第一章 前言

1.1 壁面机器人在国外发展的概况

壁面机器人是一种能够在壁面上运动的极限作业机械人，它是一种由机构学、无线通信技术、控制技术、信息技术等为一体的高科技产品，世界机器人大国日本在极限机器人的技术居世界前列。在过去的几十年里，壁面机器人的技术在全世界得到迅速的发展，不同种类的样机相继面世。

早在1966年，日本大阪府立大学工学部讲师西亮，就利用电风扇产生的负压作为吸附力制作了一台垂直壁面机器人的原理样机，这被看做是壁面机器人研究的开端。[1]日本的应用技术研究所研制出的车轮式磁吸附壁面机器人，它可以吸附在各种大型物件的表面，代替人类进行一些检查或维修等工作。这种机器人的特征是：行走速度很快，能适应各种表面，而且对表面的油漆没有损坏。

1997年，俄罗斯莫斯科机械力学研究所研制出的用于大型壁面和窗户清洗作业的壁面机器人采用单吸盘结构，[2]如图1.1所示，该机械人的吸附力由风机产生的真空负压来提供，吸盘腹部装有4个驱动轮，它可以做全方位的壁面移动。

日本光荣公司研制了一种多吸盘壁面机器人，它有两组真空吸盘，如图1.2所示，它的本体上自带有两个真空泵、控制系统和无线通信系统。它能在距离遥控天线10m范围内作业，最大行走速度为30 cm/min， 它一次充电能持续工作约30分钟，它可以就用高大建筑物墙壁的检测工作。[2]

图1、1俄罗斯单吸盘清洗爬壁机器人 图1、2多吸盘爬壁机器人

美国密歇根州立大学研制出两种双足结构的小型壁面机器人，均采用真空吸附方式，[2]如图1.3所示。图1.3a所示机械人由一个移动关节和4个转动关节组成运动机构，共5个运动的关节。采用模糊的控制方式，机器人的外型尺寸高80mm、 宽50mm 、质量为450 g。它的步态规划采用了一种有限状态机制来描述机器人的运动状态，并以以这个为基本建立了机器人步态规划规则。图1.3b为具有4个转动关节的双足壁面机器人，两个机器人均采用欠驱动机构，减小了机器人的质量。机器人能在墙面、天花板上等地方爬行，以及在两个表面之间和一些爬管道一类的障碍物间爬行。

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4.3两足壁面机器人

上世纪90年代，日本科技大学研制的NINJA-1在四只独立运动的腿上装上四个吸盘，通过四条腿不同的运动，实现机器人从地面移动到天花板，它具有很强的穿越障碍的能力，主要用于高楼工作的检查工作中。

在以后的几十年里，壁面机器人技术在世界范围内午到了迅速的发民，很多种类的样机相继研制出，并且有些已经投入实际应用中。

1.2 壁面机器人在国内的发展概况

和国外相比，国内的壁面机器人的研究起步比较晚，但是进几年已取得了很大进步。我国的工业机器人从上世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过科技攻关，目前已基本掌握了机器人本体设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术等有关的技术。图1.4为我国成功研制的第一台壁面遥控检测机器人，采用负压吸附，全方位移动轮，用于废液存罐罐壁焊缝缺陷检测。[3-7]

图1.4单吸盘负压吸附爬壁机器人 图1.5球形壁面爬壁机器人

上海大学也较早开展高楼壁面清洗作业机器人的研究，先后研制出了垂直壁面爬壁机器人和球形壁面爬壁机器人。如图1.5所示，该球形壁面机器人采用多吸盘、负压吸附、6足独立驱动腿行走方式，可用于不同曲率半径的球形外壁面。[3-7] 哈尔滨工业大学开发的CLRII型壁面清洗壁面移动机器人是专为瓷砖壁面的清洗而设计制造的,通过风机的高速旋转将空气从吸盘腔内抽出，在吸盘内产 生负压，依靠吸盘内外的压差使机器人附着在壁面上，已有成品

1.3壁面机器人发展的趋势

（1）吸附技术的发展：吸附技术在壁面机器人发展中起关键的作用，它能决定机器

人的应用范围。现在的吸附技术有很大的局限性，在很多情况下不能满足实际应用的要求。所以，它的发展是壁面机器人发展的一个种要方向.[2]

（2）小型化、微型化：有相同功能要求的情况下，体积小、质量轻的机器人有比较

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两者中的磁极吸附结构比较简单，吸附力大，但要求壁面必须是导磁材料，适用的范围比较小。[9]

负压吸附法具有不受壁面材料限制的优点，需要注意的是当壁面凹凸不平时容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降。考虑到本机器人结构比较小，故采用单吸盘负压吸附方式。再由一个安装在机体上的真空泵持续的对吸盘抽气。保持吸盘内负压维持。

2.5小型壁面机器人的控制

a、对电机等驱动装置的控制，以实现机器人在壁面上的移动。壁面机器人采用轮移

动机构，每个轮上都有一个电机驱动，通过对两个轮电机的控制来实现机器人的前进、后退、旋转等的控制。

b 吸附装置的控制，以实现机器人在壁面上的吸附，由于是单吸盘结构，机器人的

工 吸盘始终处于吸附状态，吸盘内有一个真空压力传感器，当检测到吸盘压力下降时，就加大真空泵电机的转速，保证机器人吸附在壁面上。[8]