爬壁机器人真空吸附及运动方式探讨

ＨｙｄｒａｕｌｉｃｓＰｎｅｕｍａｔｉｃｓ＆Ｓｅａｌｓ／Ｎｏ．１．２００７

爬壁机器人真空吸附及运动方式探讨

张国平

杨

杰

高婧宇

（武汉大学动力与机械学院，湖北武汉４３００７２）

摘要：本文从单吸盘吸附、多吸盘吸附、真空的形成和消除方式、实现运动的机构四个方面，就爬壁机器人真空吸附及其运动方式的研究现状作了一定的分析，并对其发展趋势进行了概括。关键词：爬壁机器人；真空吸附；单吸盘；多吸盘中图分类号：ＴＨ２４，ＴＨ１３８

文献标识码：Ａ

文章编号：１００８－０８１３（２００７）０１－００１１－０３

ＶａｃｕｕｍＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆＣｌｉｍｂｉｎｇ－Ｗａｌｌ－ＲｏｂｏｔｗｉｔｈＡｐｐｒｏａｃｈｉｎｇｔｏＭｏｔｉｏｎＭｏｄｅ

ＺＨＡＮＧＧｕｏｐｉｎｇ，ＹＡＮＧＪｉｅ，ＧＡＯＪｉｎｇｗｕ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｏｗｅｒａｎｄＭａｃｈｉｎｅ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７２，Ｃｈｉｎａ）

０引言

现代都市高层建筑数目和高度迅速增长，带来了壁面清洗以及损伤检测等方面的难题。目前广泛采用的人工作业方式危险性高，效率低，耗资巨大，因此人们迫切需要一种新的工作方式来代替人工作业方式。在这种形势下，爬壁机器人成了众多研究人员瞩目的焦点。在世界上率先开展爬壁机器人研究工作的是日本，１９７５年大阪府立大学工学部讲师西亮研制出一种用单吸盘吸附、以轮子行走的爬壁机器人［１９］。３０多年来，爬壁机器人的研究工作取得了较大的进展。

爬壁机器人必须具备能在壁面上吸附和移动两个

磁吸附和基本功能，目前的吸附方式主要有真空吸附、

黏性吸附。就现在的研究水平而言，黏性吸附会在壁面留下痕迹，所以一般情况下很少用到。鉴于建筑物壁面的非导磁性，爬壁机器人多采用真空吸附方式，通常是依靠抽风机、真空泵等真空发生设备在机器人的吸盘和墙壁的接触面间形成负压，依靠压差使机器人吸附在墙壁上。真空吸附又可分为单吸盘和多吸盘两种形式。由于实际工作环境的复杂性，对爬壁机器人的性能要求也越来越高，因而具有较强越障能力的多吸盘方式受到了更多人的关注。在当前对多吸盘的研究中，真空的形成和消除方式、实现运动的机构（这些在单吸盘研究中也有所涉及）成了研究的重点。

本文将从单吸盘吸附、多吸盘吸附、真空的形成和消除方式、实现运动的机构四个方面，就爬壁机器人真空吸附及运动方式的研究现状作一定的分析。

导索等其他方式）驱动，吸盘利用负压使机器人紧贴墙面，避免倾翻，如图１所示。ＴｏｈｒｕＭＩＹＡＫＥ，ＨｉｄｅｎｏｒｉＩＳＨＩＨＡＲＡ设计的擦窗机器人［２］，ＤＯＭＥＮＩＣＯＬＯＮＧＯ、ＧＩＯＶＡＮＮＩＭＵＳＣＡＴＯ设计的ＡｌｉｃｉａＩ、ＡｌｉｃｉａＩＩ［５］都采用的是单吸盘吸附方式。

图１单吸盘吸附［５］

１．１单吸盘的设计

机器人靠轮子滚动前进，在此过程中吸盘与墙面之间始终处于滑动摩擦状态，故要求吸盘具有很好的耐磨性并且与墙面之间的滑动摩擦系数也维持在很小的范围之内。目前，吸盘材料多采用改性ＰＴＦＥ（聚四氟乙烯）［２］。改性后的ＰＴＦＥ具有很好的耐高温性、耐磨性

化学稳定性和低透气性以及良好的机械性（自润滑性）、

能［２０］。一般情况下，用于单吸盘吸附的吸盘设计成圆盘

５］形［２、轻量化，且结构简单、。单吸盘吸附可实现小型化、

易于控制，但要求壁面平整，当遇到沟槽或凹凸面时，吸盘负压难以维持，越障能力不强。１．２单吸盘吸附的稳定性

由于吸盘与墙面之间始终处于滑动摩擦状态，不

１１

１单吸盘吸附

采用单吸盘吸附的爬壁机器人，通常采用轮子（或

收稿日期：２００６－１１－２２

作者简介：张国平（１９８７－），男，现就读于武汉大学动力与机械学院，专业为机械设计制造及其自动化。

液压气动与密封／２００７年第１期

可避免地造成密封气体的泄漏。因此爬壁机器人是否能够在垂直壁面上安全地附着，取决于真空腔内的气体泄漏量，而气体的泄漏量又取决于密封气囊上所受的接触压力，接触压力越大密封效果就越好。而影响接触压力分布的参数主要有：（１）名义载荷（竖直方向）；（２）名义载荷与壁面之间的垂直距离；（３）密封气垫及驱动轮与壁面之间的摩擦系数。名义载荷越小、离壁面越近，气垫的摩擦系数越小，驱动轮的摩擦系数越大，则机器人的吸附稳定性越好［２５］。

２多吸盘吸附

采用多吸盘吸附的爬壁机器人，通常采用昆虫足

２５、１２、１５］

式爬行机构，每只脚装一个或多个吸盘［３、，如图２所示，或者采用仿坦克的履带式爬行机构，每条履带上装若干个真空吸盘，利用吸盘与墙面的静摩擦力和负

１３、２４］

压使机器人紧贴墙面爬行［１１、。也有的将多个单吸盘吸附系统（一个单吸盘和两个轮子的组合）组合，形成多吸盘吸附［５］。相对单吸盘吸附而言，多吸盘吸附稳定可靠，抗倾覆承载能力和越障能力较高，但其移动是间断的（昆虫足式），控制比较复杂，移动速度较慢。

图３

ＳＲＦ吸盘模型［８］

常好的效果。排布方式的确定是针对昆虫足式多吸盘

１８］

吸附而言，目前多采用吸盘组的设计方法［１２、。

此外，多吸盘吸附要实现吸盘个体频繁的吸附与剥离，因此要求每个吸盘要有快速产生负压和消除负压的能力，这也是多吸盘设计中的关键内容。

２．２多吸盘的承载能力和越障能力

多吸盘吸附有多个支撑点，通过各吸盘的交替吸附与剥离来实现行走和越障，一般情况下，多吸盘吸附的承载能力和越障能力均比单吸盘吸附强。参考文献［５］中从

ＡｌｉｃｉａＩ、ＡｌｉｃｉａＩＩ到Ａｌｉｃｉａ３的改进过程正是源于这一点。

对于昆虫足式爬壁机构，抗倾覆承载能力除与吸力成正比外，还取决于与重力方向一致的吸盘分布尺寸，增大这些尺寸有助于提高承载能力；一般而言，随着吸盘数目的增加，承载能力随之增大，但也有吸盘数量的增加反致抗倾覆承载能力下降的特殊情况［１０］。由于爬壁机构的抗倾覆承载能力不完全与吸盘的数量成正比，应在步态实时规划或立足点位置选择时引起足够的注意。

图２

多吸盘吸附（昆虫足式）［２５］

３真空的形成和消除方式

形成真空是真空吸附的根本、是爬壁机器人吸附力的来源，而消除真空实现吸盘的剥离则是多吸盘吸附机器人移动的必然要求，它们是吸盘设计的关键内容。要提高爬壁机器人的性能，就得设计出快速、可靠的真空产生和消除方式。目前，真空的形成和消除各有几种不同的实现方式。

２．１多吸盘的设计

由于需要利用吸盘与墙面的静摩擦力，故应选择摩擦系数较大的材料，通常选用聚氨酯。聚氨酯的摩擦系数较大且耐磨性好。当聚氨酯吸盘与壁面间有滑动趋势时，吸盘还会产生粘着效应和滞后效应，能够增大与壁面间的摩擦力［１３］。

多吸盘的设计主要表现为吸盘个体和排布方式的确定。

一般情况下，用于多吸盘吸附的吸盘设计成圆锥形。ＳＲＦ［８］是一个集真空泵、微型阀门、压力传感器于一体的吸盘模型，如图３所示，自重３５ｇ，在玻璃表面能承

受１．２￣１．５ｋｇ负载，而ＳＲＦ的下一代将在此基础上发展成为电池驱动、集接触传感微控制器和摄影机于一体的新型吸盘。可以预见，ＳＲＦ应用于多吸盘吸附，将起到非

１２

３．１真空的形成方法

吸盘真空的形成多采用抽风机或真空泵。真空泵提供的支持力比抽风机大，但是抽风机在处理吸盘气体泄漏方面能做得更好［３］。

采用由真空泵或抽风机抽吸空气产生吸附力的主动吸附方式，需要外接气源，连接大量的支持设备，能量耗费大，而且一般伴有较大的噪声，机器人的体积和活动范围都受到限制，不宜在小型爬壁机器人上使用。

ＨｙｄｒａｕｌｉｃｓＰｎｅｕｍａｔｉｃｓ＆Ｓｅａｌｓ／Ｎｏ．１．２００７

为解决这个问题，可以设计利用吸盘自身形变和机构运动来产生真空的被动吸附式吸盘［１３］。

更改支二维坐标定位方式，各吸盘交替吸附与剥离、

２５］

撑点，从而实现前移、转向和越障［７、，如图４所示。

３．２真空的消除方法

为实现真空的消除，一般在吸盘上设计一个放气阀或大气孔，吸盘工作时，放气阀或大气孔处于关闭状态；需要消除真空时，压缩弹簧打开放气阀以联通大气［１３］，或者采用电磁方式，接通通电线圈产生电磁力，带动柱塞移动，从而打开大气孔联通大气［２４］。

气体柔性驱动器［１５］在气体压力作用下能够产生轴向变形。适当地调节气体压力的高低，便可以使驱动器在弹性范围内伸长和收缩，完成驱动动作，从而实现移动。该驱动器具有结构简单、易于小型化、重量轻、柔性好、无摩擦、不需润滑等优点，但是还不能实现转向和越障。

变结构履带式爬壁机器人［２２］，可以灵活而大幅度地改变履带的形状，从而能够在曲率半径较小的曲面上稳定行走，以及在具有较大交角范围的相交壁面之间过渡。

４实现运动的机构

爬壁机器人的运动包括直线移动、转向和越障。一个好的爬壁机器人要能同时实现这三种运动。目前出现的运动实现机构主要有以下几种：

对于单吸盘吸附而言，实现移动的快速有效的方

５］

式就是采用两个或多个轮子，实现滚动式前进［２、。但

５结语

爬壁机器人的研制和新的设计方案层出不穷。但在目前，爬壁机器人面临着几个技术难点，其中涉及吸盘的

有———面对复杂的壁面环境，要求吸附机构必须要产生并维持一定的吸附力，使机器人安全可靠地吸附在工作壁面上，要求出现更好的吸附及密封技术。从有关资料看出，现有的以真空吸盘为吸附手段的爬壁机器人对于较为复杂的工作面适应性较差，这是因为建筑物外墙结构形状复杂，材料多样，壁面有沟缝、凸起物和凹陷区等，所以需要解决密封、跨越、移动等许多技术难度大的问题。这极大的影响了爬壁机器人的工作效率。这些难题是阻碍爬壁机器人向实用化方向发展的瓶颈，也是爬壁机器人的发展方向。为提高吸盘的吸附能力和吸附可靠性，研究和发现新的材料也为一些研究人员所关注，有些研究者提出了采用生物材料的观点，但这一观点还停留在理论阶段，并未进入实用阶段，新材料的发现也必然会使吸盘技术变得更加成熟。

从现有情况及单吸盘吸附和多吸盘吸附各自的特

解除爬壁机器人发展点可以看出，为了克服以上难题、

的瓶颈，越来越多的研究人员把焦点放在了对多吸盘吸附的研究上，同时借鉴和发展现有单吸盘设计的优秀成果。就实现运动的机构而言，基于仿生设计的昆虫足式爬行机构灵活性更大，在转向和越障方面能力较强，是一个重要的发展方向。同时，不少新的设计思想

１５、２２］

的出现也为爬壁机器人的发展注入了活力［８、。

参

考

文

献

是，这种机构不便于越障。为解决越障问题，可以将多个单吸盘吸附系统（一个单吸盘和两个轮子的组合）组合在一起，通过增加支撑点来实现转向和越障［５］。

履带式多吸盘吸附机构是通过驱动器带动履带滚后端吸盘剥离，以此来实动，从而带动前端吸盘吸附、

现机器人的前移。为了避免吸盘在前轮下方切入时卷褶漏气，可以设计相应的吸盘提升装置［１１］；为了增强吸附稳定性，可以根据吸盘本身的力学特性设计一种弯头异型滑轨［１３］。履带式机构的转向和越障能力较弱。

昆虫足式多吸盘机构具有较高的灵活度，能同时实现直线移动、转向和越障功能。采用仿生爬行方式（四足或六足），使用多个汽缸来实现各足交替吸附与剥离、更改支撑点，可以灵活地实现前移、转向

４、２５］

纵向滑轨，在滑轨上和越障［３、。也可以设计横向、

实现不同方向的移动，类似于平面直角坐标系中的

［１］ＪｉｈｏｎｇＬｉｕ，ＫＴａｎａｋａ，ＬＭＢａｏ，ＩＹａｍａｕｒａ．Ａｎａｌｙｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｌｉｎｇ

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２．Ｂｒｕｓｈ

３．ＶｉｓｕａｌＳｅｎｓｏｒ

４．Ｖｅｒｔｉｃａｌ（Ｙ－）Ｃｙｌｉｎｄｅｒ

５．ＳｕｃｔｉｏｎＣｕｐ６．Ｚ－Ｃｙｌｉｎｄｅｒ７．ＳｌａｖｅＣＰＵ

８．ＲｏｔａｔｉｏｎＣｙｌｉｎｄｅｒ

［２］ＴｏｈｒｕＭＩＹＡＫＥ，ＨｉｄｅｎｏｒｉＩＳＨＩＨＡＲＡ．ＭｅｃｈａｎｉｓｍｓａｎｄＢａｓｉｃ

ＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＷｉｎｄｏｗＣｌｅａｎｉｎｇＲｏｂｏｔ［Ｒ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ

２００３ＩＥＥＵＡＳＭＥｌｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＡｄｖａｎｃｅｄＩｎｔｅｌ－ｌｉｇｅｎｔＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ（ＡＩＭ２００３）：１３７２–１３７７．

［３］ＹｕｓｕｋｅＯＴＡ，ＴｏｒｕＫＵＧＡ，ＫａｎＹＯＮＥＤＡ．ＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＣｏｍｐｅｎ－

１３

图４多吸盘吸附［７］

液压气动与密封／２００７年第１期

汽车零部件通用疲劳试验机研制

陈新元陈奎生曾良才杨启梁付连东

ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＣｏｍｍｏｎＦａｔｉｇｕｅＴｅｓｔｅｒｆｏｒｔｈｅＰａｒｔｓｏｆＣａｒｓ

ＣＨＥＮＸｉｎｙｕａｎ，ＣＨＥＮＫｕｉｓｈｅｎｇ，ＺＥＮＧＬｉａｎｇｃａｉ，ＹＡＮＧＱｉｌｉａｎｇ，ＦＵＬｉａｎｄｏｎｇ

（武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉４３００８１）

中图分类号：Ｕ４６

文献标识码：Ａ

文章编号：１００８－０８１３（２００７）０１－００１４－０３

０引言

本试验系统主要是针对轿车中较小零部件的一种通用疲劳试验台。该试验机由三套电液伺服加载装置、

收稿日期：２００６－０８－２０

作者简介：陈新元（１９７２－），男，湖北武汉人，副教授，硕士，主要从事机－电－液一体化系统设计与仿真、智能控制研究和教学工作。

基金项目：国家自然科学基金（５０５７４０７０）；湖北省教育厅青年科学基金（Ｑ２００６１１００３）；武汉科技大学机械传动与制造工程省重点实验室基金民（２００５Ａ０３）

测量控制系统和机械装置三大部分组成，每套电液伺服加载装置均可根据需要固定在加载框架或反力墙上，可以组成一维、二维或三维加载试验系统，可从垂直、水平方向对被测试零部件按要求施加静态力，或者根据需要在０￣１０Ｈｚ范围内对零部件进行多种波形循环加载疲劳试验。

１液压系统设计及伺服加载回路动态分析

试验机液压系统由油源，温度控制、污染度控制、

［１２］唐伯雁，张慧慧，费仁元，杨建武．壁面清洗机器人吸盘组的

设计方法［Ｊ］．液压与气动，２００４，（３）：１３－１５．

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ｓａｔｉｏｎｆｏｒＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＦｏｒｃｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆａＷａｌｌＣｌｉｍｂｉｎｇＱｕａｄｒｕｐｅｄｗｉｔｈＲｅｄｕｃｅｄ－ＤＯＦ［Ｒ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２００６ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＲｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＯｒｌａｎｄｏ，Ｆｌｏｒｉｄａ－Ｍａｙ２００６：４６８－４７４．

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ＧｅｃｋｏＩｎｓｐｉｒｅｄＣｌｉｍｂｉｎｇＲｏｂｏｔＵｓｉｎｇＥｌａｓｔｏｍｅｒＡｄｈｅｓｉｖｅｓ［Ｒ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２００６ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＲｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＯｒｌａｎｄｏ，Ｆｌｏｒｉｄａ－Ｍａｙ２００６：２３２９－２３３５．

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１４

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/sz1j.html