文|大核有料
编辑|大核有料
爬壁机器人是一种具有爬墙能力的机器人。它通常具有吸附装置，可以将其固定在墙壁上，并使用臂膀或其他机械设备爬行。在船舶行业，爬壁机器人可以用于搜寻和救援，也可以用于清洁和维护船舶外部。
爬壁机器人能够降低成本，减少安全危害，极大提升船厂的工作效率，爬壁机器人在船舶的实际应用是一个非常重大的挑战，船舶表面的环境类型广泛，并且不断变化，使用传统的机器人设计方法非常困难。
与在传统的装配线上进行操作不同，船用机器人的作业位置（船舶或海洋结构物）常常是不断移动的。
因此，随着施工的进行船用机器人往往要面对各式各样的复杂曲面，需要在充满各种变化的环境中移动和越过障碍物：如其他移动机器人或人类、脚手架、机械等，因此，造船厂属于机器人渗透程度较低的行业。
直到近些年，爬壁机器人才真正被船舶行业采用，例如检查、焊接和船体清洁。爬壁机器人的研究人员最关注的方面是机器人如何在船体工作区域上移动。
在这方面，从轮式机器人到不同类型的足式机器人，不同的方案都有实现的可能性。尽管如此，机器人使用清洁工具（如机械圆盘刷或空化喷射设备）在船体表面工作时会遇到很大的反作用力，机器人必须牢固地附着在船体表面，并施加适当的力来吸附和移动。
而且船体通常是一个复杂的曲面，曲率不断变化，有许多焊接突起，导致自主清洁障碍。因此，研究人员开发了许多不同类型的吸附式攀爬平台，如磁吸附、推力吸附、真空吸附以及仿真吸附等。
«——【·磁吸附类·】——»
永磁吸附机器人一直是船舶清洗领域的热点，因为船舶表面具有易于磁吸附的特点，磁吸附往往是船体爬壁机器人的第一选择。磁吸附平台的运动方式大多采用履带式、腿式和轮式。
永磁吸附（履带式）：浙江某大学的研究人员设计了一种具有攀爬能力的机器人，并制作了原型，用于造船业的垂直结构检测。
如图１所示，机器人由磁轨系统、控制系统、探测器支架和机器人本体结构４个模块组成。
船体主要由钢制成，由于焊接变形而经常不平整，因此选择永磁作为黏附和运动类型。机器人轨道由电机驱动。
由于焊缝、壁面变形和材料腐蚀，船舶表面不平整。因此，单纯设计柔性轨道来适应变形是不够的，机器人可能不会按照预定的路径行走。攀爬机器人在不平坦的表面上休息的示例如图２所示。
为了解决上述问题并进一步提高精度，研究人员设计了一个补充校正部分，如图３所示。
它使机器人能够自我适应不平坦的表面，同时，控制系统增加了自校正功能。
通过两个位置传感器实时监测机器人的爬行姿态角度，每当实际轨迹与设计轨迹之间存在差异时，就可以检测轨迹并校正偏移值。
为防止在极端情况下机器人滑落或倾覆，研究人员还在实验室进行了一系列实验测试，测试验证了机器人的爬壁平台参数如下。
机器人具有广泛的速度范围（主要取决于电机的频率），最高速度超过７ｍ／ｍｉｎ。
随着涂层厚度的增加，吸附力减小。当涂层厚度达到１ｍｍ时，机器人仍然能够牢固地吸附在船舶表面。
当重量增加到６ｋｇ时，机器人无法攀爬，因此，其有效载荷能力应小于６ｋｇ。
机器人可以克服一定高度的障碍物，不大于１０ｍｍ。
永磁吸附（轮腿式）：许多爬壁平台的设计集中于垂直爬墙，然而，船体具有不规则形状，机器人应不断调整其姿态，以在移动过程中保持车轮或轨道与船体接触。
通常，船体在水线下的区域具有更大的曲率，这要求机器人的工作机制具有强大的适应性。然而机器人大多采用一体化刚性结构，变形能力较弱，无法适应船体的变曲率壁。
爬壁式机器人经常设计为分体式履带式，可以水平和垂直翻转。
然而，爬壁平台本身是不弯曲的，这使得机器人可以在曲率较大的墙上很好地行走，但很容易从曲率较小的墙上掉下来。
针对复杂曲面吸附力不足的问题，上海某大学的研究人员设计了一种基于轮腿复合移动机构的柔性船体清洁机器人，并设计了一种能够独立变形并适应船体形状的多关节行走机构。
所设计的机器人具有柔性轮腿复合移动机构，使机器人能够适应变曲率船体，并对船体有很强的吸附力。
这种新颖的行走机构还允许机器人在整个船体上自由运行障碍物，并在水下和空中进行船体清洁作业。该机器人可以根据船体曲率的变化被动地调整吸附机构的姿态。
所设计的船体清洁机器人轮腿行走机构比传统的履带式或轮式机器人具有更好的灵活性、适应性和稳定性。
如图４所示，机器人本体包括行走机构、吸附机构、清洁机构机构、回收装置（避免清洗废液中高浓度的金属和油漆物质污染海洋环境）和控制室。
回收盖底部安装了４个辅助吸附永磁体块，以增强机器人的整体吸附力，４个万向轮布置在清洁盘周围，以与船体保持适当的清洁距离。
清洁机器人在４个柔性复合轮腿机构的支撑下行走，柔性轮腿的机械结构如图５所示，腿分为三段。
第二部分由支撑横轴在轨道中的位置的压缩弹簧约束。第三部分为嵌套槽铝，磁轮可以自由翻转、倾斜，根据船体曲率的变化被动地调整吸附机构的姿态。
设计的可调轮腿由旋转轴上的３个支腿框架组成，这种设计消除了磁轮的位置限制，扩大了运动空间。相比传统的履带式或轮式机器人具有更好的灵活性、适应性和稳定性。
电磁吸附（电磁腿）：西班牙拉科鲁尼亚大学的研究人员设计制造了一款爬壁式喷砂机器人，在满足一系列驱动和安全要求的同时，它能在船体表面航行，按照一定的规则运输和移动喷枪，并且在完全失去供电的情况下，机器人能够保持静止在当前工作位置，并完全附着在船体上。
该机器人使用永磁体作为附着手段。但是，由于一些船舶区域材料是铁磁性的，在机器人作业过程中，磁铁需要远离喷枪，并在某些地方退磁，以避免大量的砂砾附着。
因此，这种方法的另一个优点是，它可以非常容易地去除在操作过程中可能附着在磁体上的任何铁磁灰尘。
如图６所示，机器人架构基于两个四腿框架或模块，通过两个复杂的关节连接，允许它们彼此相对移动，同时允许整个机器人行走。
双框架主体为基础，上层为控制机构，下层为喷砂结构，有利于机器人沿直线或微弯曲路径前进时喷枪旋转进行喷砂。
不同于传统地滚轮和履带式，该机器人创新地使用了一种基于电磁的“机械腿”，机器人使用带有磁性的机械腿作为运动机构。
喷砂工作时，机械腿可以依靠磁性贴附在船体表面，而离开船体表面时，磁铁会退磁，以便于机械腿进行移动。
在架构方面，机器人基于两个模块，这两个模块彼此相对移动，运动结构使用了多个轴承和滑轨作为机械腿之间的运动耦合，这种运动耦合方式允许两轴之间的相对线性位移，以及两轴之间的相对旋转，使得机器人能够完成前进、改变方向和水平移动。爬壁平台的运动部件如图７所示。
第一个复杂关节由Ｓ１和Ｓ３滑块和被动Ｒ１关节组成，这只是一个轴承。第二个由Ｓ２和Ｓ４滑块以及与Ｒ１类似的被动Ｒ２关节组成。除Ｓ４外，所有４个滑块均由气动线性致动器驱动，Ｓ４被动。
下部模块有４个支腿，由线性致动器（Ｔ５～Ｔ８）驱动，并通过球窝接头（ＢＳ５～ＢＳ８）在其底部与磁铁连接。这种耦合方式允许磁体适应船体表面的小角度偏差，从而增加其抓地力。
该模块具有一个双作用线性致动器，用于驱动滑块Ｓ３，滑块Ｓ３相对于Ｓ４对齐安装。两个轴承（Ｒ１和Ｒ２）安装在这两个元件（Ｓ３和Ｓ４）上。
这些Ｒ１和Ｒ２接头通过其顶端连接到安装在上框架上的Ｓ１和Ｓ２滑块，从而将两个模块连接在一起以允许两个模块之间沿两个轴线的相对线性位移，以及模块之间的相对旋转。这些模块共同作用实现机器人的基本运动能力。
顶部模块是由刚性矩形结构形成的框架，其具有位于矩形顶点处的４个致动腿。它们与下部模块的支腿相同。
它还提供了两个平行的线性致动器，驱动沿着矩形框架的两个平行侧移动的Ｓ１和Ｓ２滑块。
当一起致动时，这些致动器负责机器人在船体上的垂直运动，当独立致动时负责模块之间的相对旋转性能。
在这些致动器中，滑块中的气动制动系统防止一个模块相对于另一个模块的垂直位移。当一个模块移动时，另一个模块通过其四条腿与船体相连。
如果发生电源故障，腿执行器中的空气被清除，所有八只脚都放在地面上，将机器人连接到船体上。在移动之前，每个模块都会消磁并收回腿。
为了防止模块耦合处出现不受控制的力矩，每个磁体旁边都有一个机械支撑元件，该元件由一个带有球形轮的腿组成。
由于船体是一个三维表面，为了使机器人正常工作，有必要修正机器人沿其路径的轨迹。即通过向驱动滑块Ｓ１和Ｓ２的致动器引入指令的差异，在机器人路径中引入小转弯而不损害其致动。
机器人正常作业不需要进行大转弯，然而，在某些情况下，机器人需要急转弯。这些类型的转动可通过以下方式实现：底部模块固定，顶部模块松开，滑块Ｓ１和Ｓ２沿相反方向移动；然后将顶部模块固定到表面，释放底部模块；之后，Ｓ１和Ｓ２幻灯片一直向后移动。
此时，机器人已转过３７°左右。根据需要重复该操作多次，就可以完成所需的转向角。考虑到机器人必须在铁磁表面上移动，研究人员还选择了基于永久磁铁的固定系统。
如前所述，在系统发生故障时，这样的固定元件比其他选项（如电磁铁或基于真空的固定元件）更安全，因为这些其他方法都不能保证机器人在完全失去能量供应时不会坠落。
«——【·负压吸附类·】——»
螺旋桨式：螺旋桨式负压吸附是应用最广泛的吸附方式之一，难度低，容易实现；然而，当机器人靠近船体壁时，螺旋桨的吸附效率很低，流体噪音特别大，容易对机器人的工作造成干扰。
中国某大学的研究人员利用伯努利负压产生机制设计了一种负压吸附式水下攀爬机器人“ＵＣＲｏｂｏｔ”。
与其他水下攀爬机器人相比，该机器人具备相当的抗干扰能力，实现了更高的吸附性能。ＵＣＲｏｂｏｔ的机械结构如图８所示。
它由９个主要模块组成，包括主框架、ＣＲＰｓ、姿态调节模块、运动模块、船体清洁模块、控制和驱动模块、压力传感模块、通信和定位模块以及检查模块。
真空吸附：另一种应用较广的吸附方式为真空吸附，即利用吸盘内外的压力差将机器人推到船体表面。由于船体表面充满了不均匀的海洋生物或缝隙，因此在吸盘软橡胶周围发生密封泄漏的情况下，机器人很难将自己吸附到船体表面。
这种缺点限制了真空吸附机制在相对无孔、无间隙和光滑表面上的应用。并且由于真空吸附的吸附力无法调整，这对机器人的运动控制提出了挑战。
与电磁吸附方法相比，真空吸附机制更适合开发用于清洁、喷漆和检查任务的高有效载荷携带爬墙机器人。
印度理工大学的研究人员提出了一种真空吸附式爬墙机器人，该机器人通过诸如皮带、转向、带被动和主动吸入的导轨等机构，可连续运动、黏附，以及敏锐转向，高效覆盖工作区域。
且吸盘内的真空控制无需使用电磁阀，降低了机器人的整体重量和电力消耗。
如图９所示，机器人由皮带机构两侧的两对前后履带轮驱动。
ＧＦＣＲ的组件包括四对前后履带轮（左侧和右侧）、两个正时皮带机构（左侧和右侧）、以及滚刷和转向机构组成的底座平台。滚筒清洗刷臂的尾端通过被动蜗壳接头与机器人底板相连。
带齿轮机构的驱动电机与相应的机构连接，用于各种所需的机器人运动。
如图１０所示，ＧＦＣＲ的转向机构有一个固定部分连接到机器人底板上，另一部分可借助一对丝杠和齿圈和小齿轮机构的组合来移动。带丝杠机构的行星齿轮系在爬升时提供所需的转向动作以及机器人的主动和被动吸力附件。
ＧＦＣＲ的急转是通过激活转向机构的圆形吸盘内的真空以黏附在玻璃墙表面来完成的。
机器人本体可以通过控制带有行星齿轮系或皮带的相反运动来控制连接的电机，从而自由转动转向机构。转向机构设有旋转接头机构，以避免连接多轮吸盘的气动管缠结。
«——【·结语·】——»
本文讲述了用于船用攀爬机器人附着到表面的特殊设计，重点介绍了目前正在开发的实现这些目标的新结构设计。
船用攀爬机器人与一般攀爬机器人的设计差异如表１所示。
如表２所示，每种吸附方式、吸附平台都有自己独特的特点，也有着不同的限制和缺陷。
由于磁铁的重量，磁性机器人很重，只能在铁磁表面上使用；基于真空吸附的机器人重量轻，易于控制，但由于压缩空气泄漏，它们不能用于开裂的表面；受生物启发的机器人仍处于开发阶段，因为新材料正在测试并有待改进。
目前尚未出现一种能够完美覆盖船体工作环境要求的爬壁平台。
结合国内外研究成果，船体表面限制、其他行业要求和对各爬壁平台的分析，目前爬壁平台的通用问题是吸附力不足和稳定性不足。爬壁机器人的未来设计应注意以下几个关键特征。
通用性：由于船体表面和其他水下平台具有不同的形状、面积和材料，理想的水下吸附机器人应尽可能通用，并能够适应可能遇到的大多数表面或平台，具有一定的越障能力。
鲁棒性：机器人的工作环境极易受外界干扰。此外，机器人工作条件，即船体表面条件，对吸附力的影响也很大。因此，吸附机构应能够以足够的力将机器人拉到表面上，该力可实时调节，对复杂多变的环境具有鲁棒性。
灵活性：机器人应能在附着和清洁表面时灵活移动。当机器人移动时，其滚动摩擦力取决于作用在机器人本体上的垂直吸附力。为了保证机器人的运动稳定性，由于表面环境的复杂性，必须使机器人的吸附力保持在可控和适用范围内的同时，还具有一定的灵活性。
