楊慧軒，劉榮，何建東，安海明，白偉偉

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051；2.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

0 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)及科技的飛速發(fā)展，人們對(duì)美好生活品質(zhì)的追求也相應(yīng)逐步提升，用機(jī)器人代替人類完成危險(xiǎn)或極限環(huán)境下工作的愿望也越來(lái)也強(qiáng)烈。現(xiàn)實(shí)生活中，許多重復(fù)性高、危害性大、人工成本高的工作目前主要還是依靠人力完成，此類工作包含但不限于鉆孔、鉚接、噴涂、清潔、故障檢測(cè)與修理等[1-2]。爬壁機(jī)器人的出現(xiàn)為上述工作提供了機(jī)器人角度的解決方案。

受自然界生物攀爬方式的啟發(fā)，對(duì)爬壁機(jī)器人相關(guān)研究工作早在20世紀(jì)60年代就開(kāi)始了，經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，針對(duì)不同使用場(chǎng)景的特定用途的爬壁機(jī)器人被設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，從而完成噴涂、監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)、維修、清潔等工作。爬壁機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)生活中具體應(yīng)用案例包括造船廠自主焊接工作[3]、船體檢測(cè)[4]、鋼質(zhì)橋梁檢測(cè)[5-6]、壁面清潔[7-8]、城市偵察任務(wù)[9]等。

由于爬壁機(jī)器人廣泛的應(yīng)用需求牽引，學(xué)者們致力于研究其關(guān)鍵技術(shù)，在保證可靠吸附、穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的前提下，根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)機(jī)器人執(zhí)行器，同時(shí)增強(qiáng)爬壁機(jī)器人自動(dòng)化水平。在爬壁機(jī)器人的各項(xiàng)技術(shù)中，吸附與運(yùn)動(dòng)是機(jī)器人可靠完成工作的前提，而吸附對(duì)于運(yùn)動(dòng)本身意義深遠(yuǎn)，可靠吸附是爬壁機(jī)器人正常工作的重中之重。鑒于此，本文作者對(duì)爬壁機(jī)器人吸附方法進(jìn)行梳理，分析研究現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供一定參考。

1 爬壁機(jī)器人吸附方法

基于爬壁機(jī)器人研究與應(yīng)用的廣泛前景及吸附方法在爬壁機(jī)器人研究中的重要地位，下面圍繞爬壁機(jī)器人吸附方法展開(kāi)討論。爬壁機(jī)器人吸附方法主要包括負(fù)壓吸附、磁吸附、仿生吸附、靜電吸附、熱熔吸附、振動(dòng)吸附等，需要說(shuō)明的是不同機(jī)器人在應(yīng)用過(guò)程中可能結(jié)合了不止一種吸附方法，本文作者在分類時(shí)按照機(jī)器人主要采用的吸附方式進(jìn)行討論。

1.1 負(fù)壓吸附

負(fù)壓吸附即爬壁機(jī)器人與壁面形成特定區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)形成低于大氣壓的負(fù)壓，在相對(duì)高壓的大氣壓的作用下將爬壁機(jī)器人壓向壁面[10-11]，從而使得機(jī)器人吸附于壁面。負(fù)壓吸附原理示意如圖1所示。

圖1 負(fù)壓吸附原理示意Fig.1 Principle of negative pressure adsorption

從吸附的原理可以把吸盤(pán)吸附的方式也歸類于負(fù)壓吸附。文獻(xiàn)[12]提出一種爬壁機(jī)器人吸附方法，通過(guò)電機(jī)與導(dǎo)軌聯(lián)合控制吸盤(pán)的伸縮量，從而實(shí)現(xiàn)吸盤(pán)吸附方式的周期性切換，實(shí)現(xiàn)了爬壁機(jī)器人吸附。吸附結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌工作原理如圖2所示。

圖2 吸附結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌工作機(jī)制(a)及實(shí)物(b)Fig.2 Working mechanism of adsorption structure guide rails(a)and prototype(b)

文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了一款負(fù)壓式全方位移動(dòng)爬壁機(jī)器人，其吸附方式采用涵道電機(jī)抽氣與雙層橡膠密封的形式，如圖3所示。全向輪與非接觸式吸附方式的結(jié)合保證了機(jī)器人在吸附壁面優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)能力。機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖4。

圖3 爬壁機(jī)器人吸附方式Fig.3 Negative pressure adhesion of the robot

圖4 爬壁機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)Fig.4 3D structure of the robot

針對(duì)傳統(tǒng)真空吸盤(pán)無(wú)法攀爬粗糙墻面且吸盤(pán)易磨損、越障能力差的問(wèn)題，文獻(xiàn)[14]提出一種用于爬壁機(jī)器人的負(fù)壓機(jī)構(gòu)。通過(guò)離心風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)抽離氣流提升機(jī)器人吸附能力，設(shè)計(jì)了軟裙結(jié)構(gòu)[15]，增加密封性能從而提升了越障能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了爬壁機(jī)器人在粗糙墻面的運(yùn)動(dòng)及越障能力。機(jī)器人攀爬粗糙建筑墻壁工作圖如圖5所示。

圖5 爬壁機(jī)器人攀爬粗糙建筑墻壁Fig.5 Wall-climbing robot climbs rough building walls

文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一款垂直玻璃幕墻清洗機(jī)器人GFCR。機(jī)器人采用安裝在行走機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上的真空吸盤(pán)實(shí)現(xiàn)在玻璃壁面上的吸附，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)如圖6所示。行走機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌使得吸盤(pán)在靠近壁面一側(cè)保持工作狀態(tài)而遠(yuǎn)離壁面一側(cè)保持關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)行走時(shí)吸附與分離的切換，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。改進(jìn)后的粒子群算法使得機(jī)器人更加節(jié)能，在清潔高層玻璃幕墻及光伏太陽(yáng)能電池板方面應(yīng)用前景廣泛。

圖6 帶吸盤(pán)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)Fig.6 Steering mechanism with suction cup

圖7 導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)Fig.7 Guide rail mechanism：(a)guide rail assembly with the adhesion mechanisms；(b)section view of the guide rail connected with spring-loaded adhesion mechanisms

面對(duì)負(fù)壓吸附空氣泄漏導(dǎo)致吸附失效的問(wèn)題，文獻(xiàn)[16]基于獨(dú)特密封機(jī)制設(shè)計(jì)一種零壓差(Zero Pressure Difference，ZPD)吸附方法，基于ZPD方法設(shè)計(jì)并制造了真空吸附模塊。ZPD真空吸附模塊在真空區(qū)外圍形成旋轉(zhuǎn)水層，通過(guò)水封的方式使模塊內(nèi)外形成更大壓力差，模塊內(nèi)保持高真空，模塊外為大氣壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：ZPD真空吸附模塊能夠在更低功率消耗下提供更大吸附力。ZPD吸附模塊三維結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖片如圖8所示。

圖8 ZPD吸附模塊渲染圖(a)和實(shí)物(b)Fig.8 Rendering photograph(a)and entity(b)of the ZPD suction unit

文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)一款用于飛機(jī)機(jī)身檢測(cè)的爬壁機(jī)器人，由于飛機(jī)表面曲面多且不適宜采用磁吸附的方式，機(jī)器人采用負(fù)壓吸附與膠皮軟裙密封的原理實(shí)現(xiàn)在飛機(jī)表面的吸附與運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了爬壁機(jī)器人的吸附及運(yùn)動(dòng)性能。爬壁機(jī)器人吸附單元及工作圖如圖9、10所示。

圖10 爬壁機(jī)器人吸附單元吸附于曲面Fig.10 The adsorption unit of the wall-climbing robot is adsorbed on the curved surface

爬壁機(jī)器人完成水下船體攀爬及清理工作仍是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[17]基于伯努利原理設(shè)計(jì)了一款負(fù)壓吸附式水下船體爬壁機(jī)器人，用滑動(dòng)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)建模探索最佳的吸附性能，同時(shí)研究了反轉(zhuǎn)螺旋槳(Counter Rotating Propellers，CRPs)速度、機(jī)器人底板與吸附物間隙等影響吸附力因素。機(jī)器人樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真。爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)三維模型俯視圖及爬壁機(jī)器人樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程分別如圖11、12所示。

圖11 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)三維模型俯視圖Fig.11 Top view of mechanical structure of the robot

圖12 爬壁機(jī)器人樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程Fig.12 Experimental test of the developed robot

負(fù)壓吸附方法不受限于吸附壁面的材料，有著廣泛的應(yīng)用；但離心風(fēng)機(jī)噪聲大，能耗高，標(biāo)準(zhǔn)化的零部件如電機(jī)等限制了爬壁機(jī)器人的小型化與輕量化，如果采用真空吸盤(pán)則需要連接真空壓縮機(jī)，同時(shí)對(duì)于密封要求高，適用于平整壁面。

1.2 磁吸附

爬壁機(jī)器人磁吸附通常利用機(jī)載磁體對(duì)鐵鈷鎳等一類物質(zhì)壁面的吸引力作為吸附力，將機(jī)器人壓在吸附面[18]。根據(jù)工程慣例，通常采用永磁體或電磁鐵與鋼質(zhì)平面實(shí)現(xiàn)接觸式或非接觸式吸附。

文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)一款在鋼制船體上作業(yè)的爬壁機(jī)器人，主要用于焊接，安裝的2D激光掃描儀能夠提供船體表面的信息并用于其他任務(wù)。與爬壁機(jī)器人之前相關(guān)工作相比，該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離自主焊接。同時(shí)設(shè)計(jì)了基于激光反饋的控制律，使得機(jī)器人能夠自主焊接多道焊縫。機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、最終焊縫視覺(jué)效果分別如圖13、14所示。

圖13 吸附于鋼質(zhì)表面的爬壁機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.13 The structure of the wall-climbing robot system adsorbed on the steel surface

圖14 最終焊縫視覺(jué)效果Fig.14 Visual result of the final weld

美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)ARA實(shí)驗(yàn)室在鋼鐵結(jié)構(gòu)檢測(cè)領(lǐng)域機(jī)器人的啟發(fā)下提出并設(shè)計(jì)了能夠跨越復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人[5]，同時(shí)仍然保留爬壁機(jī)器人高效的行走能力。該爬壁機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及在不同幾何外形的鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)工作場(chǎng)景分別如圖15、16所示。

圖16 爬壁機(jī)器人在不同幾何外形的鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)工作場(chǎng)景Fig.16 Wall-climbing robot working on steel structures with different geometric shapes

文獻(xiàn)[19]設(shè)計(jì)一款用于鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)的爬壁機(jī)器人(見(jiàn)圖17)，它利用永磁體產(chǎn)生吸附力附著到壁面上，通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)確定了最佳磁通量及磁體配置。機(jī)器人攜帶的探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，GPR)傳感器能檢測(cè)鋼筋腐蝕、混凝土保護(hù)層退化、混凝土分層。爬壁機(jī)器人結(jié)合定位系統(tǒng)和GPR實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃，避開(kāi)鋼筋密度不足的區(qū)域從而保證吸附可靠性。機(jī)器人在水平及豎直壁面吸附工作場(chǎng)景分別如圖18、19所示。

圖17 爬壁機(jī)器人實(shí)體圖片F(xiàn)ig.17 Climbing robot prototype

圖18 爬壁機(jī)器人水平壁面吸附Fig.18 Horizontal wall adsorption of wall-climbing robot

圖19 爬壁機(jī)器人豎直壁面吸附Fig.19 Vertical wall adsorption of wall-climbing robot

文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種輪式永磁吸附系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)永磁體不同幾何形狀的建模及仿真確定了滿足吸附力要求的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)(如圖20所示)。該輪式永磁吸附系統(tǒng)與自主攀爬機(jī)器人結(jié)合實(shí)現(xiàn)垂直塔架的無(wú)損檢測(cè)，如圖21所示。

圖20 吸附系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)Fig.20 Adsorption system experiment：(a)testing with no air gap；(b)testing with a 0.7 mm air gap

傳統(tǒng)船體檢測(cè)機(jī)器人體積質(zhì)量大，運(yùn)動(dòng)不便。為解決該問(wèn)題，文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)一款輕量化船體檢測(cè)爬壁機(jī)器人MIRA來(lái)提供船體在線視覺(jué)檢測(cè)數(shù)據(jù)。為滿足輕量化需求，設(shè)計(jì)新型聚氨酯柔性磁性車輪帶，同時(shí)可以吸收沖擊，保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，車輪帶及機(jī)器人三維模型如圖22所示。車輪帶上的磁鐵排列方式及數(shù)量可以調(diào)整以適應(yīng)不同載荷。

圖22 爬壁機(jī)器人MIRAFig.22 Wall-climbing robot MIRA：(a)new-type polyurethane flexible magnetic wheel belt；(b)sectional view

磁吸附方法能夠提供足夠大的吸附力，同時(shí)對(duì)于吸附壁面適應(yīng)性好；其缺點(diǎn)是只能用于鐵鈷鎳等吸附壁面。

1.3 仿生吸附

隨著爬壁機(jī)器人的發(fā)展，能效及應(yīng)用場(chǎng)景的需求推動(dòng)了新的吸附方式的應(yīng)用。結(jié)合生物仿生學(xué)的發(fā)展，昆蟲(chóng)與爬行類動(dòng)物的攀爬吸附方式受到學(xué)者的關(guān)注[21]。按照吸附環(huán)境，可以將仿生吸附分為干吸附和濕吸附。如圖23所示，體重較大的通常有更大的足部毛發(fā)密度。

圖23 昆蟲(chóng)和爬行類動(dòng)物足部毛發(fā)密度與體重函數(shù)關(guān)系Fig.23 The relationship between density of contact points (NA)and animal body mass

1.3.1 干吸附

壁虎依靠足部的微/納米纖維提供黏附力完成吸附及行走，這些微/納米纖維依靠范德華力黏附到物體表面上[22-23]。壁虎黏附結(jié)構(gòu)層次見(jiàn)圖24。文獻(xiàn)[24]介紹了Stickbot，一款受壁虎啟發(fā)的爬壁機(jī)器人，如圖25所示。該機(jī)器人通過(guò)柔順結(jié)構(gòu)、定向黏附及切向力控制實(shí)現(xiàn)黏附。在平衡足之間采用了與柔順結(jié)構(gòu)及定向黏附結(jié)合的力控制策略，從而促進(jìn)足的平滑附著及分離。

圖24 壁虎黏附結(jié)構(gòu)層次[25]Fig.24 Structural hierarchy of the gecko adhesive system[25]

圖25 Stickbot：一款受生物啟發(fā)的爬壁機(jī)器人Fig.25 Stickbot：a bio-inspired wall-climbing robot

文獻(xiàn)[26]介紹一種基于干吸附原理的新型連桿爬壁機(jī)器人?；谶B桿機(jī)構(gòu)，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)下的越障功能。機(jī)器人足部的黏性腳墊實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人與壁面之間的粘合，腳墊制備過(guò)程如圖26所示，實(shí)驗(yàn)前通過(guò)酒精清洗腳墊可以增加附著力。通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)和靜力學(xué)分析確定了設(shè)計(jì)參數(shù)并完成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在豎直行走過(guò)程中機(jī)器人最大越障高度為15 mm。

圖26 機(jī)器人腳墊Fig.26 VytaFlex-10 elastomer and its fabrication methods： (a)fabrication process；(b)manufactured V-10 footpad；(c)assembled WCR footpad

文獻(xiàn)[27]提出了兩款小型爬壁機(jī)器人Geckobot和Waalbot，能夠借助吸附材料在豎直光滑壁面實(shí)現(xiàn)附著及運(yùn)動(dòng)。它們都包含機(jī)載電源可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算、無(wú)線通信及半自主操作。原型機(jī)如圖27、28所示。Geckobot和Waalbot原型機(jī)可以分別攀爬85°和90°壁面，主要用于城市偵察任務(wù)。

圖28 Waalbot在垂直壁面轉(zhuǎn)彎Fig.28 The prototype turns 90° (line overlayed)in six steps

文獻(xiàn)[28]提出并設(shè)計(jì)一款爬壁機(jī)器人，Waalbot II。它能夠在豎直墻面吸附并攀爬，負(fù)載達(dá)到自身重力的1.17倍。與Waalbot相比，Waalbot II攀爬能力進(jìn)一步提高，能適應(yīng)光滑與粗糙表面。機(jī)器人尺寸優(yōu)化提升了有效載荷運(yùn)載能力，自主吸附恢復(fù)提升了運(yùn)動(dòng)魯棒性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Waalbot II的攀爬魯棒性及負(fù)載能力。WaalbotII總裝及在光滑垂直表面負(fù)載爬升場(chǎng)景如圖29所示。

圖29 WaalbotII總裝(a)及光滑垂直壁面負(fù)載爬升場(chǎng)景(b)Fig.29 WaalbotII final assembly(a)and smooth vertical wall load climbing scene (b)

1.3.2 濕吸附

文獻(xiàn)[29]介紹了一種四足機(jī)器人，可以在天花板和墻壁行走，同時(shí)由于機(jī)器人表面納米材料出色的防水性能，使得機(jī)器人可以在下雨或潮濕環(huán)境中大范圍移動(dòng)。該機(jī)器人是使用快速、便捷且環(huán)保的3D打印技術(shù)制造的；采用了Hoekens連桿作為移動(dòng)機(jī)構(gòu)，蘑菇形微柱黏附足模塊作為機(jī)器人的高效吸附機(jī)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)證明了機(jī)器人在垂直墻壁和天花板穩(wěn)定行走及攀爬的可靠性。機(jī)器人俯視圖、仰視圖、足部結(jié)構(gòu)側(cè)視圖、足部蘑菇形微柱電鏡圖如圖30所示。

圖30 機(jī)器人俯視圖(a)，仰視圖(b)，足部結(jié)構(gòu)側(cè)視 圖(c)及足部蘑菇形微柱電鏡圖(d)Fig.30 Robot top view(a)，bottom view(b)，side view of the multilayered foot structure(c)and an SEM image of the adhesive foot pad with mushroom- shaped micropillars(d)

受海膽管足啟發(fā)，文獻(xiàn)[30]提出一種水下爬行機(jī)器人的吸附機(jī)制，通過(guò)軟吸盤(pán)和化學(xué)吸附材料結(jié)合實(shí)現(xiàn)。此吸附機(jī)構(gòu)能適應(yīng)粗糙表面且穩(wěn)定性高。此外吸盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造同時(shí)滿足微型機(jī)器人的輕量化要求。受生物啟發(fā)的軟吸盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖31所示，吸盤(pán)工作示意如圖32所示。

圖31 受生物啟發(fā)的軟吸盤(pán)Fig.31 Bio-inspired soft sucker prototypes：(a)single sucker；(b)arrayed sucker

文獻(xiàn)[31]提出了一種可以在水下工作的氣驅(qū)動(dòng)仿生軟吸附驅(qū)動(dòng)器，它由雙層軟質(zhì)結(jié)構(gòu)組成，空腔頂層的嵌入式螺旋氣道充入氣體后變形為穩(wěn)定的3D圓頂形狀，從而在空腔中實(shí)現(xiàn)負(fù)壓，如圖33所示。所提出的軟吸附驅(qū)動(dòng)器可在多種類型的光滑和半光滑表面上完成快速穩(wěn)定且可逆吸附。在軟吸附驅(qū)動(dòng)器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并制作了一種新型負(fù)重兩棲爬行柔性機(jī)器人(ACSR)。

圖33 仿生軟吸附驅(qū)動(dòng)器Fig.33 Bionic soft adsorption actuator：(a)double-layer adsorption actuator；(b)the adsorption actuator becomes dome-shaped when the air channel is pressurized；(c)switching attachment mechanism when pressurized

圖34 ACSR結(jié)構(gòu)Fig.34 Design of ACSR：(a)side view and top view；(b) mimic the locomotion of an inchworm

仿生吸附對(duì)于不同壁面有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能耗低且易于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人小型化及輕量化；其缺點(diǎn)是仿生吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備工藝復(fù)雜且成本高，機(jī)器人絕對(duì)負(fù)載能力小，同時(shí)需要定期保養(yǎng)維護(hù)。

1.4 靜電吸附

靜電吸附是由于電荷不平衡分布導(dǎo)致不同物體正負(fù)電荷之間的吸引而產(chǎn)生的吸附作用，最常見(jiàn)的如平行極板電容，電源引起正負(fù)電極板正負(fù)電荷分布不均衡而產(chǎn)生吸附力，如圖35所示。

圖35 平行極板電容Fig.35 Parallel plate capacitor

由于靜電吸附性能上的優(yōu)勢(shì)，文獻(xiàn)[32]選擇靜電吸附方式設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人，對(duì)平行面及邊緣電場(chǎng)模型進(jìn)行討論，分析了介電腳墊電壓參數(shù)、幾何外形、材料特性、吸附壁面柔順性等對(duì)吸附力影響。

文獻(xiàn)[33]提出并設(shè)計(jì)一種在無(wú)特征表面攀爬的爬壁機(jī)器人(ELAD)，由于靜電吸附可以通過(guò)軟質(zhì)彈性材料作為電介質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)剝離力的抵抗，因此提出一種使用刀片涂層技術(shù)的層狀混雜膠黏劑多階段制備新工藝，制造了表面柔順、電激勵(lì)且?guī)缀慰煽氐穆膸ЫY(jié)構(gòu)。當(dāng)受到高電壓激勵(lì)時(shí)，履帶成為有源致動(dòng)器。受壁虎爬行策略啟發(fā)，設(shè)計(jì)了結(jié)合靜電吸附履帶與扭簧尾部結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：爬壁機(jī)器人能夠在粗糙度300 nm以上平面工作超過(guò)2 h。爬壁機(jī)器人履帶、三維模型及工作場(chǎng)景見(jiàn)圖36。

文獻(xiàn)[34]提出一種新型可控吸附機(jī)制，結(jié)合了靜電吸附和仿生干吸附的優(yōu)點(diǎn)。仿生干吸附使得靜電吸附膠黏劑更貼近壁面從而增加膠黏劑吸附效果，同時(shí)靜電吸附有助于更多的仿生干吸附結(jié)構(gòu)作用于吸附表面，對(duì)于粗糙表面效果更為明顯?；旌响o電仿生干吸附膠黏劑結(jié)構(gòu)示意如圖37所示。文獻(xiàn)[34]介紹了新型混合膠黏劑的制備工藝并在不同粗糙度瓷磚上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)來(lái)量化對(duì)吸附力的影響。實(shí)驗(yàn)表明混合膠黏劑能比僅使用靜電吸附或仿生干吸附提供更大的吸附力。

圖37 混合靜電仿生干吸附膠黏劑結(jié)構(gòu)示意Fig.37 Structure of hybrid electrostatic bionic dry adsorption adhesive

靜電吸附應(yīng)用廣泛，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕量化，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人小型化，能耗低且不受限于吸附壁面材料；其缺點(diǎn)在于絕對(duì)負(fù)載能力小，運(yùn)動(dòng)能力欠佳。

1.5 熱熔吸附

爬壁機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中以大吸附力實(shí)現(xiàn)強(qiáng)爬升是一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。大吸附力的控制與爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能息息相關(guān)。文獻(xiàn)[35]提出一種利用熱熔吸附(Hot Melt Adhesive，HMA)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主攀爬的新方法。HMA通過(guò)控制材料溫度改變黏附力大小，被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)的解決方案。結(jié)合豎直壁面的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景及HMA材料基本特性，文獻(xiàn)[35]提出了一種利用HMA材料實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人(見(jiàn)圖38)與壁面吸附及分離控制方法，伺服電機(jī)及熱控制模塊可以主動(dòng)改變HMA材料溫度。爬壁機(jī)器人三維空間攀爬運(yùn)動(dòng)策略如圖39所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了熱熔吸附的有效性及爬壁機(jī)器人的整體性能。

圖38 HMA機(jī)器人Fig.38 HMA robot：(a)side view；(b)CAD model showing available joint actions

熱熔吸附對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的吸附壁面有著良好的適應(yīng)性，且成本低；其缺點(diǎn)是對(duì)于溫度的依賴導(dǎo)致其吸附及分離耗時(shí)長(zhǎng)、能耗高，且在吸附表面會(huì)有熱熔材料殘留，不適用對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能要求高的場(chǎng)景。

1.6 振動(dòng)吸附

振動(dòng)吸附方式由北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所受吸盤(pán)啟發(fā)而提出[36]。吸盤(pán)在吸附過(guò)程中外界空氣進(jìn)入后會(huì)逐漸導(dǎo)致吸附失效，將其取下重新按壓則會(huì)再次附著。當(dāng)振動(dòng)機(jī)構(gòu)連接吸盤(pán)周期性拉起、放下吸盤(pán)時(shí)，則能夠保證吸盤(pán)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定吸附于壁面。

文獻(xiàn)[37]提出基于振動(dòng)吸附機(jī)制的仿壁虎爬壁機(jī)器人。依據(jù)振動(dòng)吸附理論，振動(dòng)吸附模塊被設(shè)計(jì)為仿壁虎爬壁機(jī)器人的足(如圖40所示)。通過(guò)同時(shí)結(jié)合振動(dòng)吸附方式的優(yōu)勢(shì)及壁虎爬行步態(tài)，爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)、負(fù)載及抗傾覆能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了機(jī)器人的吸附及攀爬能力，該爬壁機(jī)器人可以用于維修、清潔等場(chǎng)景。

振動(dòng)吸附效果較好，運(yùn)動(dòng)性能及對(duì)吸附壁面的適應(yīng)性好；其缺點(diǎn)包括能耗效率低，吸附結(jié)構(gòu)的偏置容易引起非運(yùn)動(dòng)方向的偏移，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化的零部件會(huì)限制機(jī)器人結(jié)構(gòu)的小型化、輕量化。

2 機(jī)器人吸附方式關(guān)鍵技術(shù)分析

作為爬壁機(jī)器人核心功能模塊，吸附方式影響著機(jī)器人的吸附、運(yùn)動(dòng)、載荷、工作、魯棒性等諸多方面。提升爬壁機(jī)器人吸附性能對(duì)于機(jī)器人性能提升具有重大意義。下面圍繞吸附方式的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

2.1 吸附方式與運(yùn)動(dòng)方式的權(quán)衡

爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能是實(shí)現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)，吸附方式對(duì)于運(yùn)動(dòng)性能影響不容忽視。按照吸附功能模塊與運(yùn)動(dòng)功能模塊的關(guān)系可以將爬壁機(jī)器人分為兩類：一類是運(yùn)動(dòng)功能模塊與吸附功能模塊存在結(jié)構(gòu)耦合，吸附及運(yùn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)依賴同一結(jié)構(gòu)，例如爬行類仿生機(jī)器人蜥蜴、壁虎等；另外一類是運(yùn)動(dòng)功能模塊與吸附功能模塊不存在結(jié)構(gòu)耦合，分別由獨(dú)立的模塊實(shí)現(xiàn)吸附與運(yùn)動(dòng)，例如負(fù)壓輪式爬壁機(jī)器人。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)功能模塊與吸附功能模塊存在結(jié)構(gòu)耦合的機(jī)器人而言，運(yùn)動(dòng)過(guò)程會(huì)引起吸附狀態(tài)的變化，因此需要考慮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下吸附穩(wěn)定性；而吸附狀態(tài)切換是否迅速則影響運(yùn)動(dòng)性能。兩功能模塊的耦合有利于機(jī)器人結(jié)構(gòu)的小型化與輕量化，但是也引入了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制的復(fù)雜性。因此在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)往往需要針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)機(jī)器人吸附方式與運(yùn)動(dòng)方式綜合考慮、權(quán)衡。

2.2 關(guān)鍵零部件定制化設(shè)計(jì)

目前，監(jiān)控偵察、特殊地形應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)爬壁機(jī)器人小型化、輕量化設(shè)計(jì)提出了新的要求。但在機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程中，輕量化、小型化設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)往往受到標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵零部件的制約。例如常用到的離心風(fēng)機(jī)、電機(jī)、傳動(dòng)部件、控制電路、攝像頭等往往難以滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，此時(shí)可以借助關(guān)鍵零部件定制化設(shè)計(jì)來(lái)解決，但這也帶來(lái)設(shè)計(jì)成本的增加。

2.3 理論分析及仿真分析支撐下的優(yōu)化設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)、加工、裝配、調(diào)試、交付使用周期長(zhǎng)，其中某環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常會(huì)對(duì)后續(xù)環(huán)節(jié)造成不可逆的影響，面對(duì)高昂的成本，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的仿真至關(guān)重要?，F(xiàn)實(shí)中由于對(duì)理論模型建模的偏差或使用場(chǎng)景的了解不足常常導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較大偏差。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)提升理論模型建模準(zhǔn)確性并進(jìn)一步明確使用工況，使得仿真有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)并持續(xù)優(yōu)化。

2.4 新材料的研發(fā)與制備工藝流程簡(jiǎn)化

新材料的研發(fā)為爬壁機(jī)器人注入了新的設(shè)計(jì)靈感與思路，借助新材料可以更好地實(shí)現(xiàn)仿生爬壁機(jī)器人小型化、輕量化設(shè)計(jì)。但由于新材料成本高昂及繁雜的制備工藝流程，它在爬壁機(jī)器人吸附模塊設(shè)計(jì)中應(yīng)用受限。因此簡(jiǎn)化新材料制備工藝流程，降低成本，進(jìn)一步推廣新材料在爬壁機(jī)器人吸附技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用是新材料助力爬壁機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重要一環(huán)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的不斷進(jìn)步，爬壁機(jī)器人吸附方法總體上向著使爬壁機(jī)器人小型化、輕量化、大載荷的方向發(fā)展?；谂辣跈C(jī)器人的不同應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合不同的吸附方式特定優(yōu)缺點(diǎn)做出適當(dāng)?shù)倪x擇，同時(shí)加強(qiáng)理論分析建模、仿真分析對(duì)于設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的支撐，通過(guò)關(guān)鍵零部件的定制化設(shè)計(jì)、結(jié)合新材料等對(duì)爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)到穩(wěn)定吸附、敏捷運(yùn)動(dòng)、輕量化、大載荷的設(shè)計(jì)效果。