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user: 2. 国内外研究现状 从吸附方式这一方面来看船用爬壁机器人的发展，缘起于日本的负压吸附，之后，推力吸附、磁吸附、仿生足式吸附等相继兴起，磁吸附虽然晚于负压吸附，但由于其吸附力强，控制较为简单，目前应用最为广泛，其中又属永磁吸附应用最广。 2.1. 负压吸附式爬壁机器人 根世界上第一台壁面机器人样机就采用负压吸附，日本大阪府立大学的西亮讲师于1966年所研发，通过涵道风扇抽走吸盘内的空气达到负压吸附的目的，其又于1975年、1982年分别研制了轮式和步足式负压壁面机器人 [ 7 ]。随着负压技术的发展，在国内，重庆大学FESTO实验室于2018年研制出FFROBOT-III [ 8 ]，如图1所示，相比于之前的FFROBOT-I和FFROBOT-II，采用真空多吸盘吸附，其移动平台由H型并联机构改用为十字型机构，水平和竖直方向由各自的电机单独驱动，控制独立互不影响，不存在电机的同步问题，同时十字型移动平台改善了移动空间，在保证步距略微增大的情况下，框架尺寸反而大幅度减小，有效减少了框架带来的自重。腿部采用对称平行结构，气动肌腱置于两平行腿中间，使气动肌腱收缩平面与四边形的抬腿平面在同一平面，避免腿部抬腿时会受到侧向扭矩，而且大大增强腿部刚度和强度。由于采用足式的移动方式，该机器人具有良好的越障能力，但吸盘其对壁面的适应性较差，遇到凹凸不平整壁面，吸盘难以完全封闭，会导致吸附力减弱，使机器人发生脱离壁面的风险。 图1. FFROBOT-III机器人 2.2. 推力吸附式爬壁机器人 推力吸附即为正压吸附，一般在壁面机器人机身设有两个高速螺旋桨，一个用于产生向上的推力，另一个用于产生垂直壁面方向的推力，使其紧贴于壁面，越障能力强，对壁面的要求不高，但是受外界风力影响，占用爬壁机器人空间大，限制了作业形式。1995年，日本大阪府立大学的西亮讲师率先研究出这样的推力吸附式壁面机器人 [ 9 ]，之后，2013年韩国首尔大学研制出ROPE RIDE [ 10 ]，如图2所示， 图2. ROPE RIDE爬壁机器人 采用履带移动方式，在负载20公斤的情况下，爬墙速度可达15 m/min。国内对推力吸附爬壁机器人的研究较晚，但近几年的发展较快，北京石油化工学院的杨梅强于2015年研制出水下推力吸附式爬壁机器人样机，主要用于对水下结构物进行观察和检测。 2.3. 永磁吸附式爬壁机器人 2.3.1. 履带式永磁吸附爬壁机器人 永磁吸附相比于电磁吸附控制简单，在早期，研究机构一般全部采用永磁吸附，随着不断深入发展，逐渐开始研究电磁吸附。 国外研究爬壁机器人早于国内，加拿大的Magnetic Crawler [ 11 ] 研究出履带式磁吸附壁面机器人，如图1所示。机器人两侧履带上镶嵌永磁体，是磁吸附式壁面机器人吸附力最强的一种吸附方式，其可以在30 m的水下环境安全吸附于壁面进行移动，履带式移动的吸附能力强，但灵活性差且转向困难。现如今，履带式永磁吸附爬壁机器人可搭载多种部件进行作业，2018年法国南特中央科学实验室的Olivier Kermorgant针对焊接任务，研制出用于造船工业自主焊接的磁力攀爬机器人 [ 12 ]，具备了机器人沿着直线进行焊接的控制算法，如图4所示，该机器人的主要传感器是一个二维激光扫描仪，提供船体表面的信息，并用于执行多项任务，能够携带100公斤的有效载荷(包括自身重量)。 图3. 履带式磁吸附壁面机器人 图4. 自主焊接的磁力攀爬机器人 以上爬壁机器人的永磁本身不可调磁力大小，根据永磁体性质，若改变永磁体和壁面间的距离，就可以改变磁力大小，从而实现技术进步。江苏科技大学的陈锦于2019年研究了一款永磁可调吸附的船用多履带全向移动爬壁机器人，如图5所示，机器人通过自身陀螺仪监测在铁磁壁面上的倾角，并将倾角信号传递至控制系统，控制滚珠丝杠伸缩Halbach方型阵列永磁吸附单元，来实时增减永磁体与船舶外壁面的吸附距离，从而获得合适的吸附力 [ 13 ]。这实现了永磁力也可以调节，是永磁吸附实现变磁力可调的一大技术突破。 图5. 船用多履带全向移动爬壁机器人 2.3.2. 轮式永磁吸附爬壁机器人 履带式爬壁机器人主要存在转向性能差，运动不灵活等问题，除了履带式，还有轮式爬壁机器人，轮式所带来大最大优点就是运动灵活，行进速度提高，而轮式永磁吸附式爬壁机器人可分为两种： 一是直接采用磁轮，永磁体直接安装在轮子表面，磁轮同时充当移动机构和吸附机构。国内的洛阳圣瑞智能公司主要研制磁吸附爬壁机器人，其除锈机器人 [ 14 ] 如图6所示，该壁面机器人主要用于大型船舶表面除锈，相比于之前的高压水流除锈，其增加了喷丸/砂机除锈，考虑到磁轮磁吸力较小，采用绳索悬吊的方式平衡其重力，防止其下滑、脱离，确保作业的安全性。 图6. 洛阳圣瑞智能公司的除锈机器人 二是轮子无吸附力，只是作为移动机构，吸附机构依然采用永磁体，将永磁体安装在两个轮子中间的车体底部，与壁面有一定的距离。此类机器人运动非常灵活，但随之带来的是抗倾覆能力较弱。地中海岛国塞浦路斯的COMBIJET公司研制的RJE-1000船舶清洗机器人，如图7，机器人总重量仅为54 kg，行进速度5~20 m/min，其采用永磁间隙吸附的方式，将永磁体放置在一对驱动轮的中间，使用传动带传动，巧妙地解决了打磨铁屑残渣粘贴永磁体的问题，但这也易导致了永磁间隙过大，大大降低了吸附机构的可靠性 [ 15 ]。在国内，中船重工716所在武昌船舶公司自动化激光除锈除漆试验中获得成功，研制的机器人如图8，使国内船舶涂装机器人系统有了成熟产品，为船舶智能制造业发展提供保障。其吸附方式采用永磁间隙吸附，相对永磁履带吸附方式，这种吸附方式使得整个机器人结构更加简单，大大减轻本体重量 [ 16 ]。此外，国内的浙江大学海洋学院海洋电子与智能系统研究所朱世强教授团队于2018年研制的除锈机器人，如图9所示 [ 17 ]，北京史河科技有限公司于2017年研制的MW-SR-01摆臂式船舶除锈机器人 [ 18 ] (如图10)。 图7. RJE-1000船舶清洗机器人 图8. 716所爬壁机器人 图9. 除锈机器人 图10. MW-SR-01摆臂式船舶除锈机器人 2.4. 电磁吸附式爬壁机器人 永磁吸附的磁力大小本身不可以调节，使爬壁机器人的吸附力单一，工作形式单一，在平整壁面和越障时的吸附力大小相同，不能按所需进行合理分配磁力大小，对此情况，电磁吸附被引入，其最初应用在足式爬壁机器人中，随着电磁技术的成熟，逐步应用于履带式爬壁机器人中，突破了永磁体为主导的磁吸附爬壁机器人技术领域。 在国内，海军工程大学于2019年研究出国内首台基于精确控制电磁吸附的船用爬壁机器人，如图11所示，将电磁铁安装在机体两侧的履带上，每个吸附单元单独控制，再由总控制器控制每个吸附单元，精确控制磁力大小，使其适用于多种工作方式，并且在越障时可以提供比平整壁面所需的更大吸附力，大大提高了其运行的安全性，但是由于每个吸附单元都需要单独控制，也增加了控制难度。南京林业大学机械电子工程学院的洪晓玮、陈勇于2020年也研制出新型电磁吸附式爬壁机器人，如图12所示，可用于大型钢结构壁面巡检作业，能够通过电磁吸附单元的轮流通断电实现机器人机动性与吸附性的统一，总重量6.7 kg，移动速度最大可达5 cm/s，可携带负载重量3 kg [ 19 ]。 图11. 基于精确控制电磁吸附的船用爬壁机器人 图12. 新型电磁吸附式爬壁机器人 2.5. 仿生足式爬壁机器人 此类爬壁机器人负载能力小，一般很少用于船舶表面除锈等作业，多用于检测作业，近些年来蓬勃发展，有诸多研究机构深有研究。随着3D打印技术的发展，2017年，韩国蔚山国家科学技术研究所(UNIST)的研究人员利用3D打印技术开发出仿壁虎机器人UNIclimb [ 20 ]，如图13所示，机身连接有四条腿，腿的尾部是具有粘附垫的四只脚掌，身体和腿、腿和脚掌之间安装有伺服电机，机器人由这些电机驱动，并通过三角步态在负表面上实现稳定粘附运动，移动速度为1 mm/s采用的3D打印技术对其有利有弊，有利的一面，是其表面覆盖的SiO 2 -F纳米粒子带来了防水性能，有弊的一面是其结构强度低，负载能力不强，且对工作环境要求相对较高。此外韩国的岭南大学和汉阳大学合作研发出可操纵干胶联动式爬壁机器人 [ 21 ]，如图14所示，将干粘法和平板弹性体相结合，并设计了一种连接主动内框架和被动内框架的并联四杆机构，通过并联四杆机构旋转实现步行运动，可在垂直平面进行移动作业，移动速度达13.3 m/s，相比于UNIclimb有很大提高，但是其步行运动和转向运动存在耦合问题。 图13. 仿生爬壁机器人 图14. 可操纵干胶联动式爬壁机器人