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图7 原理样机 I 型
图8 原理样机 II 型
1.3国内壁面移动机器人的发展及研究现状
国内早期研制的爬壁机器人大多集中于建筑幕墙清洗作业。1994 年哈尔滨工业大学机器人研究所开发了用于高楼壁面清洗作业的 CLR 系列爬壁机器人，采用单吸盘吸附和轮式移动机构，机器人通过电力线载波实现本体和地面控制站之间的通讯联系，该机器人清洗效果较好，移动速度快，但是缺点是不能跨越障碍或者不同壁面间的过渡，如图9[22]；1996 年以来北京航空航天大学机器人研究所研制了 Cleanbot-I 和蓝天洁士-I 型等系列真空吸附足式擦窗机器人，如图10所示[16]，技术上采用全气动驱动的框架式移动机构，多足多吸盘吸附方式，能在一定程度上适应玻璃壁面的凹凸不平，清洗效果也较好、智能化程度高，缺点是移动速度慢、结构复杂且制作成本也较高；近几年上海交大也设计了一种依靠壁面牵引实现机器人移动的壁面清洗机器人样机，机器人依靠腹部的两个吸盘交替抬起吸附从而实现跨越水平窗框障碍运动，如图11所示。
图9 哈工大 CRLII 图10 北航蓝天卫士 图11 上交大爬壁机器人
以上所述爬壁机器人采用负压吸附吸附，重量和体积都比较大，而且还需要提供额外的辅助装置，如气泵，电源等等，难以实现轻量化及远程工作。
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对于新型的静电爬壁机器人，国内大学也相继展开研究，目前成果，哈尔滨工程大学制成第一款静电爬壁机器人，采用单履带式移动结构，铝箔为电极，可以在室内石灰壁面上稳定爬行[15]。
2爬壁机器人的发展趋势
由于传统爬壁机器人具有很多的不足之处(如对壁面的材料和形状适应性不强,跨越障碍物的能力弱,体积大,质量重等),因此未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展。
2.1吸附装置
最近几年,美、英、俄等国的研究小组真正揭示了壁虎在墙上爬行的秘密,这个秘密就是分子间的作用力——范德华力\范德华力是中性分子彼此距离非常近时产生的一种微弱电磁引力\。通过壁虎脚的附着力得到的启示应用于研制爬壁机器人。在分析壁虎生物原型吸附的功能原理和作用机理的基础上,运用类比,模拟和模型方法,通过高分子材料化学,工程材料科学,力学和机械学的交叉研究,探索出一种与壁虎脚趾表面结构相近的,经物理改进的极性高分子材料——人造壁虎仿生脚干性粘合剂,并应用精密微机械加工的手段,设计并制作模拟壁虎脚趾的吸附装置,该吸附装置将适应于各种材质(如玻璃,粉墙和金属等)和任意形状的表面(如平面,柱面,弧面和拐角等)。这种装置如果研制成功将使爬壁机器人的实用化迈出坚实的一大步。
2.2移动方式
在移动机器人中,轮式和履带式移动方式已获得广泛的应用,但是足式移动方式具有轮式和履带式所没有的优点。足式移动方式的机器人可以相对较容易地跨过比较大的障碍(如沟、坎等),并且机器人的足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活,对凸凹不平的地形适应能力更强。足式机器人的立足点是离散的,与壁面接触的面积小,可以在可达到的范围内选择最优支撑点,即使在表面极度不规则的情况下,通过严格选择足的支撑点,也能够行走自如。正是由于足式结构多样，运动灵活,适应于各种形状的壁面上,而且能够跨越障碍物,因此足式结构将在爬壁机器人上有着较好的应用前景。
2.3驱动设备
传统伺服电机因功率重量比低,必须安装在远离驱动的地方,而且电机高速运行后需有减速齿轮来降低速度,致使传动系统复杂,结构累赘,不能满足实用化的要求,为此
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需要研制利用功能材料构成的体积小，重量轻，高效率密度的新型电机。微特电机所组成的驱动伺服系统和位置速度传感系统是机器人关键部件,研制开发直接驱动，大力矩，小体积，重量轻，精度高，反应灵敏，工作可靠的各类微特电机是提高我国机器人的研究开发水平,满足国内机器人高性能微特电机的基础保障。
超声波电极利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动,将弹性材料(压电陶瓷)的微观形变通过共振放大和摩擦涡合转换成转子或滑块的宏观运动。由于其独特的运行机理,超声波电机具有传统电磁式电机不具备的优点:(l)靠摩擦力驱动,因而断电后具有自锁功能,不需制动装置;(2)转矩密度大,低速下可产生大转矩,不需齿轮减速机构,因而体积小，质量轻，控制精度高，响应速度快;(3)运行无噪声,不产生也不接受电磁干扰等。正是由于超声波电机具有众多优点,所以它在爬壁机器人上将有非常好的实用价值。
2.4能源问题
迫切的需要探索出一种新的能源,体积小,供电性能强的电池,或者通过遥控途径对机器人提供能量和控制信号。目前国内外正对此进行积极研究,这方面日本取得了较大的成果。日本己经较为成功的将微波技术应用到一台无线机器人上,该技术成功的应用将会使爬壁机器人的运动范围得到较大的扩展[23]。
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