)合使用。此類裝置往往利用杠桿、鍥以及凸輪或者類似的機(jī)構(gòu)將重力轉(zhuǎn)化成擠壓力。采用機(jī)械吸附的爬壁機(jī)器人例如：SpinyBot II[3]使用帶極小刺的腳插入壁面以保證其對壁面的吸附；Tree bot[4]利用其和樹干表面的抓緊力實(shí)現(xiàn)攀爬，3dclimber[5]利用機(jī)器人和管狀壁面之間的夾緊力實(shí)現(xiàn)攀爬；Toshiba 1'' tube crawler[6]利用輪子或履帶和壁面之間的擠壓力產(chǎn)生摩擦力，實(shí)現(xiàn)在管道內(nèi)的吸附。采用機(jī)械吸附方式的爬壁機(jī)器人在管道檢測領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)了較大規(guī)模應(yīng)用。

2）磁吸附

如果壁面是鐵磁性的，采用磁吸附方式往往是優(yōu)先選擇。磁吸附方式可分為電磁吸附和永磁吸附兩種。電磁吸附方式的優(yōu)點(diǎn)是吸附力可調(diào)節(jié)，缺點(diǎn)是需要能源供給且很難和輪或者履帶集成。永磁吸附方式，無須能源供給，能量密度高且易于和輪或履帶等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)集成，從而得到了更廣泛的應(yīng)用，但其缺點(diǎn)是吸附力調(diào)節(jié)相對困難。

永磁體安裝方式主要包括安裝在腿式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的腳上、輪子里、履帶上（直接接觸吸附）或者底盤上（非接觸吸附）。永磁體安裝在底盤的好處是磁體表面吸附的鐵屑等不會(huì)對機(jī)器人的運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響（和直接接觸吸附相比）。磁輪吸附方式的優(yōu)點(diǎn)是吸附力對壁面曲率變化的敏感度低（和非接觸吸附相比）。

采用磁吸附方式的典型機(jī)器人包括：Robinspec[7]采用電磁吸附方式、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，OmniClimbers[8]采用萬向磁輪機(jī)構(gòu)，WCWR[9]采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)、可調(diào)間隙永磁吸附裝置，Tripillar[10]采用永磁吸附裝置、履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。幾十年以來，磁吸附爬壁機(jī)器人已在船舶、儲(chǔ)罐檢測等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

3）氣動(dòng)吸附

氣動(dòng)吸附又稱為真空吸附，主要包括吸盤（被動(dòng)式和主動(dòng)式）、真空室、漩渦三種方式。其中，漩渦吸附方式能量密度相對較高。

典型的氣動(dòng)吸附爬壁機(jī)器人包括：Roma II[11]采用主動(dòng)吸盤、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，City Climber[12]采用漩渦吸附、輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。

氣動(dòng)吸附方式可適用于非導(dǎo)磁性壁面，但是為產(chǎn)生吸附力需要能量供給，且能量密度較低，對壁面的光滑度等要求較高。由于上述缺點(diǎn)，氣動(dòng)吸附爬壁機(jī)器人尚未在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但科沃斯公司開發(fā)的“窗寶”機(jī)器人已開始商品銷售。

4）靜電吸附

靜電吸附方式適用于非導(dǎo)磁性壁面。Stanford大學(xué)研制有采用履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的靜電吸附爬壁機(jī)器人[13]。據(jù)研究者稱，這種吸附方式的能量密度較高且能量消耗較低，但技術(shù)仍然在開發(fā)中。

5）干吸附和粘著吸附

干吸附和粘著吸附方式主要模仿壁虎的攀爬方式，理論上適用于各種壁面，典型如六足式StickyBot機(jī)器人[14]，但是到目前為止，這類機(jī)器人僅在干凈的玻璃表面測試過，研究者稱這種吸附方式可以適用于更困難的壁面。

6）小結(jié)

總體來說，采用同一種吸附原理的主動(dòng)吸附方式往往比被動(dòng)吸附方式的吸附能力更強(qiáng)。但是，其最大劣勢是主動(dòng)吸附方式需要能量供給，一旦能量供給失效，爬壁機(jī)器人將從壁面上摔落。

由于上述原因，永磁吸附方式比電磁吸附方式應(yīng)用前景更好。但是在非磁吸附方式里，主動(dòng)吸附方式更常見。氣動(dòng)吸附方式往往采用主動(dòng)吸附方式（真空室或者漩渦），靜電吸附只能采用主動(dòng)吸附方式。關(guān)于采用各種吸附原理的主動(dòng)、被動(dòng)吸附的性能比較如表1所示。

表1　典型吸附原理性能比較

在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用的爬壁機(jī)器人主要采用機(jī)械或磁吸附方式。氣動(dòng)、靜電以及干粘著吸附等方式由于其低可靠性、對壁面要求高或僅能和擺腿式機(jī)構(gòu)集成、或由于技術(shù)尚不夠成熟，尚無法在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

2.1.2 移動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)

爬壁機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以分為下列幾類：從基本的運(yùn)動(dòng)概念來說可以分為滾動(dòng)—腿式和擺動(dòng)—腿式，兩者又可以組合形成混合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)；從接觸的瞬態(tài)特性來說可以分為連續(xù)式和離散式；從接觸的面積來說，可以分為小足式和大足式。綜合來說，主要有6種基本的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖14所示。

圖14　爬壁機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)分類

1）滾動(dòng)—腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)

在滾動(dòng)—腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，爬壁機(jī)器人最常用的是輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用兩輪結(jié)構(gòu)，尾部設(shè)計(jì)提升了機(jī)器人壁面運(yùn)行穩(wěn)定性和適應(yīng)性，吸附磁鐵集成在車輪里。文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用帶懸掛的兩輪機(jī)構(gòu)和漩渦吸附裝置。

輪式爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度快，控制簡單，機(jī)構(gòu)相對也簡單。但是，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)有缺點(diǎn)：會(huì)被壁面上的空洞或者間隙卡住，遇到內(nèi)拐角時(shí)也有可能被卡住，無法適應(yīng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的壁面；有些吸附裝置無法集成到輪子里。

由于上述原因，有些爬壁機(jī)器人使用履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，且吸附裝置一般直接安裝在履帶上。文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用四履帶結(jié)構(gòu)，永磁吸附裝置集成在履帶上。

在平直壁面上，履帶式由于吸附面積大，負(fù)載能力強(qiáng)，但是在曲面上尤其是凸面上，由于履帶式機(jī)構(gòu)固有的缺陷會(huì)造成吸附力下降，吸附履帶易從壁面剝離造成機(jī)器人跌落，這個(gè)問題尚無法得到很好解決。同時(shí)，履帶式機(jī)器人也存在轉(zhuǎn)向困難的問題。

有一種兼具輪子和履帶優(yōu)點(diǎn)的輪履復(fù)合結(jié)構(gòu)，較好解決了履帶式吸附機(jī)構(gòu)的剝離問題，但其運(yùn)動(dòng)是非連續(xù)的，這導(dǎo)致其在要求連續(xù)性的作業(yè)中無法應(yīng)用。

2）擺動(dòng)—腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)（擺腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)）

擺腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要用于攀爬結(jié)構(gòu)復(fù)雜的壁面或者用于那些不能和履帶式/輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)集成的吸附方式。

典型的采用擺腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的爬壁機(jī)器人包括：兩足大足式爬壁機(jī)器人（如City Climber[12]）和多腿小足式爬壁機(jī)器人(如StickyBot機(jī)器人[14])。兩足大足式爬壁機(jī)器人一般用于壁面結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜且要求高運(yùn)動(dòng)、靈活性的場合，多腿小足式爬壁機(jī)器人采用的吸附方式能力一般較弱（如被動(dòng)式吸盤、類壁虎吸附）。

另外一種典型的擺腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)是蛇形移動(dòng)機(jī)構(gòu)，這種爬壁機(jī)器人一般用于桿狀壁面或內(nèi)管道壁面。蛇形移動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制非常復(fù)雜。

和滾動(dòng)—腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，擺腿式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制一般更復(fù)雜，這也導(dǎo)致其體積相對較大、運(yùn)動(dòng)速度相對較慢。但是，復(fù)雜性提高換來的好處是移動(dòng)性的提升，尤其是兩足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)在擺腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)中最具應(yīng)用前景。

3）混合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)

有些爬壁機(jī)器人采用混合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，即擺動(dòng)和滾動(dòng)腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的復(fù)合?；旌鲜揭苿?dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：高速和高移動(dòng)性，其復(fù)雜性介于擺動(dòng)和滾動(dòng)腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)之間。

表2　各類移動(dòng)機(jī)構(gòu)在地面和爬壁機(jī)器人中應(yīng)用的性能比較

典型的采用混合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的爬壁機(jī)器人包括：Alicia[18]采用三足輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，Alstom開發(fā)的發(fā)電機(jī)定子檢測機(jī)器人軸向采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)、周向采用框架式蠕動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)。

4）移動(dòng)機(jī)構(gòu)性能比較

對采用各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行比較，同時(shí)對采用類似移動(dòng)機(jī)構(gòu)的典型地面移動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

從比較中可以看出，采用同樣移動(dòng)機(jī)構(gòu)的爬壁機(jī)器人和地面機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能有很大區(qū)別，這主要由爬壁機(jī)器人的吸附力造成。

可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：

A）在爬壁機(jī)器人應(yīng)用中，履帶式、多腿式以及蛇形移動(dòng)機(jī)構(gòu)比其他形式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)更容易喪失其固有的優(yōu)點(diǎn)（和地面應(yīng)用相比）。

履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的接觸面積大，在地面上移動(dòng)時(shí)，其對各種各樣地面（如沙地、泥地、石頭等）的適應(yīng)能力強(qiáng)，但當(dāng)履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)用于爬壁機(jī)器人時(shí)，由于履帶式機(jī)構(gòu)固有的剛性導(dǎo)致其在小曲率凸面上易從壁面剝離。

當(dāng)爬壁機(jī)器人采用多足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)和蛇形移動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，由于各足的吸附力（或各關(guān)節(jié)）一般需要主動(dòng)控制，這導(dǎo)致其復(fù)雜性較在地面上應(yīng)用時(shí)更加復(fù)雜，此種機(jī)器人的體積重量往往較大，其應(yīng)用受到限制。

B）在爬壁機(jī)器人應(yīng)用中，雙足式、輪式以及混合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)比其他形式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)更容易獲得額外的優(yōu)勢（和地面應(yīng)用相比）。

在地面應(yīng)用中，雙足式機(jī)器人是高度非穩(wěn)定系統(tǒng)、控制復(fù)雜性高、地面適應(yīng)性差。但是當(dāng)雙足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)在爬壁機(jī)器人中應(yīng)用時(shí)，由于吸附力的存在，其穩(wěn)定性大幅提高且控制也更加簡單，這往往是很大的優(yōu)勢，而且雙足式爬壁機(jī)器人可以使用很多種吸附方式。

輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)在爬壁機(jī)器人中應(yīng)用前景也相當(dāng)廣闊。典型的如采用自行車結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人，它不僅具有一般輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，還能適用于各種復(fù)雜壁面的過渡（如90°內(nèi)角、外表面過渡）。

采用混合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的爬壁機(jī)器人大幅提升了壁面適應(yīng)性。舉例來說，輪式爬壁機(jī)器人的移動(dòng)性能已不錯(cuò)（中等），再結(jié)合幾個(gè)主動(dòng)控制關(guān)節(jié)，就可以適用于非常復(fù)雜壁面的攀爬。

C）從工業(yè)應(yīng)用的角度來說，最具前景的移動(dòng)機(jī)構(gòu)是下列兩種：一是兩足式和混合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要由于其具

備高移動(dòng)性能和合理的復(fù)雜性；二是輪式或輪腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要由于其具備較好的移動(dòng)性能和較低的結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜性。

2.1.3 壁面適應(yīng)技術(shù)

爬壁機(jī)器人在運(yùn)行中所考慮的一個(gè)重要問題是，如何適應(yīng)各式各樣的壁面結(jié)構(gòu)與形態(tài)變化，這包括適應(yīng)壁面曲率與形貌的變化、不同壁面間的過渡、越障甚至運(yùn)行介質(zhì)的變化。典型的壁面變化如圖15所示。解決壁面適應(yīng)問題的關(guān)鍵是針對特定的應(yīng)用設(shè)計(jì)合適的吸附與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)集成方案。

圖15　典型的壁面變化示意

解決壁面適應(yīng)問題的一個(gè)思路是盡量采用簡單的機(jī)構(gòu)并在必要時(shí)結(jié)合適當(dāng)?shù)妮o助機(jī)構(gòu)。例如：文獻(xiàn)[2]采用三輪機(jī)構(gòu)結(jié)合專門設(shè)計(jì)的磁體布置方案，這可以一定程度適應(yīng)壁面凹凸的變化；文獻(xiàn)[3]采用兩輪機(jī)構(gòu)輔以尾部結(jié)構(gòu)，也可以較好適應(yīng)壁面的變化；文獻(xiàn)[4]采用兩輪自行車結(jié)構(gòu)、輔以主動(dòng)連桿，可以適應(yīng)復(fù)雜的壁面變化；文獻(xiàn)[11]采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)合吸附裝置主動(dòng)控制（提升或下降）的方案以適應(yīng)壁面凹凸的變化。

采用此種思路的爬壁機(jī)器人往往僅能適應(yīng)較小的壁面變化，或者能適應(yīng)復(fù)雜的壁面變化但負(fù)載能力弱（此種機(jī)器人尺寸往往較小）。

解決壁面適應(yīng)問題的另一個(gè)思路是采用基于“化大為小”的多體柔性輪式或履帶式爬行機(jī)構(gòu)，其特征是模塊化且模塊之間是柔性連接。例如：文獻(xiàn)[19]提出了采用多個(gè)吸附裝置，且吸附裝置通過具有2-3個(gè)自由度的被動(dòng)式鉸鏈和本體連接的方案；文獻(xiàn)[20]提出了采用多個(gè)模塊化爬壁機(jī)器人、機(jī)器人之間通過機(jī)械手協(xié)作實(shí)現(xiàn)壁面適應(yīng)的方案。采用此種思路的爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制往往較復(fù)雜，但負(fù)載能力可以得到較大幅度的提升。

此外，還可通過采用足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)解決壁面適應(yīng)問題，但此類機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，存在運(yùn)動(dòng)非連續(xù)的問題。

2.1.4 吸附與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的集成

典型的吸附和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的集成如表3所示。

從表3中可以看出，在工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用的爬壁機(jī)器人往往是采用機(jī)械或磁吸附方式、輪式或履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。這主要由下列原因造成：

A）只有機(jī)械式或者磁吸附的能量密度可以達(dá)到很高（提供足夠大的吸附力）且不需要額外的能源（被動(dòng)式吸附）。

B）滾動(dòng)—腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)控制簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，其移動(dòng)性能可以達(dá)到很多工業(yè)應(yīng)用的要求，且通過和特定機(jī)構(gòu)的復(fù)合（如主動(dòng)關(guān)節(jié)），即可取得非常好的移動(dòng)性。

C）很多工業(yè)應(yīng)用要求爬壁機(jī)器人能夠連續(xù)快速運(yùn)動(dòng)，這也是輪式和混合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢。

表3　典型的吸附和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.2 其他關(guān)鍵技術(shù)

爬壁機(jī)器人從控制自主程度上可以分為遠(yuǎn)程遙控、半自主控制和自主控制三種。從工業(yè)應(yīng)用的角度來說，現(xiàn)有的爬壁機(jī)器人主要采用遠(yuǎn)程遙控手動(dòng)操作模式。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，半自主控制模式將得到越來越廣闊的應(yīng)用。在半自主控制模式下，由人進(jìn)行高級層面的決策和規(guī)劃，

機(jī)器人根據(jù)人規(guī)劃的特定任務(wù)進(jìn)行局部的自主運(yùn)行。

由于爬壁機(jī)器人主要應(yīng)用于制造、檢測等作業(yè)，這要求機(jī)器人能夠在3D壁面精確定位，并能根據(jù)作業(yè)任務(wù)自主規(guī)劃作業(yè)路徑和進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。為進(jìn)行此類作業(yè)，相對一般的移動(dòng)機(jī)器人來說，爬壁機(jī)器人對定位精度的要求更高，如焊接時(shí)要求機(jī)器人末端軌跡精度小于1mm。在工業(yè)環(huán)境里，可以考慮通過利用已有的環(huán)境特征或設(shè)置標(biāo)識來實(shí)現(xiàn)精確定位；在標(biāo)識不可用的情況下，則要求研究適用于爬壁機(jī)器人的高精度3D SLAM技術(shù)，這需要進(jìn)行視覺傳感器、距離傳感器以及里程傳感器等多傳感信息的融合。

如果爬壁機(jī)器人必須無纜作業(yè)，還需要研究在（半）封閉或屏蔽復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境下高可靠的無線通信技術(shù)以及高能量密度的動(dòng)力技術(shù)。

另外，爬壁機(jī)器人往往在復(fù)雜、危險(xiǎn)的現(xiàn)場環(huán)境下作業(yè)，如何保證爬壁機(jī)器人運(yùn)行的安全性和可靠性也是實(shí)現(xiàn)規(guī)?；I(yè)應(yīng)用的前提。

3　結(jié)語

爬壁機(jī)器人在能源行業(yè)涉及的海洋石油平臺(tái)、船舶、管道、儲(chǔ)罐以及大型發(fā)電設(shè)備等設(shè)施的建造以及在役檢修維護(hù)方面應(yīng)用前景廣闊，目前已有爬壁機(jī)器人產(chǎn)品在上述領(lǐng)域得到了應(yīng)用。但是，相對于應(yīng)用需求來說，現(xiàn)有產(chǎn)品種類和功能還比較單一，應(yīng)用推廣的普及程度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人在能源行業(yè)的規(guī)?；瘧?yīng)用，需要重點(diǎn)研究高度安全可靠的、經(jīng)濟(jì)的爬壁機(jī)構(gòu)技術(shù)、控制技術(shù)以及與應(yīng)用系統(tǒng)的集成技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] Silva M F,Machado.J A T. A Survey of Technologies and Applications for Climbing Robots Locomotion and Adhesion, Climbing and Walking Robots// Behnam Miripour (Ed.), ISBN: 978-953-307-030-8, InTech, 2010.

[2] GUI Zhongcheng ,et al. A Wall-climbing Welding Robot for Large-scale Ferromagnetic Steel-structure Manufacture [C]. In proceedings of The 43rd Interlational Symposium on Robotics (ISR2012),Taipei, Taiwan, 2012:162-167.

[3] Kim S, Asbeck A T, Cutkosky M R,et al. Spinybot II: Climbing hard walls with compliant microspines. In proceedings of Int. Conf. on Advanced Robotics, 2005: 601-606.

[4] Lam TinLun, Xu Yangsheng. Climbing Strategy for a Flexible Tree Climbing Robot-Treebot[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2011,27(6):1107-1117.

[5] Tavakoli M, Marques L, de Almeida A. Self Calibration of Step-by-Step Based Climbing Robots[C],In proceedings of The 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems,2009:11-15.

[6] Suzumori K, Miyagawa T, Kimura M, et al. Micro inspection robot for 1-in pipes[J], IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 1999,4( 3): 286-292.

[7] http://www.robotic.diees.unict.it/robots/robinspec/robinspec.htm.

[8] Viegas M C, et al. OmniClimbers: Omni-directional magnetic wheeled climbing robots for inspection of ferromagnetic structures[J], Robotics and Autonomous Systems , 2013.http://dx.doi.org/10.1016/j.robot.

[9] Wu M, Pen G, Zhang T, et al. Design and Optimal Research of a Non-Contact Adjustable Magnetic Adhesion Mechanism for a Wall-Climbing Welding Robot[J], International Journal of Advanced Robotic Systems,2013, 10 (63):1-9.

[10] Schoeneich P, et al. TRIPILLAR: a miniature magnetic caterpillar climbing robot with plane transition ability[J]. Robotica,2011, 29: 1075-1081.

[11] Balaguer C, Giménez A, Abderrahim M. ROMA Robots for Inspection of Steel Based Infrastructures[J], Industrial Robot,2002, 29(3):246-251.

[12] Xiao J, Sadegh A, Elliott M, et al. Design of Mobile Robots with Wall Climbing Capability[C], In proceedings of the 2005 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics Monterey, California, USA, 2005.

[13] Prahlad H, Pelrine R, Stanford S,et al. Electroadhesive Robots—Wall Climbing Robots Enabled by a Novel, Robust, and Electrically Controllable Adhesion Technology[C]. In proceedings of 2008 IEEE International Conference onRobotics and Automation Pasadena, CA, USA, 2008.

[14] Kim S, Spenko M, Trujillo S, et al. Smooth Vertical Surface Climbing With Directional Adhesion[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2008, 24(1).

[15] Eich M,Vogele T. Design and Control of a Lightweight Magnetic Climbing Robot for Vessel Inspection[C]. In proceedings of the 19th Mediterranean Conference on Control and Automation, Aquis Corfu Holiday Palace, Corfu, Greece, 2011:1200-1205.

[16] Ig Mo Koo, et al. Development of Wall Climbing Robot System by Using Impeller Type Adhesion Mechanism[J]. Journey of Intelligent Robot System, 2013-02-24.

[17] Gao Xueshan, et al. Strong Magnetic Units for a Wind Power Tower Inspection and Maintenance Robot[J] International Journal of Advanced Robotic Systems,2012, 9(189):1-9.

[18] Longo D,Muscato G.The Alicia3 climbing robot- A Three-Module Robot for Automatic Wall Inspection[J]. IEEE Robotics and Automation Magazine , 2006:42-50.

[19] 桂仲成,陳強(qiáng),孫振國,等.多體柔性永磁吸附爬壁機(jī)器人[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2008,44:177-82.

[20] Lee W, et al. Gunryu III: reconfigurable magnetic wall-climbing robot for decommissioning of nuclear reactor[J], Advanced Robotics,2013, 27(14): 1099-1111.