摘要:随着现代化城市的建设，爬壁机器人有着越来越广阔的应用前景，爬壁机器人的研究受到了越来越多的重视。为了解决以往爬壁机器人吸附力受壁面影响大，行动不连续等问题，作者采用了多腔体结构与连续负压原理完成吸附，利用轮式结构完成行走动作，解决了传统机器人存在的问题。
关键词:爬壁机器人;连续负压;多腔室结构;密封
目前爬壁机器人的应用主要集中于以下几个领域:在核工业中，用于对核废液罐进行裂缝检查，测厚及焊缝探伤等;在建筑行业中，用于对巨型壁面的喷涂，玻璃壁面的清洗，桥梁探伤等;在消防部门中，用于输送救助物资等。根据国内外的研究现状，爬壁机器人实现在壁面上的吸附功能可有以下三种方式选择:分子力吸附，［1］磁吸附［2］［3］和真空吸附。［4］
2000年美国科学家Kellar Autumn等经过对壁虎脚掌的研究，［5］认为壁虎能在光滑墙壁上自如行走，是因为壁虎脚底大量的细毛与物体表面分子之间产生的范德瓦尔斯力累积作用。美国斯坦福大学研究小组研制成“粘虫”爬壁机器人Stickybot。它的足底装有人造毛，这些微小的聚合体毛垫能确保足底和墙体接触面积增加。模拟甲虫的爬壁机器人SpinyBot。SpinyBot的脚上有极细小的倒钩刺，通过在粗糙壁面上“扣”住凸缘实现爬壁。由于分子力吸附多采用粘性材料实现吸附，因此对壁面清洁度要求高，多次使用后粘度降低，吸附力减弱。
1984年，日本日立制作所的内滕绅司、佐滕主税等人研制出足式磁吸附式爬壁机器人，有八只脚，均采用永磁吸附式，内侧四只脚和外侧四只脚在行走过程中交替吸附于壁面上。此后，东京工业大学的店獭茂男等人开发出所谓的“内部力补偿型磁吸附单元”，较好地解决了吸脱困难地问题。东京工业大学研制的Disk Rover永磁吸附轮式爬壁机器人。机器人的吸附和移动都是两个永磁盘式轮，该轮的永磁盘能以一定的倾斜角度与壁面接触。永磁盘与壁面之间有一个小的倾角，这样永磁盘对壁面的吸力仍然很大。在遇到障碍时，可以让永磁盘一个一个地翻越，而不是同时翻越。但是磁吸附方式对壁面材质要求高，必须是导磁材料。
随着制造工艺的提高，真空泵的微小型化已经成为现实。由于真空泵可以产生较高的真空度，因而面积较小的吸盘产生的吸附力就足以使机器人安全吸附在光滑的壁面。密执根州立大学研制的微小型尺蠖式机器人FLIPPER由3个电机驱动四个关节双足机构，膝关节与具有两自由度的踝关节中的1个自由度耦合。双足末端真空吸盘能有效吸附地板、墙壁及天花板，具有很强的适应能力。真空泵吸附方式爬壁机器人由于真空泵的小型化，有利于机器人降低能耗和噪声，多足机构可增加机器人的稳定性和负载能力，但是由于对吸附壁面的要求较高，而且控制复杂减少了机器人的自由度，因而降低了机器人的灵活性，只能以空翻的方式运动。
针对以上问题，作者采用负压原理［6］［7］来避免以上三种机器人对壁面情况要求高，行动不连续等缺点。
一、机器人的结构设计
作者利用高速电机带动的风扇，抽取机器人密封腔内的气体，风扇工作时，空气从机器人密封腔与墙壁之间的缝隙流入，从风扇顶部排出。当抽吸的空气量与泄漏量达到平衡时，使得密封腔内产生连续负压。在压强差的作用下，产生一个指向墙面的压力，在此正压力的作用下，机器人能稳定的贴附在壁面。
当电机转动带动吸附风扇叶轮旋转时，高速旋转的叶轮中叶片之间的气体也跟着旋转，使气体流速增大，气体在流动中将动能转换为静压能，随着流体的增压，使静压能又转换为动能，通过出气口排出气体。机器人底部空气流速增加，底部与墙壁之间的区域压强减小，形成了一定的负压。叶轮连续旋转作用下不断排出气体，在压强差的作用下，产生指向墙壁的压力，迫使机器人贴附在墙壁表面完成吸附动作。如图1。
作者采用多腔室的结构来增加机器人工作时的稳定性。所谓多腔室，即机器人的密封腔化为多个相对独立、密闭的气腔，每个腔室由独立的负压发生装置产生吸附力，当其中一个或几个腔室处于失衡状态时，其余几个腔室仍会保持一定的吸附力，完成整机的吸附连续动作。如图2。
结合国内外小型爬壁机器人的发展概况和研制经验，可以总结出爬壁机器人设计时考虑的三项指标:重量、密封性能、移动方式。
(一)重量
爬壁机器人多是在垂直墙壁、成角度墙壁或顶部作业，对机器人的重量有着严格的要求，质量的增加将影响机器人的性能。
1)能耗增加。机器人越重，行走和吸附风扇风机的功率越大。
2)有效负载能力差。在总的负载能力限定的条件下，机器人越重，则所能承受的有效载荷越少。
3)安全性能低。机器人越重，在墙面上运动时，其自身重力产生倾覆力矩越大，直接影响机器人的密封性能。
(二)密封性能
负压吸附爬壁机器人在墙壁上工作的前提是产生负压，密封性能的好坏将直接影响负压生成的效果。
吸附能力是壁面机器人的一个基本功能，也是爬壁机器人区别于其他种类移动机器人的一个基本特征。
负压吸附的原理是吸附风扇不断的将密封腔内的气体抽出，使腔内的气压小于腔外的大气压。风扇保持某个速度Vn连续转动，则密封腔内最终将形成一个稳定的压强P1，密封腔气体的泄漏量和风机的抽气量相等。设大气压强为P0，则负压值为:
密封裙的气体泄漏量为:
其中:l:间隙高度ζ:气体粘稠系数R1:密封腔环绕的内侧直径R2:密封腔环绕的外侧直径P0:标准大气压P1:密封腔内压强Qm:气体泄漏量g:重力加速度T:气体的绝对温度
可见，在密封效果一定的情况下，密封腔内的压强一定时，气体泄漏量也一定。吸附风扇要抽出流量为Qm的气体才能使腔内的气体保持动平衡，使腔内形成稳定的压强。而抽气量Qm和风扇的转速成正比，同时与腔内气体的密度成正比，即与腔内的压强成正比，假设有Qm=kP1Vn，其中k只由风扇扇叶的结构决定。将此代入式(2)，有
为了保持一定的负压，l对低风扇转速的影响很大。所以在设计密封机构时，要尽量提高密封性能。密封裙与地面之间并非完全接触的，大部分和地面都存在高低不等的间隙，减小的办法是尽量增大密封圈和地面之间的接触面积。所以应该增加密封圈的柔软性，同时还要有一定的压力存在，才能使密封圈可靠的与地面接触。
(三)移动方式
爬壁机器人的移动方式可分为轮式、履带式和足式。三种移动方式的性能比较。履带式的适应性能好，质量大;足式结构控制复杂，负载能力差;轮式运动速度快，适应性一般。
1．行走驱动方案
爬壁机器人移动功能实现的三种方式中，作者选择轮式行走机构。爬壁机器人本体结构尺寸小，考虑到体积重量指标的限制，作者选择结构简单的差速转向，通过两侧独立驱动的车轮转速变化实现原地转向。如图3。只使用两只电机来分别驱动两侧的车轮，用同步带将同侧的车轮相连。
2．运动性能分析
机器人在壁面上绕O点原地拐弯，设机器人所受的负压力全部施加在四个轮子上，而且所受的压力相等。
若车轮与壁面之间的摩擦系数为μ，则车轮A所受的相对于O点的转矩为:
机器人所受总的转矩是:
表明负压吸附力一定的情况下，M0越大，机器人转向越灵活。如图4。
二、攀爬实验
根据上述的原理的讨论，作者对负压式爬壁机器人进行了攀爬实验。作者采用无刷直流电机M66系列驱动风扇，由于无刷电机的转速比较高，可以达到理想的转速，且传动机构简单高效。行走驱动电机选择ZY10－JB37直流齿轮减速电机。以单片机68HC11为核心芯片的控制系统。
密封裙材料的选择是密封腔设计的重要环节，材料过软起不到密封效果，过硬又影响机器人在不平墙面的通过性，良好的耐磨性能也是选择因素之一。密封裙要与壁面上可能存在的各种沟槽不平相配合，从而填补因壁面凹凸不平而引起的间隙，同时还要求密封裙在运动中具有较好的密封性能。选用柔性密封裙，发生形变所需压力较小，减少密封裙上的负压吸附力的损耗。良好弹性，稳定化学性能的硅胶列为首选。单层或双层硅胶(δ=1mm)过于柔软，吸附风扇电机工作时，硅胶密封裙被吸附力抽回密封腔。作者在两层硅胶密封裙之间环圆周插入聚四氟乙烯的微型支撑骨，吸附风扇电机启动工作初期支撑骨支撑效果明显，随着承受持续吸附力及密封裙与壁面之间摩擦作用的影响，支撑骨达到疲劳强度极限弯折。刚韧富有弹性的猪鬃，支撑强度效果好于硅胶，但强大的吸附力导致气体沿猪鬃间隙迅速流失，猪鬃密封裙的支撑密度效果差。将硅胶和猪鬃二者结合，采用迷宫密封布置，以寻求支撑强度和支撑密度最佳，但由于人为安插猪鬃毛的密度稀疏不等，密封效果不理想。作者采用多层硅胶迷宫式密封的方式来提高密封的效果，从内到外每层密封环的安装高度均不同，而且高低层相间排列。当爬壁机器人在壁面上工作时，高低相间的迷宫密封层使平滑的密封间隙变成了曲折式，因此，增加了流动阻力，提高了密封效能。
合理的安装方式为不断改进机器人结构，进行多次试验提供了便利。最初的密封腔是一次加工成型，在离地间隙，相对位置很难调整。定型后的密封腔安装环分为固定环和调整环两部分，在固定环上沿圆周开有腰形孔，便于调整环在上滑动，得到最佳离地间隙。
爬壁机器人实际工作中，负压吸附腔所处的工作环境常常发生变化，如遇到不同尺寸缝隙、壁面摩擦力随机变化、因墙体强度引起不同的壁面反作用力以及机器人自重变化等。密封腔的吸附特性直接影响了机器人吸附的稳定性和可靠性。
三、结论
在经过努力实践以后，机器人目前解决了稳定吸附能力，越障能力等诸多问题，目前可以达到:实现全无线操作，整机质量3．3KG，工作时间不小于15分钟，行进速度不小于9m/min。可以在水泥墙、粉刷墙、玻璃幕墙、瓷砖墙等多种墙体上完成作业，可以跨越宽度小于50mm的墙间缝隙，并携带无线摄像头，对墙体情况进行监视。
作者打破传统爬壁机器人的吸附原理，利用高速电机带动的风扇，抽取机器人密封腔内的气体，风扇工作时，空气从机器人密封腔与墙壁之间的缝隙流入，从风扇顶部排出，使得密封腔内产生连续负压，负压使爬壁机器人产生相对于壁面的压强差，在压强差的作用下，产生一个指向墙面的压力，使机器人能稳定地贴附在壁面上。机器人实际工作时，经常会遇到密封装置也无法完全填补的大缝隙，过大的缝隙瞬时导通密封腔与外界大气，导致机器人密封腔内的真空度突然大幅下降，平衡状态被打破。因此，作者采用多腔室的结构来增加机器人工作时的稳定性。每个腔室由独立的负压发生装置产生吸附力，当其中一个或几个腔室处于失衡状态时，其余几个腔室也会保持一定的吸附力，完成整机的吸附动作，解决了传统爬壁机器人吸附力受壁面影响大的缺点。同时采用轮式结构和差动转向的方式，解决了传统爬壁机器人移动连续性差，控制较为复杂的缺点，拓宽了爬壁机器人的应用范围。但是在某些方面还需要进一步的深入研究，如离地间隙和负压力的关系、腔室的结构尺寸、风扇的转速与负压力的关系等。爬壁机器人必须拥有一个具体的功能才能应用到实际的生产生活当中，为了使得机器人具有智能型，更凸显其机器人的定位，作者还会把工作重心向机器人的控制部分倾斜。下阶段的工作作者将给机器人赋予实际的应用方向，并在此方向上进行深入的，有针对性的研究。
