第一章绪论1.1 引言随着现代科学技术的飞速发展，机器人已越来越多地进入我们的生活领域，以机器人代替人类从事各种单调、重复、繁重、危险以及有毒有害的工作是社会发展的一个趋势。

现代机器人一般分为两大类：一类是工业机器人，主要指装配、搬运、焊接、喷漆等机器人。

另一类是极限工作机器人，主要指在人难以到达的恶劣环境下代替人工作业的机器人。

如：海底资源的勘测开发、空间人造卫星的收发、战场上的侦察和排险、核放射场所的维护、高层建筑的壁面清洗、灭火救助等。

作为极限作业机器人重要开发项目之一的壁面爬行机器人近些年来得到了蓬勃的发展，受到了人们越来越多的重视，目前，国内外已经有了相当数量的爬壁机器人投入现场作业。

主要应用如下：(1)核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等；(2)石化企业：对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐；(3)建筑行业：喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面清洗、擦玻璃等；(4)消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作；(5)造船业：用于喷涂船体的内外壁等。

1.2 移动机器人的研究发展概况从移动方式上看,移动机器人可分为轮式、履带式、腿式(单腿式、双腿式和多腿式)和水下推进式。

本文重点放在轮式、履带式机器人,对水下机器人和两足人形机器人不做详细讨论。

1.2.1室外几种典型应用移动机器人1998年，美国卡耐基梅陇大学的Mel Siegel等人研制了一种利用于检测飞机身表面的爬行机器人[1]。

美国国家科学委员会曾预言:“20 世纪的核心武器是坦克,21 世纪的核心武器是无人作战系统,其中2000 年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队,并走向战场”。

为此,从80 年代开始,美国国防高级研究计划局(DARPA) 专门立项,制定了地面天人作战平台的战略计划。

从此,在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕,如DARPA 的“战略计算机”计划中的自主地面车辆(ALV) 计划(1983 —1990) ,能源部制订的为期10 年的机器人和智能系统计划(RIPS) (1986 —1995) ,以及后来的空间机器人计划;日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划;进入90 年代,随着技术的进步,移动机器人开始在更现实的基础上,开拓各个应用领域,向实用化进军。

由美国NASA资助研制的“丹蒂II”八足行走机器人,是一个能提供对高移动性机器人运动的了解和远程机器人探险的行走机器人。

它与其他机器人,如NavLab ,不同之处是它于1994 年在斯珀火山的火山口中进行了成功的演示,虽然在返回时,在一陡峭的、泥泞的路上,失去了稳定性,倒向了一边,但作为指定的探险任务早己完成。

它机器人在整个运动过程中,都需要人参与或支持。

丹蒂计划的主要目标是为实现在充满碎片的月球或其它星球的表面进行探索而提供一种机器人解决方案。

美国NASA 研制的火星探测机器人索杰那于1997年登上火星,这一事件向全世界进行了报道。

为了在火星上进行长距离探险,又开始了新一代样机的研制,命名为Rocky7 , 并在Lavic 湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。

法国，欧洲的重要工业化国家，其机器人工业近几年发展很快，加上原有工业基础较好，机器人的制造以及机器人在汽车工业中的应用都出现了根本性的进步在个别项目上，甚至超过了日本，例如在汽车装配中，法国人已完成了用机器人装配主表盘和前后玻璃等较难动作，但是从机器人工业的整体看，较日本还相差甚远，还有很长的路要走：法国在机器人研究中．有一套较具规模的研究系统，主要是由政府研究机构和高校组成，企业(特别是大企业)投入较少。

法国人的研究侧重于基础理论的研究，并取得了一定成绩，例如法国自主开发的机器人编辑语言-LM语言，已被推广到英、德等国。

但是研究工作存在着与实际脱节的问题，类似于美国大学中的研究法国近几年研究水平的提高，很大程度上受益于法国国家发展机器人及自动化的ARA计划的实施，但是这一计划对推动机器人工业的作用并不大。

法国机器人保有量.法国拥有的机器人中，焊接机器人和搬运机器人最多，塑料铸模清机器人列第三，机械加工机器人和装配机器人列第四和第五位。

1.2.2 尤里卡计划中公共安全用高级机器人计划(ARM)在法国机器人工业的发展过程中，除了法国国家发展机器人及自动化的ARA计划； (1983～1987年)之外，还有另一个计划对法国机器人工业的发展产生了重要影响．这就是尤里卡计划中公共安全用高级机器人计划（ARA)。

ARM 是法国、意大利和西班牙的合作开发计划，希望通过该计划的实施推动欧洲第三代机器人的发展。

ARM[2]计划主要开发用于有害、不安全、人无法进人或对人不舒适环境中进行有关公共安全的监视及救灾用机器人预定中的应用目标有：反恐怖活动，有害区域的监视，工业灾害的监视，火灾的预防及救援，自然灾害和交通事故的预防和救援。

这一计划拟四年（1987～1991年)内完成。

计划分三个阶段进行：第一阶段是概念设计-- 任务分析、系统功能确定、系统的概念设计及确定子系统，制定有关领域的预研计划；第二阶段是设计阶段--系统、子系统的详细设计，定研究计划，仿真及模型制作；第三阶段是制造、组装、测试、试用。

在目前选定的方案中，ARM 系统由二台机器人 ARM-1、ARM-2及移动监控站组成ARM-1为一野外快速巡逻机器人，活动范围是30km。

主要任务是运送ARM-2及监测其上安装视觉和许多非视觉传感器，高速平行计算机，机械手及各种工具。

采用自治式控制。

ARM-2是一种能在复杂堆积物地方爬行的机器人，有四对可摆动的双轮长距离移动时由ARM-1运载。

为了能在高温气流下工作，带有冷却子系统。

欧洲尤里卡中的机器人计划等。

初期的研究,主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理,并建立实验系统进行验证。

虽然由于80 年代对机器人的智能行为期望过高,导致室外机器人的研究未达到预期的效果,但却带动了相关技术的发展,为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验,同时,也推动了其它国家对移动机器人的研究与开发。

1.3 爬壁机器人的研究发展概况爬壁机器人必须具有两个基本功能：在壁面上的吸附功能和移动功能。

传统爬壁机器人：1.3.1 按吸附功能分类：真空吸附和磁吸附两种形式：真空吸附法又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式，具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凸凹不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低；磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，电磁体式维持吸附力需要电力，但控制较方便。

永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，但控制较为麻烦。

磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，且吸附力远大于真空吸附方式，不存在真空漏气的问题，但要求壁面必须是导磁材料，因此严重地限制了爬壁机器人的应用环境。

爬壁机器人按移动功能分主要是吸盘式、车轮式和履带式。

吸盘式能跨越很小的障碍，但移动速度慢；车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难；履带式对壁面适应性强，着地面积大，但不易转弯。

而这三种移动方式的跨越障碍能力都很弱驱动方式有两种：真空式由气缸驱动，磁吸附式由电动机驱动。

气缸和电机不仅质量大，增加机器人本体的重量，而且效率很低，能耗非常大。

供电能源：目前机器人的电能供给均采用有缆接电方式或者是较大的蓄电池有缆方式使机器人的移动不方便，工作受到一定的影响，而且电缆在壁面上产生摩擦，具有一定的危险性；而蓄电池质量大，增加机器人的自身重量，并且供电的时间有限。

1.3.2 按移动方式分类：移动机器人可分为轮式、履带式、腿式(单腿式、双腿式和多腿式)和水下推进式。

本文重点放在轮式、履带式机器人,对水下机器人和两足人形机器人不做详细讨论。

日本应用技术研究所研制出了车轮式磁吸附爬壁机器入，它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。

这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：行走稳定速度快，最大速度可达9m／min，适用于各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。

1989年日本东京工业大学的宏油茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人，吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度，这样吸盘对壁面的吸力仍然很大，每个吸盘分别由一个电动机来驱动，与壁面线接触的吸盘旋转，爬壁机器人就随着向前移动，这种吸附机构的吸附力可以达到很大。

我国哈尔滨工业大学机器人研究所已经成功研制出单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人。

单吸盘轮式壁面移动机器人，有吸附机构和移动机构两大部分，移动机构由电机、减速器、车轮构成，吸附机构包括真空泵、压力调节阀、密封机构等。

真空泵是产生负压的装置，其功能是不断地从负压腔内抽出空气，使负压腔内形成一定程度的真空度。

为维持机器人负压腔内的负压，还需要有密封机构，使机器人可靠地吸附在壁面上并产生足够的正压力，从而使驱动机构产生足够的摩擦力以实现移动功能。

由于气囊密封装置具有较好的弹性，在壁面有凹凸时，通过气囊的变形来减小缝隙的高度，可使机器人具有一定的越障能力，且充气量可由调节阀来控制。

调节弹簧的作用有两个：一是为密封圈提供密封所必需的正压力，二是提高气垫对壁面的适应能力，还可起到减震的作用。

负压的控制通过调节真空泵的电机电压来改变电机的转速，同时采用负压传感器作为检测元件，实时检测负压的变化，为调整压力提供依据。

设置压力调节阀改变机器人本体内的真空度，可防止真空泵因腔内真空度过高而冷却空气较少而发热。

磁吸附履带式爬壁机器人采用的是双履带永磁吸附结构，（如图1.2）所示，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，通过履带(由链条和永磁块组成)使机器人贴附在壁面上。

机器人在壁面上的移动靠履带来完成，移动时，履带的旋转使最后的吸附块在脱离壁面的同时又使上面的一个吸附块吸附于壁面，这样周而复始，就实现了机器人在壁面上的爬行。

1.4 国内外爬壁机器人的现状日本应用技术研究所研制出了车轮式磁吸附爬壁机器人（如图1.1）[3]，它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。

这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：行走稳定速度快，最大速度可达9m／min，适用于各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。

图1.1 车轮式磁吸附爬堵机器人1989年日本东京工业大学的宏油茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人，吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度，这样吸盘对壁面的吸力仍然很大，每个吸盘分别由一个电动机来驱动，与壁面线接触的吸盘旋转，爬壁机器人就随着向前移动，这种吸附机构的吸附力可以达到很大。

我国哈尔滨工业大学机器人研究所已经成功研制出单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人。