爬墙机器人综述

爬墙机器人结构设计1爬墙机器人分类1.1用于检测和维修领域爬墙机器人需满足的要求1)速度和机动性：对爬墙机器人来说速度和机动性是它最重要的两个参数。由于垂直结构的尺寸要求，即使在竖直方向或者天花板上，在检测区域和一些相似点之间也需要实现快速移动。其他的要求与系统的操控和定位能力有关，这包括移动轨迹的精确性，因为一些用于检测的传感器要求在表面进行光滑且连续的运动。也有可能要求机器人横向运动或者旋转360°来满足位置传感器和一些工具的要求。最后一点，机器人必须解决台阶和突起等越障问题，以此来保证其可以到达建筑物的任何一个角落。2)负载能力：机器人必须具有携带不同重量的负载的能力。对于一个表面的检测，携带至少10kg的检测装置负载是必须的，因此，机器人的尺寸、吸附和运动装置都应该满足应用的要求。3)可靠性和安全性：鲁棒性是机器人一个非常重要的非功能性的性质。如果爬墙机器人在它的一次任务中失败了，它就不能在实践中投入使用。可靠性和安全性要求包括：硬件鲁棒性、最优控制、检测方法、处理危险情况以及自我恢复等。系统本身要保证吸附的足够安全，因为就算是可控的跌落也是很危险的。4)易用性：作为一个检测装置，爬墙机器人需要比一般的装置更强大、更有效率、更安全。这当然也包括机动性和处理问题的多样性。因此，根据任务要求，它必须能携带各种不同的负载，容易损耗的零件能够快速被替换，与现有的技术相比它的操作必须快且简单，此外，能耗、重量及机器人的尺寸也是很重要的。1.2爬墙机器人分类(1)磁吸附式爬壁机器人磁吸附式爬壁机器人是一种可以在导磁壁面上进行特定作业如焊接、打磨、检测、涂装等的一种自动化机械装置。现有的磁吸附式爬壁机器人主要有磁足式爬壁机器人，磁轮式爬壁机器人，履带式磁吸附爬壁机器人。磁足式爬壁机器人是靠磁足提供的吸附力吸附在壁面上，由于其行走特点决定了其吸附力必须可调，多采用电磁铁提供吸附力。磁足式爬壁机器人步法控制比较复杂，运动灵活性不好；磁轮式爬壁机器人是靠磁轮的吸附力吸附在导磁壁面上，特点是运动灵活性较好，但是由于磁轮的有效吸附面积小，磁能利用率不高，负载能力较差；履带式磁吸附爬壁机器人是靠履带式移的，其特点是负载能力强，但是在进行转向运动时其运动灵活性较差。图1轮式磁吸附式爬壁机器人（左）和爬壁机器人爬壁过程（右）(2)仿生吸附爬壁机器人利用动物爬壁的特点，制造仿生纤毛（纳米级），与壁面间通过范德华力吸附；其对壁面材料的适应性强，但仿生纤毛需要经常更换并清洁，且纤毛制造难度大价格高昂；优点是功耗低噪声小图2防壁虎爬壁机器人(a)（b）图3密直根州立大学FLIPPER机器人（a）与哈工大机器人（b）(3)静电吸附式爬壁机器人利用静电感应效应，通过电荷的库仑力产生吸附；对壁面材料适应能力强，但不适用于潮湿的环境或者壁面有水的环境；功耗低，噪声小。（a）（b）图4静电吸附原理样机（a）和静电吸附式爬壁机器人（b）(4)正压吸附式爬壁机器人机器人依靠自身推进装置产生背离壁面方向的气体，依靠气体反作用力实现吸附作用(类似于喷气飞机)；与负压媳妇相比不存在气体泄漏问题，且对壁面形状、材料适应能力强；产生推力的装置噪声大，体积大且效率较低。（a）（b）图5迪士尼公司研制的轮式机器人VertiGo(5)负压吸附式爬壁机器人依靠真空泵等动力装置将吸盘内部气体抽出从而与外界大气压形成压差；对避免材料适应能力强，但对避免粗糙度要求较高；功耗大，噪声大，真空环境无法使用。（a）（b）图6轮式驱动滑动吸附爬壁机器人（a）和ALICIA爬壁机器人（b）图7一种负压吸附式爬墙机器人结构图8爬墙反恐机器人轮式驱动滑动吸附爬壁机器人具有较高的移动速度，四轮驱动双吸盘爬壁机器人组成结构如图6（a）所示，包括滑动吸盘f和r，驱动轮fl（前左轮）、fr（前右轮）、bl（后左轮）、br（后右轮），滑动吸盘通过离心真空泵在吸盘密封腔内产生负压，使机器人附着于壁面。电机转动带动风扇高速旋转，甩出机器人负压腔内的空气形成负压，从而提供爬壁机器人吸附力。采用离心离心风扇的爬壁机器人通常需要密封机构来保持负压差，其具有良好的壁面适应能力。图6（b）所示为意大利D.Longo等研制的ALICIA爬壁机器人，外径300mm，重4kg，行走速度2m/min时负载为15kg，以吸尘器离心风扇作为负压发生装置，能跨越l0mm高障碍。2爬壁机器人功能实现爬壁机器人必须具有两个基本功能：壁面吸附功能和移动功能。但是，这两者又是矛盾的：机器人的负载能力越强，要求爬壁机器人和导磁壁面间的吸附力越大，但这也造成了爬壁机器人在运动时的阻力越大，爬壁机器人的吸附能力和移动性能是矛盾的。(1)吸附方式比较(2)移动方式比较(3)爬壁机器人控制方式1)单片机单片机具备集成度高、体积小、较强的控制功能与扩展的灵活性等特点，并且处理速度快，具有较高的可靠性，所以在智能仪器仪表领域其应用也十分广泛。从某种程度而言，单片机带动了传统测量、控制仪器仪表技术的一项革命，通过单片机技术实现了仪器仪表技术的数字化、智能化、综合化以及多功能化，与传统的电子电路或者数字电路相比，其功能更强大，综合性更突出。2)PLC控制PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC主要用在工业控制，里面是类似一个加强的单片机。对输入输出均有做处理例如抗干扰，增加带负载驱动能力。3)DSPDSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。DSP主要用在电机驱动芯片的悬挂运动控制系统、双电动机同步控制平台、大尺寸激光数控加工系统、电压反馈的机器人多轴运动控制器等方面。最显著的两大特性是强大的处理数据能力和较高的运行速度。DSP数字信号处理芯片，这个用途可做信号处理，例如图像处理，数据采集处理，它比单片要快很多，比单片机功能要强大。3爬壁机器人吸盘结构(1)电磁吸盘电磁吸盘为电磁系统和吸盘相结合，它不需要自备气泵，也不需要远程导气管。其特点是机器人在爬墙移动时质量轻、吸盘吸气和排气快捷。足部接触墙面时，电磁铁断电，复位弹簧复原，推动衔铁，衔铁通过连杆拉动活塞向上运动，形成活塞内部瞬间真空，活塞内部瞬间真空先使内侧密封裙边迅速压紧墙面，连杆的体积小于活塞的体积，使得外侧裙边动作慢于内侧密封裙边压紧墙面，并且对内侧密封裙边形成密封保护。图9电磁吸盘结构设计(2)负压吸盘结构设计图10吸盘结构图图11吸盘实物图当吸盘与被吸附面接触时,弹性体板,弹性体边缘与被吸附面围成了密封空气腔如图2所示.当通电加热时,SMA弹簧发生奥氏体相变伸长,偏置弹簧缩短,SMA弹簧产生巨大的相变回复力,该相变回复力通过导杆带动弹性体板变形,使密封空气腔的体积变大产生负压,如图2所示.当SMA弹簧断电冷却后,SMA弹簧发生相变恢复为柔弱的马氏体,在偏置弹簧变形回复力的作用下,SMA弹簧逐渐缩短恢复到初始状态,弹性体不变形,吸盘内的负压消失.图12吸盘工作原理示意图(3)微型真空泵智能吸附足图13微型真空泵及智能吸附足4爬墙机器人吸附方式与移动方式确定(1)吸附方式确定通过比较磁吸附、静电吸附、仿生吸附、正压吸附于负压吸附的不同特点和各自得优缺点，由于要爬行的壁面可能会出现凹凸不平，且是非导磁材料，静电吸附、磁吸附、仿生吸附都不适用，容易出现吸附力不足，吸附失败的情况，以此选用正压吸附或者负压吸附，具体吸附方式还需要进一步根据攀爬壁面的情况来确定（可借鉴Vertigo和ALICIA爬壁机器人）。（a）（b）图14Vertigo爬壁机器人（a）和ALICIA爬壁机器人（b）(2)移动方式选择由于在壁面内涂胶时机器人需要运动距离较长，所以初步设想采用履带式或者轮式，这样机器人移动迅速且容易控制，比较容易实现其在不同部位准确涂胶的功能。(3)具体吸附方式与行走方式需根据壁面情况来进一步确定。（a）（b）图15Vertigo爬壁机器人（a）和ALICIA爬壁机器人（b）