鄭東梅 王慶喜

摘要：本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外磁吸附爬壁機(jī)器人以及控制系統(tǒng)的研究進(jìn)行分析，探討國(guó)內(nèi)外在爬壁機(jī)器人研究中的新技術(shù)，洞察爬壁機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，從而為我國(guó)爬壁機(jī)器人的進(jìn)一步研究提供可靠的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：爬壁機(jī)器人；磁吸附；控制系統(tǒng)；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

一、磁吸附爬壁控制系統(tǒng)的研究意義

隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展和人的觀念的更新，對(duì)于一些高危工作和繁重勞動(dòng)人們逐漸開(kāi)始用科技的眼光審視，因此爬壁機(jī)器人便應(yīng)用而生。爬壁機(jī)器人作為一種特種機(jī)器人，能夠在高、陡的壁面上作業(yè)，替代了人的工作，實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)的解放。爬壁機(jī)器人于1966年由日本的西亮教授研制成功，并且實(shí)現(xiàn)了地面的移動(dòng)和吸附技術(shù)兩者之間的融合，提高機(jī)器人在垂直墻壁上的運(yùn)動(dòng)功能，爬壁機(jī)器人應(yīng)用的領(lǐng)域十分的廣泛，主要分為6個(gè)重要的行業(yè)。在核工業(yè)中的應(yīng)用主要是檢測(cè)核反應(yīng)堆，對(duì)核廢液儲(chǔ)罐的壁厚和焊縫進(jìn)行檢查。在石化工業(yè)中的應(yīng)用主要是在立式和球形的金屬罐表面以及內(nèi)壁進(jìn)行噴漆和噴砂作業(yè)，目的是為了防腐和除銹在建筑行業(yè)的應(yīng)用主要是對(duì)高層建筑外表面的瓷磚、玻璃進(jìn)行清洗。在造船業(yè)中的應(yīng)用主要是在大型的船舶表面進(jìn)行噴漆和除銹等作業(yè)。在消防部門(mén)的應(yīng)用主要是傳送救援的物資等。在偵查活動(dòng)中主要用于軍事的反恐，能夠嵌入到敵人的內(nèi)部進(jìn)行環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

二、磁吸附爬壁控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自從日本第一個(gè)爬壁機(jī)器人誕生以來(lái)，爬壁機(jī)器人便獲得了良好的發(fā)展前景。之后在一些發(fā)達(dá)國(guó)家相繼被研究。我國(guó)爬壁機(jī)器人的研制是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始的，國(guó)內(nèi)的許多高等院校和研究結(jié)構(gòu)開(kāi)始投入對(duì)爬壁機(jī)器人的研究，并且出現(xiàn)了多種型號(hào)的爬壁機(jī)器人，有些在一些生產(chǎn)行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。

（一）國(guó)外研究綜述

爬壁機(jī)器人主要分為真空吸附和磁吸附兩種方式，其中我國(guó)對(duì)真空吸附爬壁機(jī)器人的研究比較多，但缺少對(duì)磁吸附爬壁機(jī)器人的研究，并且與日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比明顯落后。日本在掌握了真空吸附技術(shù)的前提下，研制出一種真空吸附爬壁機(jī)器人（VACS），并且在生產(chǎn)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。該類(lèi)型的機(jī)器人主要采用履帶式的移動(dòng)方式，在履帶上安裝了多個(gè)的吸盤(pán)室。在真空吸附爬壁機(jī)器人研制成功之前，日本的公司還研制出一臺(tái)Wall Cleaner的真空吸附移動(dòng)機(jī)器人，主要用于核電站中。日本國(guó)際機(jī)器人公司成功研制出一臺(tái)能夠清洗窗戶(hù)的爬壁機(jī)器人——“真空勇士”，該機(jī)器人主要采用的也是真空吸附的方式，采用腳式移動(dòng)方式。（如圖1所示）

日本的石川島播磨重工業(yè)公司研制的磁吸附爬壁機(jī)器人，采用磁吸附和輪式——四輪行走的移動(dòng)方式，主要包含兩個(gè)永磁盤(pán)式輪和吸附結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行時(shí)最大的速度為每分鐘達(dá)到10厘米，負(fù)載能夠最大可以達(dá)到25千克。Hagen Schempfi等研制出的爬壁機(jī)器人主要采用履帶式的移動(dòng)方式，采用無(wú)線遙控以及PID進(jìn)行控制。在機(jī)器人的控制系統(tǒng)中主要設(shè)定了機(jī)器人的移動(dòng)軌跡，并且具有簡(jiǎn)單的人機(jī)操作界面，能夠?qū)C(jī)器人自身的工作狀態(tài)和情況顯示出來(lái)，這樣能夠更加方便對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合理的規(guī)劃和控制。

（二）國(guó)內(nèi)研究綜述

我國(guó)對(duì)爬壁機(jī)器人的研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)當(dāng)中，發(fā)揮了重要的作用和價(jià)值。國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人主要應(yīng)用于油罐的檢測(cè)以及船舶的噴漆和除銹等，替代人的高空作業(yè)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所自1988年以來(lái)研制出多種類(lèi)型的爬壁機(jī)器人，吸附方式多種多樣。BF-I型爬壁機(jī)器人主要用于清理工作中，檢測(cè)核廢液儲(chǔ)罐罐壁厚的情況，主要的吸附方式為負(fù)壓吸附，控制系統(tǒng)采用遙控，能夠在儲(chǔ)罐壁上自由移動(dòng)，檢查油罐的焊縫以及壁厚情況。該機(jī)器人還配備了許多的功能設(shè)備，如照明系統(tǒng)和清掃系統(tǒng)等，能夠?qū)C(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查，完成清理工作。CLR-I型爬壁機(jī)器人采用的是負(fù)壓吸附方式，由遙控和OLC進(jìn)行控制操作。CLR-II型爬壁機(jī)器人是專(zhuān)門(mén)為了清理高層建筑外觀玻璃而設(shè)計(jì)的，采用負(fù)壓吸附和兩輪移動(dòng)，采用計(jì)算機(jī)、電力載波通信以及遙控盒作為控制系統(tǒng)的重要組成部分，并且配備了噴霧、擦洗等裝置，提高工作的效率。1995年研制出我國(guó)第一臺(tái)磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人，主要用于噴漆和防腐，如圖2所示。

該類(lèi)型機(jī)器人采用雙履帶以及永磁吸附和遙控控制方式相結(jié)合，能夠在重金屬的罐壁上移動(dòng)，依靠雙履帶的正反移動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，主要的任務(wù)是在重金屬罐壁上進(jìn)行噴漆、清理和除銹等。哈爾濱大學(xué)還研制出一種水冷壁清掃和檢查的爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人主要采用雙履帶式和永磁吸附方式相結(jié)合，控制系統(tǒng)采用PLC和有線遙控組成，運(yùn)行中主要對(duì)管壁進(jìn)行清理和除渣，超聲探頭還能夠測(cè)量管壁的厚度。

清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室研制出一種爬壁機(jī)器人主要用于對(duì)油罐的自動(dòng)檢測(cè)，采用遙控控制系統(tǒng)，永磁吸附方式，工控機(jī)加上兩層的運(yùn)動(dòng)控制，能夠在油罐壁上自由的移動(dòng)，對(duì)油罐壁進(jìn)行清理和除銹。上海交通大學(xué)研制出爬壁機(jī)器人能夠檢測(cè)油罐的容積狀況，該機(jī)器人根據(jù)油罐的性質(zhì)采用履帶式移動(dòng)方式，主要是油罐的內(nèi)壁上有一層油膜，且具有凸起的焊縫，采用永磁吸附的方式具有較高的吸附能力。該機(jī)器人能夠檢測(cè)到油罐的容積，在罐壁上自由行走。

三、爬壁機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技發(fā)展進(jìn)步，爬壁機(jī)器人呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢(shì)。從吸附的方式上來(lái)看，目前主要有磁吸附和真空吸附。但英美等發(fā)達(dá)國(guó)家在研究壁虎爬行原理的基礎(chǔ)上研究出一種壁虎腳趾的仿生物質(zhì)，這樣爬壁機(jī)器人的吸附方式就不會(huì)受限。從移動(dòng)的方式上看，目前主要廣泛應(yīng)用的有履帶式和輪式，在未來(lái)的發(fā)展中將會(huì)大力研發(fā)足式移動(dòng)方式，該方式與壁面的接觸面積較小，且支撐點(diǎn)較多，如果能夠深入的研究，足式移動(dòng)方式將會(huì)獲得良好的發(fā)展前景。從控制系統(tǒng)上看，呈現(xiàn)出小型化和微型化的發(fā)展趨勢(shì)。無(wú)纜化將會(huì)成為爬壁機(jī)器人未來(lái)的主要發(fā)展方向之一，無(wú)纜化能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)爬壁機(jī)器人的靈活控制，接受的裝置也有更大的選擇余地。

結(jié)語(yǔ)：爬壁機(jī)器人作為科技進(jìn)步和發(fā)展的重要研究成果之一，在國(guó)內(nèi)外都得到過(guò)不同的研究和應(yīng)用，并且隨著科技的不斷發(fā)展，爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)將會(huì)更加的完善，也會(huì)更加程度上將人類(lèi)從繁重的勞動(dòng)中解放出來(lái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂瓊瑩，王曉博，焦海坤等.針對(duì)風(fēng)電維護(hù)任務(wù)的小型磁力爬壁車(chē)的設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，（3）：88-91.

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