爬壁机器人真空吸附及运动方式探讨

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］。 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］。
Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃｓ ＆ 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
Ｖａｃｕｕｍ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｌｉｍｂｉｎｇ－ Ｗａｌｌ－ Ｒ ｏｂｏｔ ｗｉｔｈ Ａｐｐｒｏａｃｈｉｎｇ ｔｏ Ｍｏｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ
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。
ＺＨＡＮＧ Ｇｕｏｐｉｎｇ， ＹＡＮＧ Ｊｉｅ， ＧＡＯ Ｊｉｎｇｗｕ
（ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｍａｃｈｉｎｅ， Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００７２， 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 Ａｌｉｃｉａ Ｉ 、Ａｌｉｃｉａ ＩＩ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。
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 和 越 障 ［３、４ 。 、２５］ 也 可 以 设 计 横 向 、纵 向 滑 轨 ， 在 滑 轨 上 实现不同方向的移动， 类似于平面直角坐标系中的
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。 ３．１ 真空的形成方法
由于吸盘与墙面之间始终处于滑动摩擦状态， 不 １１
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］。
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。Ｔｏｈｒｕ ＭＩＹＡＫＥ， Ｈｉｄｅｎｏｒｉ ＩＳＨＩＨＡＲＡ 设计的擦窗机器人 ［２］，ＤＯＭＥＮＩＣＯ ＬＯＮＧＯ、 ＧＩＯＶＡＮＮＩ ＭＵＳＣＡＴＯ设计的Ａｌｉｃｉａ Ｉ 、Ａｌｉｃｉａ ＩＩ［５］都采用 的是单吸盘吸附方式。
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 式 爬 行 机 构 ， 每 只 脚 装 一 个 或 多 个 吸 盘 ， ［３、２５、１２、１５］ 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 压使机器人紧贴墙面爬行 。 ［１１、１３、２４］ 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。
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
爬壁机器人必须具备能在壁面上吸附和移动两个 基本功能， 目前的吸附方式主要有真空吸附、磁吸附和 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。
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 （自 润 滑 性）、化 学 稳 定 性 和 低 透 气 性 以 及 良 好 的 机 械 性 能［２０］。一般情况下， 用于单吸盘吸附的吸盘设计成圆盘 形［２、５］。 单 吸 盘 吸 附 可 实 现 小 型 化 、轻 量 化 ， 且 结 构 简 单 、 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
Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃｓ ＆ Ｓｅａｌｓ／Ｎｏ．１．２００７ 二 维 坐 标 定 位 方 式 ， 各 吸 盘 交替吸附与剥离、更 改 支
撑点， 从而实现前移、转向和越障［７、２５］， 如图４所 示 。 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。
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 式 就 是 采 用 两 个 或 多 个 轮 子 ， 实 现 滚 动 式 前 进 。 ［２、５］ 但 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］。
图 ２ 多吸盘吸附（ 昆虫足式） ［２５］
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。
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 吸附而言， 目前多采用吸盘组的设计方法［１２、１８］。
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
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。
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