1.爬壁机器人

爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支，它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来，可在垂直壁面上附着爬行，并能携带工具完成一定的作业任务，大大扩展了机器人的应用范围。目前，爬壁机器人主要应用于核工业、石化工业、造船业、消防部门及侦查活动等，如对高楼外壁面进行清洗，对石化企业中的储料罐外壁进行检测和维护，对大面积钢板进行喷漆，以及在高楼事故中进行抢险救灾等。爬壁机器人的应用取得了艮好的社会效益和经济效益。经过30多年的发展，爬壁机器人领域已经涌现出一大批丰硕的成果，特别是20世纪90年代以来，国内外在爬壁机器人领域中的发展尤为迅速^[2,19]。近年来，由于多种新技术的发展，爬壁机器人的许多技术难题得到解决，极大地推动了爬壁机器人的发展，特别是小型爬壁机器人成为机器人领域的一个研究热点。

2.1国外爬壁机器人研究现状

1966年日本大府立大学工学部的西亮教授成功研制出第一个垂直壁面移动机器人样机，该机器人利用电风扇进气侧的低压作用作为吸附力，使机器人贴附在垂直壁面上。1975年他又采用单吸盘结构制作出以实用化为目标的第二代爬壁机器人样机^[2]。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爬壁机器人也采用单吸盘结构。该机器人利用风机产生真空负压来提供吸附力，吸盘腹部装有4个驱动轮，机器人可在壁面全方位移动^[3]。

美国西雅图的HenryRSeemann在波音公司的资助下研制出一种真空吸咐履带式爬壁机器人。Auto Crawler。。其两条履带上各装有数个小吸咐室，随着履带的移动，吸附室连续地形成真空腔而使得履带贴紧壁面行走^[4].日本光荣公司研制了一种多吸盘爬壁机器人，该机器人装有两组真空吸盘，机器人本体上自带两个真空泵、电池、控制系统和无线通讯系统。机器人一次充电可以工作约30min，工作范围为距遥控天线10m以内，最大行走速度为30cm/min，用于高大建筑物墙壁的检测工作^[5]。

20世纪90年代初，英国朴次茅斯工艺学校研制了一种多足行走式的爬壁机器人，如图1所示。采用模块化设计，机器人由两个相似的模块组成，每个模块包括两个机械腿和腿部控制器。可根据任务需要来安装不同数量的腿，可重构能力强。机械腿采用仿生学机构，模拟大型动物臂部肌肉的功能，为两节式，包括上、下两个杆和3个双作用气缸，复有3个自由度。稳定性好，承载能力大，利于机器人的轻量化，并能跨越较大的障碍物。除腿端部各有一真空吸盘外，机器人腹部设有吸盘，使机器人具有较大的负载质量比，可达2:1^[20]2.2国内爬壁机器人研究现状

自1988年以来，在国家”863”高技术计划的支持下，哈尔滨工业大学机器人研究所先后研制成功了采用磁吸附和真空吸附两个系列的5种型号壁面爬行机器人。我国第一台壁面爬行遥控检测机器人，采用负压吸附，全方位移动轮，用于核废液储存罐罐壁焊缝缺陷检测。1994年开发的用于高楼壁面清洗作业的爬壁机器人CLR-I，采用全方位移动机构，机器人在原地就可以任意改变运动方向。之后开发的CLR-II,采用两轮独立驱动方式-----同轴双轮差速相构、通过对两轮速度的协调控制实现机器人的全方位移动，机器人本体和地面控制站之间采用电力线载波通讯方式^[1]。上述3款爬壁机器人均采用单吸盘结构，弹簧气囊密封，保证了机器人具有较高爬行速度和可靠的附着能力。1995年研制成功的金属管防腐用磁吸附爬壁机器人，采用永磁吸附结构，靠两条履带的正反转移动来实现转弯^[12]。该机器人可以为石化企业金属储料罐的外壁进罐壁清洗、检测爬壁机器人，成圆弧形永磁吸附块与罐壁圆弧相吻合，提高了吸附力，也提高了作业的效率。^[13]

上海大学也较早开展高楼壁面清洗作业机器人的研究，先后研制出垂直壁面爬壁机器人和球形壁面爬壁机器人。该球形壁面爬壁机器人采用多吸盘、负压吸附、6足独腿方式，可用于不同率半径球形外壁面[^[14,15]近年来，上海交通大学也开展了爬壁机器人的研究。设计了一种自身无行走机构而依靠壁面牵引实现机器人移动的壁面清洗机器人样机。机器人腹部的两个吸盘交替抬起和吸附可实现跨越水平窗框障碍运动^[18]

3.1移动机构及运动控制系统

爬壁机器人的移动机构主要有轮式、多足式、履带式等，其中，轮式和足式使用较为广泛，履带式多用于磁吸附方式。越障能力是爬壁机器人壁面适应性能的一个重要指标。当工作面上有凸起、沟槽时，机器人要通过这些障碍物，就必须有足够的越障能力。各种移动机构中，多足式机器人的越障能力较强，其每个腿部都置有小吸氩当遇到障碍物时，可控制各个”腿”使小吸盘逐个跨过障碍物。壁面机器人的移动机构可以使机器人在可靠吸附的前提下能够在壁面上灵活移动。由于爬壁机器人工作于壁面的特殊性，移动机构常和吸附机构存在耦合，这给机器人的运动控制带来了一些困难。如多吸盘足式爬壁机器人，腿末端各有一个吸盘，每移动一个腿需要完成”消除吸力一抬腿一迈腿一落腿一产生吸附力”一系列动作。在此过程中，机器人移动机构的动作要和吸险机构相互协调，才能保证机器人在壁面上的灵活移动。此外，也有移动机构与吸附机构分离的，如单吸盘爬壁机器人，吸盘可持续吸附，驱动轮连续运动实现机器人的移动，运动控制较为简单。^[8,9]