磁吸附爬行机器人总体方案与机械系统设计文献综述

文献综述（或调研报告）：

爬壁机器人主要有抽气负压吸和磁性吸附等类型，其中磁性吸附又包括电磁吸附和永磁吸附两类。如果按移动方式进行分类的话，爬壁机器人则可以分为：轮式、履带式和足式三种^[1]。

想要爬壁机器人能够在壁面上正常运动，则需要具备稳定吸附功能与移动功能^[2]。首先，抽气负压吸附的优点是不受壁面材料限制、适应面广，缺点是壁面凹凸不平时会造成漏气或者产生不稳定流场^[3]。磁吸附方式的机器人壁面必须是导磁材料，其优点是拥有简单的吸附机构，能够产生的足够大的吸附力，在不平整壁面有较强的适应能力^[4]。其次，就移动方式而言，轮式的主要特点是移动速度快，控制灵活方便，但是维持一定的稳定吸附力较为困难。履带式的主要特点是始终有较大且稳定的吸附力，接触面积大，对壁面有较强的适应能力，但是在控制运动动作上比较笨拙^[5]。足式的动作灵活，越障能力强，但是移动速度较慢且设计机器人的结构和步态比较困难。

在所有类型的爬壁机器人中，磁吸附爬壁机器人是一个比较重要的类型，它能够在各角度平面、曲面上进行作业。作为在极限环境中作业的一种自动机械装置，磁吸附爬壁机器人已经越来越受到人们的重视，目前主要应用于石化、消防、船舶、航空航天等领域^[6]。

船舶行业是磁吸附机器人的一个重要的应用领域。在大多数情况下，大型货轮为了安全的需要，大多采用双壳船体，这种船体虽然使船舶的安全性得到很大的提高，但是却造成了船体建造的困难。因为这种双壳船体属于一种密闭的结构，在完全封闭的情况下，人工焊接船体的加强筋变得十分的困难，这也就是采用磁吸附机器人的原因。因为机器人的体积很小且行动灵活，可以通过船体的检查孔进入船壳内部进行焊接，这样大大地减少了船体的建造成本，提高了工作效率。此外，在航空航天，天然气金属罐槽焊接等领域，磁吸附机器人能够在此类导磁性金属材料表面自由移动作业，有效地降低了人工作业的风险，提高了作业效率，是一个十分可行的方法。

一些磁吸附爬壁机器人采用的是永磁吸附结构，例如在履带一周上安装有数十个永磁吸附块，其中的一部分紧紧地吸附在壁面上，并形成一定的吸附力，通过由链条和永磁体组成的履带使机器人贴附在壁面上，机器人在壁面上的移动依靠履带完成^[6]。这样的移动方案对机器人的设计与开发造成了一定的困难，如果配以一个行之有效的机械移动系统就能够进一步提高机器人的行动效率，降低能耗，对上述行业有很重要的意义。

2005年，清华大学研制的无轨导全位置爬行式弧焊机器人在广州文冲船厂进行了工业现场应用实验，通过不同位置（平焊、立焊和曲面）的焊接操作，对机器人的爬行、跟踪以及工艺进行了全面的考察和使用。探索了无轨导爬行式弧焊机器人在船舶建造中应用的可行性，了解了船舶焊接工况条件，收集了船舶焊接工艺技术信息，为无轨导弧焊机器人产品定型和推广应用提供了依据。这个机器人所采用的是轮履复合结构，因此对于工作面具有较强的适应性。弧焊机器人所能工作的最小直径为8mm，船舶制造中需要焊接的曲面一般为船头或者船尾部分，曲率半径都在几十米左右，因此机器人完全可以满足实际生产的需要^[7]。

2008年，清华大学研制的多体柔性永磁吸附爬壁机器人，为实现永磁间隙吸附式爬壁机器人在复杂空间曲面上的可靠吸附与灵活运动，在分析爬壁机器人复杂空间曲面运行须解决的关键问题的基础上，基于爬壁机器人的多体动力学仿真和样机试验，设计了采用多体柔性吸附系统的间隙吸附式爬壁机器人，即爬壁机器人由轮式移动机构和吸附系统组成，吸附系统安装在轮式移动机构的底盘上，且和壁面是非接触的。吸附系统由多个相互独立的吸附装置构成，每个吸附装置通过具有2转动自由度的连接机构和轮式移动机构连接，并由被动的万向滚动轮部分或完全支撑在壁面上，各吸附装置在吸附力的作用下可自调节相对于壁面的位姿。仿真及试验结果表明，多体柔性吸附爬壁机器人可自适应壁面形貌和曲率的变化，它在表面是复杂空间曲面的壁面上运行时的吸附和运动性能接近在平整壁面上运行时的相应性能，吸附可靠且运动灵活^[8]。

一般情况下，我们要求机器人具有强负载能力，且运动灵活性好。爬壁机器人负载能力越强，要求机器人和爬行壁面的吸附力越大，但是这样通常会造成运行阻力增大，即爬壁机器人负载能力和运动灵活性之间是矛盾的。为了解决上述矛盾，清华大学又提出一种新的方案：爬壁机器人采用轮式移动机构，永磁吸附装置（简称为吸附装置）安装在轮式移动机构底盘上，且和导磁壁面（简称为壁面）是非接触的。轮式移动机构运动灵活性好，非接触吸附方式减小了爬壁机器人运行阻力，起到了兼顾负载能力和运动灵活性的效果。该方案设计的关键是研制吸附能力强的非接触吸附装置。吸附装置由多个吸附单元组成，同时对吸附单元磁路形式、结构参数及吸附单元间的耦合方式（空间关系）进行了优化设计，以使吸附装置磁能利用率最高^[9]。

总的来说，我们国家的机器人技术在这些年来获得了长足的进步，在爬壁机器人的研究方面获得了可喜的成果，也积累的丰富的经验。从上述文献中可以看出，这些磁吸附机器人大多属于履带式，直接用电机带动进行攀爬。但是这些机器人的运动是都不是很灵活。为了解决这个问题，就必须对机器人的运动机构进行重新设计，使机器人在转向、制动和控制等方面能够显得更加的灵活，可操控性更好。此外，关于磁吸附的磁场设计的问题，包括磁体选择、磁路设计和磁体安装等方面，这些问题往往决定了机器人的总体性能的好坏，在设计时必须予以足够的重视。但是在这里，由于本课题着重于机器人的运动机构设计，在此仅仅对上述磁场问题进行简要阐述，这些内容并不是本次课题的核心。