1  引言

    近几年来，机器人在各个领域中得到广泛的应用和发展。其中，爬壁机器人是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限作业的一种自动机械装置，越来越受到人们的重视。概括起来，爬壁机器人主要用于：
    (1)  核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等；
    (2)  石化企业：对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐；
    (3)  建筑行业：喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面清洗、擦玻璃等；
    (4)  消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作；
    (5)  造船业：用于喷涂船体的内外壁等。

2  传统爬壁机器人的结构及特性

    爬壁机器人必须具有两个基本功能：在壁面上的吸附功能和移动功能。

    传统爬壁机器人按吸附功能可分为真空吸附和磁吸附两种形式：真空吸附法又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式，具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凸凹不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低；磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，电磁体式维持吸附力需要电力，但控制较方便。永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，但控制较为麻烦。磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，且吸附力远大于真空吸附方式，不存在真空漏气的问题，但要求壁面必须是导磁材料，因此严重地限制了爬壁机器人的应用环境。

    爬壁机器人按移动功能分主要是吸盘式、车轮式和履带式。吸盘式能跨越很小的障碍，但移动速度慢；车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难；履带式对壁面适应性强，着地面积大，但不易转弯。而这三种移动方式的跨越障碍能力都很弱。

    驱动方式有两种：真空式由气缸驱动，磁吸附式由电动机驱动。气缸和电机不仅质量大，增加机器人本体的重量，而且效率很低，能耗非常大。

    供电能源：目前机器人的电能供给均采用有缆接电方式或者是较大的蓄电池。有缆方式使机器人的移动不方便，工作受到一定的影响，而且电缆在壁面上产生摩擦，具有一定的危险性；而蓄电池质量大，增加机器人的自身重量，并且供电的时间有限。

3  国内外爬壁机器人的现状

    日本应用技术研究所研制出了车轮式磁吸附爬壁机器人，如图1所示。

图1  车轮式磁吸附爬墙机器人

    它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：行走稳定速度快，最大速度可达9m/min，适用于各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。1989年日本东京工业大学的宏油茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人，吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度，这样吸盘对壁面的吸力仍然很大，每个吸盘分别由一个电动机来驱动，与壁面线接触的吸盘旋转，爬壁机器人就随着向前移动，这种吸附机构的吸附力可以达到很大。

    我国哈尔滨工业大学机器人研究所已经成功研制出单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人。单吸盘轮式壁面移动机器人，有吸附机构和移动机构两大部分，移动机构由电机、减速器、车轮构成，吸附机构包括真空泵、压力调节阀、密封机构等。真空泵是产生负压的装置，其功能是不断地从负压腔内抽出空气，使负压腔内形成一定程度的真空度。为维持机器人负压腔内的负压，还需要有密封机构，使机器人可靠地吸附在壁面上并产生足够的正压力，从而使驱动机构产生足够的摩擦力以实现移动功能。由于气囊密封装置具有较好的弹性，在壁面有凹凸时，通过气囊的变形来减小缝隙的高度，可使机器人具有一定的越障能力，且充气量可由调节阀来控制。调节弹簧的作用有两个：一是为密封圈提供密封所必需的正压力，二是提高气垫对壁面的适应能力，还可起到减震的作用。负压的控制通过调节真空泵的电机电压来改变电机的转速，同时采用负压传感器作为检测元件，实时检测负压的变化，为调整压力提供依据。设置压力调节阀改变机器人本体内的真空度，可防止真空泵因腔内真空度过高而冷却空气较少而发热。

    磁吸附履带式爬壁机器人采用的是双履带永磁吸附结构，如图2所示，在履带一周上安装有数十个永磁吸附块，其中的一部分紧紧地吸附在壁面上，并形成一定的吸附力，通过履带（由链条和永磁块组成）使机器人贴附在壁面上。机器人在壁面上的移动靠履带来完成，移动时，履带的旋转使最后的吸附块在脱离壁面的同时又使上面的一个吸附块吸附于壁面，这样周而复始，就实现了机器人在壁面上的爬行。

1步进电机  2谐波减速器  3链轮  4单元吸附块  5框架  6链条
图2  磁吸附爬壁机器人本体结构示意图

4  爬壁机器人的发展趋势

    由于传统爬壁机器人具有很多的不足之处（如对壁面的材料和形状适应性不强，跨越障碍物的能力弱，体积大，质量重等），因此未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展。

    (1)  吸附装置
    最近几年，美、英、俄等国的研究小组真正揭示了壁虎在墙上爬行的秘密，这个秘密就是分子间的作用力―范德华力。范德华力是中性分子彼此距离非常近时产生的一种微弱电磁引力。科学家在显微镜下发现，壁虎脚趾上约有650万根次纳米级的细毛，每根细毛直径约为200至500纳米，约是人类毛发的直径的十分之一。这些细毛的长度是人类毛发直径的2倍，毛发前端有100～1000个类似树状的微细分枝，每分枝前端有细小的肉趾，这种精细结构使得细毛与物体表面分子间的距离非常近，从而产生分子引力。虽然每根细毛产生的力量微不足道，但累积起来就很可观。根据计算，一根细毛能够提起一只蚂蚁的重量，而一百万根细毛虽然占地不到一个小硬币的面积，但可以提起二十公斤力的重量。如果壁虎脚上650万根细毛全部附着在物体表面上时，可吸附住质量为133千克的物体，这相当于两个成人的质量。科学家说，壁虎实际上只使用一个脚，就能够支持整个身体。从壁虎脚的附着力得到的启示可用于研制爬壁机器人。

    在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用机理的基础上，运用类比，模拟和模型方法，通过高分子材料化学，工程材料科学，力学和机械学的交叉研究，探索出一种与壁虎脚趾表面结构相近的，经物理改进的极性高分子材料（人造壁虎仿生脚干性粘合剂），并应用精密微机械加工的手段，设计并制作模拟壁虎脚趾的吸附装置，该吸附装置将适应于各种材质（如玻璃，粉墙和金属等）和任意形状的表面（如平面，柱面，弧面和拐角等）。这种装置如果研制成功将使爬壁机器人的实用化迈出坚实的一大步。

    (2)  移动方式
    在移动机器人中，轮式和履带式移动方式已获得广泛的应用，但是足式移动方式具有轮式和履带式所没有的优点。足式移动方式的机器人可以相对较容易地跨过比较大的障碍（如沟、坎等），并且机器人的足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凸凹不平的地形适应能力更强。足式机器人的立足点是离散的，跟壁面接触的面积小，可以在可达到的范围内选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。正是由于足式结构多样、运动灵活，适应于各种形状的壁面上，而且能够跨越障碍物，因此足式结构将在爬壁机器人上有着较好的应用前景。

    (3)  驱动设备
    传统伺服电机因功率重量比低，必须安装在远离驱动的地方，而且电机高速运行后需有减速齿轮来降低速度，致使传动系统复杂，结构累赘，不能满足实用化的要求，为此需要研制利用功能材料构成的体积小、重量轻、高效率密度的新型电机。

    微特电机所组成的驱动伺服系统和位置速度传感系统是机器人关键部件，研制开发直接驱动、大力矩、小体积、重量轻、精度高、反应灵敏、工作可靠的各类微特电机是提高我国机器人的研究开发水平，满足国内机器人高性能微特电机的基础保障。因此微特电机在机器人应用的前景是非常乐观的，而且要求微特电机技术的发展，满足机器人智能化、可靠、灵活、长寿命的需要。因此爬壁机器人使用微特电机技术的发展趋势可归纳为朝高精度、高可靠性、直接驱动、新原理、新结构、机电一体化、超微化方向发展。

    超声波电机 是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将弹性材料（压电陶瓷）的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。由于其独特的运行机理，超声波电机具有传统电磁式电机不具备的优点：(1) 靠摩擦力驱动，因而断电后具有自锁功能，不需制动装置；(2) 转矩密度大，低速下可产生大转矩，不需齿轮减速机构，因而体积小、质量轻、控制精度高、响应速度快；(3) 运行无噪声，不产生也不接受电磁干扰等。正是由于超声波电机具有众多优点，所以它在爬壁机器人上将有非常好的实用价值。

    (4)  能源问题
    迫切的需要探索出一种新的能源，体积小、供电性能强的电池，或者通过遥控途径对机器人提供能量和控制信号。目前国内外正对此进行积极研究，这方面日本取得了较大的成果。日本已经较为成功的将微波技术应用到一台无线机器人上，该技术成功的应用将会使爬壁机器人的运动范围得到较大的扩展。

5  结语

    通过对以上爬壁机器人结构和功能的分析，可以预见当微机械电子技术、微驱动器技术、高分子材料技术和能源供给方面等高科技领域发展到一定程度时，这种新型爬壁机器人的实用化才能变成现实。