近年來(lái) ，機(jī)器人 在各個(gè)域 中得到廣泛的應(yīng)用。爬壁機(jī)器人作為高空作業(yè)的種 自動(dòng)裝置，已在高強(qiáng)度、高危險(xiǎn)環(huán)境中得以應(yīng)用。這種作業(yè)方式替代了人的高空作業(yè)，降低了操作的危險(xiǎn)性 ，大大提高了檢測(cè)率。因此爬壁機(jī)器人的研究和應(yīng)用有著其重要的工程應(yīng)用背景和非常廣泛的應(yīng)用前景，受到各學(xué)者的廣泛重視。
壁面移動(dòng)機(jī)器人主要用于核工業(yè)、石油化工業(yè) 、建筑業(yè)、造船業(yè)、消防等行業(yè)，作為能夠在垂直陡壁上進(jìn)行作業(yè)的高空限作業(yè)的自動(dòng)裝置，越來(lái)越受到人們的重視。
吸附裝置是壁面移動(dòng)機(jī)器人完成壁面移動(dòng)的核心，吸附裝置的發(fā)展直接影響著壁面移動(dòng)機(jī)器人的研發(fā)。對(duì)于壁面移動(dòng)機(jī)器人有兩個(gè)問(wèn)題必須要處理好，壁面吸附問(wèn)題，二是移動(dòng)能力，壁面吸附和壁面移動(dòng)是個(gè)矛盾問(wèn)題，有良好的移動(dòng)能力就損失了吸附能力。吸附能力過(guò)強(qiáng)又給移動(dòng)帶來(lái)困難。正確的處理吸附和移動(dòng)的矛盾是壁面吸附機(jī)器人的關(guān)鍵，目前比較成熟的吸附方式主要有三種：磁吸附、真空吸附和推力吸附。此三種技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展 ，在各種各樣的壁面機(jī)器人上得到了很好 的應(yīng)用。隨著對(duì)壁面機(jī)器人新的要求，此三種吸附方式局限性 日益凸顯 ，所以新的吸附方式的研究開(kāi)發(fā)直接關(guān)系著壁面機(jī)器人的發(fā)展。
本文從三種吸附方式出發(fā)，對(duì)三種吸附方式的發(fā)展進(jìn)行了分析 ，通過(guò)分析三種吸附方式和結(jié)合今后對(duì)壁面吸附機(jī)器人的新要求，對(duì)吸附方式的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，并提出了壁面機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵所在。
1 吸附方式類型及點(diǎn)
壁面移動(dòng)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在壁面上 自由移動(dòng)必須具備吸附功能和移動(dòng)功能。吸附方式按吸附功能來(lái)分有真空吸附、磁吸附和推力吸附三類。三種吸附方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表 1所示。
2 吸附方式的研究現(xiàn)狀
2．1 磁吸附磁吸附式爬 壁機(jī)器人 雖然只適 用于導(dǎo)磁性材料構(gòu)成的壁面，但能產(chǎn)生較大的吸附力，并且不受壁面凹凸或裂縫的限制。目前，研究的磁吸附壁面移動(dòng)機(jī)器人多為永磁式。磁吸附方式的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下三種爬壁機(jī)器人。

車(chē)輪式磁吸附爬壁機(jī)器人 ，1988年 日本鋼管株氏會(huì)社開(kāi)發(fā) 了車(chē)輪式磁吸附爬壁機(jī)器人 ，它可以吸附在油罐、球形煤氣罐和船舶等的壁面上，由兩臺(tái)直流伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)左右兩組車(chē)輪單元，磁性輪達(dá)到吸附的目的。具有行走穩(wěn)定、移動(dòng)速度快的點(diǎn) ， 大速度可以達(dá)到9 m ／m in，適用于各種形狀的壁面。該車(chē)輪式磁吸附爬壁機(jī)器人如圖 1所示。

表 1 壁面移 動(dòng)機(jī)器人吸附方式的比較

加拿大研制的 M agnetic C raw ler磁力吸附爬行器如圖2 所示，該裝置是雙履帶結(jié)構(gòu)，可在水下 30 m 的深度工作 ，爬行速度為 0～9m ／m in，可在垂直的鋼板上爬行 ，可對(duì)罐體和壓力容器等進(jìn)行電視檢測(cè)。

車(chē)輪式磁吸附爬壁機(jī)器人雖然移動(dòng)速度較快 ，但有的吸附只是車(chē)輪的小部分。步行式磁吸附爬壁機(jī)器人雖然吸附面增大了，但移動(dòng)速度慢。為了提高吸附力和移動(dòng)速度。l989年店漱茂男等研制了吸盤(pán)式磁吸附爬壁機(jī)器人 ，如圖 3 所示。吸盤(pán)與壁面之間有個(gè)小的傾角，但吸盤(pán)對(duì)壁面的吸力依然很大。每個(gè)吸盤(pán)分別由個(gè) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) ，與壁面線接觸的吸盤(pán)旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人就隨著向前移動(dòng)。在越障時(shí)，可讓吸盤(pán)依次翻越。這種吸附機(jī)構(gòu)總吸力可達(dá) 2730 N ，可使機(jī)器人在承受 200 N 的載荷下，在各方向自由行走。

此三類機(jī)器人的設(shè)計(jì)充分地體現(xiàn)了磁吸附優(yōu)點(diǎn)，磁吸附在壁面爬壁機(jī)器人上得到了充分的應(yīng)用。
2．2 真空吸附
真空吸附的單吸盤(pán)的研究先歸根于，日本大阪府立大學(xué)工學(xué)部的西亮在 1 966 年研制的世界上 臺(tái)垂直壁面移動(dòng)機(jī)器人的原理樣機(jī)。該機(jī)器人采用單個(gè) 大吸盤(pán)結(jié)構(gòu) ，利用 電風(fēng)扇進(jìn)氣測(cè)低壓作用產(chǎn)生吸附力。使機(jī)器人可靠吸附在壁面上，利用履帶機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在垂直壁面上的移動(dòng)功能。
對(duì)于多吸附盤(pán)機(jī)器人，日本化工機(jī)械技術(shù)服務(wù)株式會(huì)社研制多吸附盤(pán)履帶式真空吸附爬壁機(jī)器人“VACS”，它的主要技術(shù)點(diǎn)是在履帶上做出多個(gè)立的吸附室，當(dāng)某個(gè)吸附室與壁面相接處時(shí)，他就 自動(dòng)與真空管路相連而形成真空腔 ，而當(dāng)吸附室與壁面脫離時(shí)，能自動(dòng)與真空管路斷開(kāi)，每個(gè)吸附室的真空均由各自的真空發(fā)生器產(chǎn)生。
香港城市大學(xué)研制的 “Cleanbot．2”采用了北航“Cleanbot1”原理 ，該機(jī)器人采用多個(gè)吸附盤(pán)組成的吸附機(jī)構(gòu)和單鏈條爬行及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，如圖4 所示。

綜上所述 ，單吸附盤(pán)都有個(gè)共同的點(diǎn)，即皆有與壁面見(jiàn)存在相對(duì)滑動(dòng)的單真空吸附盤(pán)或者是機(jī)器人 自身機(jī)殼的密封裝置通壁面形成個(gè)真空室，這種形式的爬壁機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)小型化，輕量化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于控制，但是對(duì)壁面有定的平滑度的要求，越障能力差，對(duì)于復(fù)雜壁面環(huán)境或者遇到較大的溝槽 ，凸凹時(shí)，吸附盤(pán)負(fù)壓難以維持，且由于存在相對(duì)滑動(dòng)，吸盤(pán)磨損厲害，對(duì)于多吸附盤(pán)，克服了單吸附盤(pán)的適應(yīng)性差的問(wèn)題，并且有較大的負(fù)載能力，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 ，控制不便，不易實(shí)現(xiàn)小型化 。

2.3 推力吸附
1990 年西亮教授推出了推 力型爬壁機(jī)器人 ，如圖5(a) 所 示。它利用直升機(jī)原理 ，由螺旋槳產(chǎn)生的高速氣流帶動(dòng)機(jī)器人高速移動(dòng)，螺旋槳的軸線與壁面大約成 200。夾角，始終有指向壁面的推力，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的吸附功能，使機(jī)器人可以緊貼壁面移動(dòng)，且具有定的越障能力。由掌舵機(jī)構(gòu)控制機(jī)器人的移動(dòng)方向和傾斜角度 ，用4 通道的無(wú)線控制器來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。由于使用柴油機(jī)，不帶電源線，則使用起來(lái)很方便。

北京航空航天大學(xué)的機(jī)器人研究所研制出的推力型爬壁機(jī)器人，如圖5(b) 所示 ，利用涵道風(fēng)扇產(chǎn)生的推力作用，使機(jī)器人吸附于壁面。機(jī)器人本身不具有自主移動(dòng)功能，由裝在樓頂?shù)睦|車(chē)通過(guò)纜繩拉動(dòng)機(jī)器人上下移動(dòng)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)不帶動(dòng)力僅為 4 只導(dǎo)向輪控制機(jī)器人的行進(jìn)路線，由地面上的設(shè)備控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

3 吸附方式的發(fā)展趨勢(shì)
經(jīng)過(guò)對(duì)壁面移動(dòng)機(jī)器人內(nèi)外現(xiàn)狀的分析與研究，并且結(jié)合機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的總體趨勢(shì)，我們認(rèn)為壁面移動(dòng)機(jī)器人吸附方式的發(fā)展具有如下趨勢(shì)。
3．1 吸附方式將更多地采用干性粘合劑
真空吸附方式和磁吸附方式技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟 ，并伴隨著商用化產(chǎn)品的出現(xiàn)，在定范圍內(nèi)得到較大的應(yīng)用，但其缺點(diǎn)限制了進(jìn)步的推廣與應(yīng)用。干性粘合劑作為種仿生智能材料 ，能夠適應(yīng)各種材質(zhì)壁面，無(wú)噪音，雖然目前其吸附能力還比較差，但隨著MEMS加工技術(shù)和新材料的發(fā)展，人造壁虎腳掌的性能將會(huì)有明顯提升。目前 ，西方發(fā)達(dá)家都很重視對(duì)壁虎腳掌仿生材料的研究，我南京航空航天大學(xué)也已經(jīng)開(kāi)展相關(guān)方面的研究。
3．2 向適應(yīng)微小型化機(jī)器人發(fā)展
21世紀(jì)的尖 技術(shù)之是微型機(jī)器人。仿生微型機(jī)器人可以用于小型管道檢測(cè)作業(yè)，可以進(jìn)入人體腸道進(jìn)行檢查和實(shí)施治療而不傷害人體，也可以進(jìn)入狹小的復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行各種作業(yè)。在滿足功能要求的前提下，體積小、質(zhì)量輕的機(jī)器人可較小能耗 ，具有較高靈活性，并且在某些殊場(chǎng)合也需要機(jī)器人具有小的體積。各種微型驅(qū)動(dòng)元件 、控制元件及能源供應(yīng)方式的發(fā)展，為小型化 、微型化奠定了基礎(chǔ)。因此 ，壁面移動(dòng)機(jī)器人的小型化和微型化是未來(lái)非常重要的個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。小型化 、微型化是當(dāng)前爬壁機(jī)器人發(fā)展的趨勢(shì)。為了適應(yīng)爬壁機(jī)器人的微小化 ，新的吸附方式正在開(kāi)發(fā)研究。仿生微型機(jī)器人是今后吸附方式發(fā)展的個(gè)必然趨勢(shì)。
4 結(jié)語(yǔ)
壁面移動(dòng)機(jī)器人吸附方式的研究日益趨近成熟 ，在原有吸附方式的基礎(chǔ)上經(jīng)不斷的研究與開(kāi)發(fā)相繼出現(xiàn)了適合各種情況的吸附方式，如間隙永磁吸附、永磁吸附和真空吸附復(fù)合等，目前正在探討其它的吸附方式，如干性粘合劑，高分子合成的粘性材料等新材料的新型吸附方式 ，各個(gè)域都在尋找適合自己的吸附方式。吸附技術(shù)直是爬壁機(jī)器人發(fā)展的個(gè)瓶頸，它決定了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。由于 目前應(yīng)用比較成熟的吸附技術(shù)都有很大的局限性，在很多情況下難以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，因此，開(kāi)發(fā)和研究新型吸附技術(shù)是當(dāng)前爬壁機(jī)器人域的個(gè)重要方向。吸附方式的發(fā)展正朝著適應(yīng)微小化爬壁機(jī)器人的迅速發(fā)展 ，模仿壁虎等動(dòng)物腳掌的仿生粘性材料的發(fā)展是當(dāng)前新型吸附技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。