针对目前国内外对爬壁机器人的研究现状和不足,分别从吸附方式、行走方式、驱动方式和壁面过渡等方面进行归纳总结,论述爬壁机器人面临的主要问题和发展趋势。结果表明爬壁机器人在吸附方式方面存在吸附性和机动性之间的矛盾,在壁面过渡能力方面仍存在一定的局限性,距离实际应用还有一定距离。对爬壁机器人关键技术的研究方向提出展望。

爬壁机器人全向移动时,由于平稳性因子较低,难以保障机器人在移动过程中的平稳性,且无法有效地控制机器人。针对目前存在的平稳性差和控制精度低的问题,提出爬壁机器人底盘结构全向移动自主控制设计方法,以爬壁机器人为例,研究全向移动机器人的底盘结构控制,在变换坐标系的基础上构建爬壁机器人的运动学模型;根据运动学模型为全向移动机器人的自主控制提供相关信息,提高控制的精准度。利用卡尔曼滤波器对爬壁机器人的姿态进行解算,对爬壁机器人运动的平稳性进行考虑,利用PID控制算法实现爬壁机器人底盘结构全向移动的自主控制。实验结果表明,所提方法控制的机器人平稳性好、控制精准度高。

根据振动吸附原理设计了一种基于振动吸附法的吸附模块,该吸附模块采用两组相对运动的吸盘结构进行交替吸附,以保证其稳定性。对吸附模块进行了试验验证,结果表明在参数合理的情况下,模块的最大吸力不小于30 N。在此基础上设计了一种小型多关节双足式爬壁机器人,并进行了性能测试,试验结果表明,该机器人可完成直线行走、转弯和面面切换,且能在有一定粗糙度的壁面上稳定行走。

为减少不确定因素对爬壁机器人工作进程的影响,保障其在面对固定障碍物或移动障碍物时也能规划出最优路线,提出了越障步态数据挖掘下实时路径规划方法。利用蚁群搜索可行路径,通过更新信息素并加入避障策略从蚁群搜索路径中择优出无障碍最优解,同时利用声呐实时探测移动障碍物,使机器人能够动态判断突发障碍并作出有效避让行为,最后利用贝塞尔曲线对规划路径平滑处理,使机器人移动行为更加灵敏减少耗能。实验结果表明,所提算法的规划路径更为平滑,折点较少,算法收敛稳定且迅速,方法有效可行。

钩爪式爬壁机器人是爬壁机器人的分支之一,对粗糙壁面有良好的适应性。介绍了钩爪式爬壁机器人的3种附着方式——勾附、抓附及密集刺抓附,分析了各种设计方案的创新点与存在的不足。讨论了钩爪式机器人设计时需要解决的关键问题,以及爬壁机器人移动机构的发展趋势。最后介绍了钩爪式爬壁机器人的发展趋势。

基于Halbach永磁阵列,提出一种优化有限体积下吸附结构磁路的方法。针对船舶壁面维修保养机器人功能单一的问题,介绍一种模块化多功能船舶壁面维修保养机器人,包括清洗模块、除锈模块、喷漆模块,着重对运动机构的吸附结构进行优化分析。研究平面形Halbach永磁阵列对吸附力的影响。通过正交试验分析平面永磁阵列的不同参数(N、n、ε_(1)、ε_(2)、h、h_(1))对吸附力的主次影响,并选定最优方案。试验结果表明:永磁阵列的高度一定时,不宜增加轭铁;永磁阵列的长L≤55 mm时,参数N应取值{2,3};宽W≤20 mm时,n应取值{1,2};ε_(1)和ε;的取值受到N、n、h的影响。

介绍一种小型爬壁机器人,用于风电塔筒的检测,以实现难以人工检测的风电塔筒的快速检测。对机器人的整体结构进行了设计,对机器人的吸附结构进行了计算和仿真。对机器人进行动力学分析,验证驱动力矩的计算结果。对机器人进行动力学仿真,确定驱动机构输出转矩的平稳性。通过实验验证了机器人能够在塔筒表面安全稳定地运行。

介绍一款面向压力钢管维护作业的爬壁机器人,对其运动学特性进行分析。介绍机器人的机械结构和控制系统,然后采用D-H参数法建立机器人运动学模型,构造运动学正解方程,并采用Robotic Toolboox对机器人正逆运动学方程进行求解,在线显示机器人三维仿真图像,分析各关节的位移、速度及加速度曲线,并对机器人末端轨迹进行规划,从而验证了机器人结构的合理性。

针对在粗糙壁面和天花板上爬行的应用需求,提出一种仿尺蠖爬壁机器人。机器人采取与尺蠖类似的运动方式,两足交替抓附在壁面上,通过躯体屈曲-伸展动作完成前进、后退、壁面过渡运动。分析了尺蠖腹足对抓的原理,设计了仿生爪刺对抓足;对机器人爬壁过程进行了静力学和运动学分析;研制了机器人样机,并开展了爬壁性能实验测试。结果表明,仿尺蠖爬壁机器人可以实现在粗糙壁面、天花板上爬行,具有壁面间过渡的能力。

提出一种面向船舶维护和监测的爬壁机器人,分析了自重和负载重量对壁面吸附和行走的力学状态,确定了磁吸附力和电动机驱动转矩,进而建立有限元模型获得机器人本体结构应力和变形分布。