爬壁机器人发展现状与关键技术研究综述_姜泽.pdf

第 44 卷 第 12 期 包 装 工 程 2023 年 6 月 PACKAGING ENGINEERING 29 收稿日期：20230209 基金项目：国家自然科学基金（51875495）；河北省教育厅在读研究生创新能力培养资助项目（CXZZBS2023059）作者简介：姜泽（1994），男，博士生，主要研究方向为爬壁机器人装备及智能化系统设计。通信作者：许允斗（1985），男，博士，教授，主要研究方向为并联机器人、可展机构、特种机器人技术。爬壁机器人发展现状与关键技术研究综述 姜泽a，王珉b，赵哲a，李艺超a，许允斗a,c（燕山大学 a.河北省并联机器人与机电系统实验室 b.燕山大学图书馆 c.先进锻压成形技术 与科学教育部重点实验室，河北 秦皇岛 066004）摘要：目的目的 随着爬壁机器人技术的发展，为解决其产品应用化问题，对爬壁机器人的研究进展进行梳理、分析和归纳，讨论未来的发展方向，为设计应用于高危环境和特殊场景的爬壁机器人提供思路和参考。方法方法 将爬壁机器人按移动方式分为履带式、轮式、足式及混合式，通过文献研究法对不同移动方式的爬壁机器人进行综述；将真空吸附、磁吸附、推力吸附等不同吸附方式的爬壁机器人进行对比，介绍了爬壁机器人自适应技术的研究现状及存在问题；总结并分析了爬壁机器人在工业、军事等领域的发展趋势。结论结论 总结了不同移动方式的爬壁机器人的国内外研究现状，分析了爬壁机器人不同吸附方式的优缺点，归纳预测了爬壁机器人的发展方向。关键词：爬壁机器人；移动方式；吸附方式；自适应性 中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)12-0029-10 DOI：10.19554/ki.1001-3563.2023.12.003 Review on Development Status and Key Technologies of Wall-climbing Robots JIANG Zea,WANG Minb,ZHAO Zhea,LI Yi-chaoa,XU Yun-doua,c(a.Parallel Robot and Mechatronic System Laboratory of Hebei Province,b.Yanshan University Library,c.Key Laboratory of Advanced Forging&Stamping Technology and Science,Ministry of Education of China,Yanshan University,Hebei Qinhuangdao 066004,China)ABSTRACT:The work aims to sort out,analyze and summarize the research progress of wall-climbing robots in order to solve the practical application problems of products with the development of wall-climbing robot technology and discuss the future development directions to provide ideas and references for designing wall-climbing robots used in high-risk environments and special scenarios.Firstly,wall-climbing robots were divided into crawler,wheeled,legged,and hybrid wall-climbing robots according to movement modes.The wall-climbing robots with different movement modes were re-viewed by literature research method.Secondly,the wall-climbing robots with different adsorption methods such as vac-uum,magnetic,and thrust adsorption were compared.The research status and existing problems of adaptive technology of wall-climbing robots were introduced.Finally,the development trend of wall-climbing robots in industrial and military fields was summarized and analyzed.The research status of wall-climbing robots with different movement modes in China and abroad is summarized,the advantages and disadvantages of wall-climbing robots with different adsorption methods are analyzed,and the development directions of wall-climbing robots are summarized and predicted.KEY WORDS:wall-climbing robot;movement method;adsorption method;adaptivity 随着机构学、人工智能等技术的快速发展及人们对高危环境中工作安全意识的提高，利用机器人代替人力完成高危工作已经成为一种普遍趋势1-4。爬壁机器人是工业移动式机器人及特种机器人研究的分30 包 装 工 程 2023 年 6 月 支，其因具备有效的壁面吸附与移动特性，可通过搭载侦查、检测、维修等设备，完成高空立面作业任务，在军事、船舶、风电等领域有着广阔的应用前景5-8。在 2015 年中国制造 2025计划颁布后，我国工业机器人进入迅速发展时期，许多研究部门重点投入了爬壁机器人领域的研究，在基础理论知识、结构的优化设计、机构协调控制系统等方面进行了有益探索，深度融合传感器等技术，实现爬壁机器人智能化，代替人工高效率作业。本文结合近年来爬壁机器人领域的研究成果，总结分析不同类型机器人的研究现状，探讨其关键技术及发展方向，为未来爬壁机器人的工程化设计提供有效的借鉴与参考。1 爬壁机器人国内外研究现状 爬壁机器人主要由吸附装置、移动机构和驱动装置三部分组成，按移动方式的不同可分为履带式、轮式、足式及混合式爬壁机器人。1.1 国外研究现状 1.1.1 履带式爬壁机器人 卡内基梅隆大学的 Menon 等9研制了履带式机器人 Tankbot，如图 1a 所示，该机器人履带由黏性材料制成，黏附面积较大，因此负载能力较大，但转弯不稳定。卡内基梅隆大学的 Unver 等10研发的爬壁机器人在机器人底部铺设了大量多孔薄膜，如图 1b 所示，将薄膜内部采用抽真空的方式造成真空负压以吸附在壁面上，该机器人的质量较小，但其工作环境较为苛刻，必须为光滑壁面。美国斯坦福大学设计了一款多体永磁履带爬壁机器人，如图 1c 所示，它依靠柔性关节能够实现两个垂直壁面拐角处的过渡11。2018年法国南特中央科学实验室的 Olivier12针对船体焊接任务，研制了履带式永磁爬壁机器人，如图 1d 所示，该机器人能够携带包括自身质量在内的 100 kg的有效载荷，可以完成焊接、船体表面信息扫描等工作。Fukui 等13设计了一款可在屋顶快速移动的爬壁机器人 HanGrawler，如图 1e 所示，该机器人借助履带上的特殊装置可承载 60 kg 在壁面上以 0.1m/s 的速度直线行驶，以 8.5/s 的旋转速度转弯。1.1.2 轮式爬壁机器人 瑞士苏黎世联邦理工大学的 Fischer 等14针对船舶检测提出了“母子”爬壁机器人，如图 2a 所示。“母”机器人在厚金属板处移动，其质量不影响环境结构的稳定性，故“母”机器人可建造得足够大，以轻松越过障碍。“子”机器人只能水平移动，工作时“母”机器人背着“子”机器人跨越焊缝等障碍物，当运动到焊接处时，“子”机器人便可以水平移动进行探测。澳大利亚的 La 等15研发了对钢结构和桥梁进行视觉和 3D 结构检查的四轮磁吸附爬壁机器人，如图2b 所示，该机器人可以在导磁表面自由移动，通过携带传感器进行数据收集，并实时发送到地面站进行监控和进一步处理。英国伦敦南岸大学的 Gabriela 等16 图 1 国外履带式爬壁机器人 Fig.1 Foreign crawler wall-climbing robot 第 44 卷 第 12 期 姜泽，等：爬壁机器人发展现状与关键技术研究综述 31 图 2 国外轮式爬壁机器人 Fig.2 Foreign wheeled wall-climbing robot 设计了一种永磁吸附爬壁机器人 SIRCAUR，如图 2c所示，该机器人通过轮驱动来探测混凝土结构中钢筋和空隙的存在、位置和深度。机器人由轻型材料铝合金、碳纤维搭建而成，故其质量较小，但能够搭载7.6 kg 的重物。葡萄牙加州大学国际研究中心使用一种弹性体和 ABS 塑料组成了柔性被动底盘，如图 2d所示，机器人能够在不需要驱动的情况下适应曲面，同时车轮使用全向轮，以最小自由度提供 360全向运动，运动更加灵活17-18。俄罗斯莫斯科理工大学的Nunuparov 等19研制了一款借助离心泵以空气动力吸附在壁面上的轮式爬壁机器人，如图 2e 所示，该机器人可以自适应任意定向壁面。1.1.3 足式爬壁机器人 美国密歇根州立大学在 20002004 年研制了两种双足真空吸附的小型爬壁机器人20。图 3a 所示的机器人由 5 个运动关节组成，即 1 个移动关节和 4 个转动关节。图 3b 所示的机器人只有 4 个转动关节，两个机器人均为欠驱动系统，降低了自身的质量并节约了能耗。韩国成均馆大学的 Kim 等21研发了一种四足式爬壁机器人，如图 3c 所示，该机器人由两组相互对称的腿和一个躯干组成，每条腿均由三个主动关节和一个被动关节组成，使机器人能够很好地过渡两个平面的凹处和凸处。日本的 Inoue 等22通过模拟人体攀岩壁面技术成功研发了六足爬壁机器人Asterisk Robot，如图 3d 所示，它依靠前臂分支的摆动和后足分支的伸缩实现吊挂功能，六条分支的协调动作能实现多维度爬行。以色列本古里安大学研究团队设计了一款四足机器人 CLIBO23，如图 3e 所示，该机器人每条腿分支由 2 个 4 自由度的连杆组成，足端有鱼钩状的钩刺，每个钩刺互不影响，使其能在凹凸不平的粗糙壁面爬行。日本千叶工业大学同样运用钩爪吸附原理提出了一款六足爬壁机器人24，如图3f 所示，该机器人每条腿分支的足端有两组微型钩爪，使其可以吸附在混凝土墙面缓慢爬行。韩国蔚山国家科学技术研究所（UNIST）开发的四足机器人UNIclimb25，如图 3g 所示，该机器人躯体与腿、腿与足端之间均安装有伺服电机，机器人通过三角步态在工作表面上实现稳定黏附运动，但其负载能力较弱且对吸附壁面要求较高。韩国汉阳大学与江南大学联合研究了一种连杆式爬壁机器人26，如图 3h 所示，该机器人通过四杆机构连接内、外框架实现直线越障运动，借助两个锥齿轮实现转向。1.1.4 混合式爬壁机器人 瑞士联邦理工学院研究团队研制了爬壁机器人TRIPILLAR27，如图 4a 所示，该机器人采用钝角三角形结构和磁吸附履带结构相结合的行走机构，能够攀爬铁磁表面，且其