爬壁清洗机器人研究现状及发展趋势_李磊.pdf

书书书综述与展望李磊，等爬壁清洗机器人研究现状及发展趋势第一作者简介:李磊(1997)，山东德州人，本科，研究方向为机器人设计及驱动控制。DOI:1019344/j cnki issn16715276202301001爬壁清洗机器人研究现状及发展趋势李磊1，3，杨幸2，秦绪杰2，王雅倩3(1 北方工业大学 机械与材料工程学院，北京 100144;2 中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院，北京 100083;3 北京工业职业技术学院 机电工程学院，北京 100042)摘要:爬壁清洗机器人凭借其自身的爬壁优势和多样用途，取得了飞速的发展，并被广泛应用于高空作业。通过对当前国内外关于爬壁清洗机器人应用的分析，从不同类型机器人的吸附方式、行走方式、技术应用等方面进行归纳分析，总结出不同类型机器人的优缺点，并根据当前爬壁清洗机器人的局限性，对爬壁清洗机器人未来的发展趋势提出了安全性、可靠性、轻量型及全自动化等方面的建议。关键词:爬壁机器人;清洗机器人;吸附方式;行走方式中图分类号:TP2423文献标志码:A文章编号:1671-5276(2023)01-0001-06esearch Status and Development Trend of Wallclimbing Cleaning obotsLI Lei1，3，YANG Xing2，QIN Xujie2，WANG Yaqian3(1 College of Mechanical and Materials Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China;2 School of Mechanical Electronic and Information Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China;3 School of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing Polytechnic College，Beijing 100042，China)Abstract:Wallclimbing cleaning robots，relying on their own unique wallclimbing advantages and diverse uses，have achievedrapid development and have been widely used in highaltitude applications By analyzing the current application of wallclimbingcleaning robots at home and abroad，this paper summarizes and analyzes the adsorption methods，walking methods，and technicalapplications of different types of robots，and sums up the advantages and disadvantages of different types of robots With regard tothe limitations of current wallclimbing cleaning robots，suggestions for their future development trend with higher safety，reliability，light weight，and full automation are put forwardKeywords:wallclimbing robot;cleaning robot;adsorption method;move method0引言随着我国城市化进程速度加快，城区高层建筑的数量随经济发展逐步增长，除居住用的房屋建筑外，增长建筑较多的为高层办公写字楼。高层办公写字楼应用较多的为光滑的玻璃幕墙，作为一种户外墙体，空气中的尘埃、飞禽的排泄物等难免会吸附或堆积于外墙表面，使得玻璃幕墙不美观、光景通透性变差。因此，玻璃幕墙需要定期清洗来守护城市的形象12。目前我国各地高层建筑外墙清洗工作的自动机械化普及程度比较低3，清洗工作主要由人工来完成，也就是由被称为“蜘蛛人”的高空作业清洁工人4 来完成。人工清洗的方式是，清洁工人乘坐吊篮在高空外墙上用清洁工具进行外墙清洗，其清洗难度大，清洁效率低，人工成本高，最主要的是人工清洁极具危险性，当高空空气乱流侵扰吊篮时，吊篮左右晃动失去平衡，易造成清洁工人出现意外事故或吊篮撞击建筑外墙而损坏墙体。因此，采用智能爬壁清洗机器人代替传统的人工高空清洁十分重要，爬壁清洗机器人相较于人工清洁具有更高的安全性、更高的清洁效率、更低的作业成本等优势5。设计开发爬壁清洗机器人具有广阔的市场前景并可以带来较高的经济价值和社会价值6。当前国内外研究的爬壁清洗机器人都取得了一定的成果，但在某些特殊工作环境下仍然存在不足7，如在工作壁面表面缺陷、有障碍物等特殊环境下，机器人无法完成清洁任务甚至可能出现故障或坠落。因此，研究爬壁清洗机器人以实现各种特殊环境下的安全应用十分重要，同时爬壁清洗机器人在不同的应用场景都有着极大的发展空间。1爬壁清洗机器人的吸附方式在常规工况下，爬壁清洗机器人通常在大于 60倾角以及 90垂直的墙面上进行爬行作业。因此，爬壁清洗机器人的工作核心在于其对工作壁面的吸附能力，吸附力对机器人系统的整体作用力要大于机器人自身重力及其负载。传统的重力做功机器多为类似卷扬机的升降装1综述与展望李磊，等爬壁清洗机器人研究现状及发展趋势置8，随着爬壁机器人吸附设备的发展，当前爬壁机器人的壁面吸附方式主要分为 4 种:磁吸附方式、真空吸附方式、气流负压吸附方式和特殊材料吸附方式910。11磁吸附方式磁吸附方式可以分为永磁吸附和电磁吸附两种方式11。该吸附方式能产生强有力的吸附力使得机器人本体吸附在工作壁面上稳定作业，吸附效果好，且能应用于不同形状的壁面环境，能在有瑕疵裂缝或凸起点的壁面上稳定工作。已有应用的机器人比如墙体除锈爬壁机器人、焊接爬壁机器人等。1996 年，上海交通大学研究了一款用于检测油罐容积的爬壁机器人1213，如图 1 所示。该机器人的吸附装置为永磁铁制作的磁吸盘元件，磁吸盘连接在链条上，有一个特殊磁路产生磁力使得机器人被吸附在壁面上。该机器人质量为 146kg，可负重 20kg 的载荷，1m 内的行程偏差小于10mm，能耗小，吸附稳定。但其上下行程仅为 15m18m，运动范围小。磁吸附方式还有致命的缺点:只能在特定的金属材料壁面上进行吸附，能耗较高，能量利用率低，而且吸附力大时机器人移动一定距离所消耗能量更多。图 1油罐容积检测爬壁机器人12真空吸附方式真空吸附方式是利用真空发生装置(如真空泵)来使吸附装置(如吸盘)内处于负压状态，依靠外部大气压作用使机器主体紧紧吸附在工作壁面上。真空吸附方式与磁吸附方式不同的是，可以吸附在任何材料的壁面上。真空吸附能产生较大的吸附力，吸附能力强且能耗较小。2020 年，新加坡科技设计大学设计了一款小型轻便的双吸盘式爬壁清洗机器人“WallC”14。如图 2 所示，该机器人安装有 2 个真空吸盘，2 个真空吸盘吸附墙壁后与壁面产生摩擦力，机器人中心有 1 个圆形刷子将真空室与外界环境隔开，真空吸盘和圆形刷子一起作为机器人的真空密封机构。机器人使用两个高效的 8kPa 容量的无刷电机鼓风机(BLW)产生吸力，同时电机驱动轮子转向和移动，保证了机器人在没有额外基础设施支持的情况下能在壁面上导航行走。机器人真空室中有 1 个压力传感器，用于测量压差，以便在故障时采取必要的控制措施，其稳定工作的压差范围在 31kPa37kPa。机器人体积很小，尺寸仅为 235mm 230mm 70mm，其密封圈直径为200mm，刷圈的直径为 180mm。机器人的移动速度为125 cm/s。但 WallC 几乎无法承担额外的负载，无法装载水箱，这也是它的弊端所在，故机器人在用水清洁时需要手动供应水或清洁剂。图 2WallC 爬壁清洗机器人2013 年，中国计量大学设计了一款间歇式单吸盘爬壁机器人1516，主体结构采用 550mm370mm 的 ABS 塑料板，如图 3 所示。该机器人的独特之处在于它的吸附机构，吸附机构采用的密封方式与常规的被动吸附方式完全不同。该密封机构离心风扇排出的气体进入特殊导流机构后与通过墙壁缝隙进入机器人的泄漏气体相碰撞，产生一定的冲击，从而阻挡小部分气体通过缝隙进入机器人内部腔室，进而确保了吸盘内外真空压差的稳定，使得气体的泄漏量在一个相对稳定的状态。机器人采用的离心风扇转速达 6 500r/min，吸盘直径为 400mm。离心风扇入口直径为 58mm，出口直径为 208mm。当吸盘与壁面缝隙在 6mm 时，整个吸附装置的空气泄漏量最小。这种真空吸盘的密封机构与滑动壁面无需直接接触就可以实现密封的效果，称之为间歇式真空吸盘结构。图 3间歇式单吸盘爬壁机器人真空吸附方式的适用场景多，但对吸附壁面的条件要求较高，当工作壁面不平整或出现裂缝时，易导致吸附装置出现泄漏现象，直接导致吸附功能降低甚至失效而使得机器掉落，出现安全事故。所以真空吸附方式对吸附装置的密封性要求较高。13气流负压吸附方式气流负压吸附是通过风机装置(如涡扇)产生与壁面相对方向的高速气流使得机器人吸附模块区域的压强降低，从而在机器人吸附模块内部和机器人外部产生较大的气压差，使得机器人紧紧吸附在工作壁面上。2017 年，泰国农业大学设计一种双螺旋桨式爬壁机器人17。如图 4 所示，机器人由 2 个螺旋桨和 4 个自由轮组成。每个轮子的质量仅为 47g，机器人整体质量为2综述与展望李磊，等爬壁清洗机器人研究现状及发展趋势135 kg，并用 12V 的直流无刷电机驱动螺旋桨转动。螺旋桨旋转使得外部空气压强大于机器人内表面压强而产生一个垂直于壁面的力，实现机器人在壁面的吸附功能;由电机驱动自由轮转向和移动，从而实现机器人在壁面的自由移动，再加装轻型的清洁装置后可实现任意壁面清洁工作。图 4双螺旋桨式爬壁机器人气流负压吸附方式能应用的环境较多，在凹凸不平和有细小裂缝的壁面上都可以实现吸附，且具有较强的越障能力。但该吸附方式需要同时克服摩擦力和机器自身重力做功，且风机装置应用于爬壁的能耗较大，效率低，承载能力差。与真空吸附相同，气流负压吸附的风机装置需要每时每刻都处于工作状态，否则会造成吸附力直接消失而出现坠落。14特殊材料吸附方式特殊材料吸附方式中的吸附机构采用的是一种干性黏附材料，以斯坦福大学研制的 Sticky Bot 系列仿壁虎爬行机器人为例。如图 5 所示，该机器人脚掌为模拟壁虎脚掌的干性黏附材料，该材料为一种微纳米尺寸的仿生刚毛，能实现机器人脚趾的外翻和内收，紧紧吸附在工作壁面上。单根刚毛的最大吸附力为(19425)N，当仿生壁虎脚掌绒毛与壁面夹角大于 30时即可发生脱附现象，且脱附过程只要 15ms，就能有效避免脚掌脱离时产生的拉力作用。图 5斯坦福大学的 Sticky Bot 机器人南京航空航天大学和中国科学院大学均在 2008 年研究了仿壁虎型爬壁机器人1819，如图 6 所示。该机器人采用四足机构，且四足对称分布，每个足部都具有 3 个转动的自由度。机器人足部采用 Sylgard184 有机硅胶阵列，大小为 20mm30mm，该硅胶弹性模量为 253MPa，微纳米阵列的力学性能为 6N/cm2，每平方厘米面积可负重3N。机器人所有电机无需减速及换向，可直接驱动足部关节运动，能有效简化机器人的结构并减轻整体的负重。图 6仿壁虎型爬壁机器人壁面吸附方式的优点是可以适用于任意工作壁面，但吸附