桿狀物攀爬機器人關鍵技術綜述

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(山東建筑大學 信息與電氣工程學院，濟南 250101)

0 引言

高空極限工作環境如電力搶修、樓宇修繕、清洗噴涂等[1-4]，通常具有勞動強度大、工作時間長、工作事故頻發等特點。因此，研究替代人工完成作業的攀爬機器人，已成為國內外機器人領域重要的研究方向[5-6]。近些年，機器人技術發展迅速，部分已應用于醫療、工業、農業和林業等領域。攀爬機器人作為一種特殊機器人，受使用環境、功能和安全性的限制，仍處于試驗階段。因此，解決機器人的攀爬技術難題，降低高空作業危險，提高作業工作效率，替代人類完成監察、檢測與維修等工作，具有十分重要的研究價值和意義[7-8]。

攀爬機器人是高空作業系統中重要的研究課題之一，國內外對于攀爬機器人的研究很多，但各項技術研究還未達到智能化和自動化水平。因此，本文基于攀爬機器人的研究成果，著重分析機器人研究中的關鍵技術問題，以期為攀爬機器人后續研究工作提供參考。

1 國內外研究現狀

目前，攀爬機器人主要應用于高空作業。20世紀80年代，美國、日本等發達國家先后開展了攀爬機器人研究工作，自2000年以來，國內一些大學和科研院所等陸續開展了攀爬機器人研究工作，并取得一定的研究成果。早期，日本早稻田大學成功研制WOODY-1 爬樹機器人(圖1)，該機器人通過兩個環形夾持器的交替運動使得機器人沿著樹干上下移動[9]。由于機器人過于笨重且不易控制，隨后該大學對其進行了改進，研制出WOODY-2爬樹機器人(圖2)，不僅簡化了夾持機構，而且由原來的電機驅動變換為多關節協調運動的移動方式[10]。西班牙科學家基于 Stewart-Gough 并聯平臺，成功研發了一種環抱式攀爬機器人CPR(圖3)，該機器人裝配4組夾緊機構，實現對樹干的徑向夾緊與松開動作，結合萬向節完成機器人六自由度的定位與定向[11]。MIT 的Yeoreum Yoon和Daniela Rus設計了一款可在三維桁架上攀爬的機器人Shady3D(圖4)，通過軀干部分的3個自由度，保證機器人在平面任意角度桁架間移動，完成攀爬過渡動作。但該機器人存在一定的局限性，其行走動作受步距值的約束，行走方式與靈活性也沒有達到人們理想的運動狀態[12-13]。葡萄牙的 Mahmoud Tavakoli 等[14]成功研制出了一款爬桿機器人3D Climber(圖5)，機器人由1個4自由度的串聯攀爬機構和2個夾持機構組成，通過電機驅動實現對圓桿的夾持動作。與Shady3D相比，3D Climber具有能在彎曲圓桿上攀爬的優點，且可操作性更強，但3D Climber的整體結構比較復雜，運動速度緩慢。伊朗也成功開發出一種爬桿機器人 UT-PCR(圖6)，通過驅動3組攀爬輪正、反向旋轉，控制機器人沿桿狀物上、下移動，但攀爬輪易滑動的特點導致機器人攀爬動作不穩定[15]。Carnegie Mellon University，Stanford University，University of California等[16]多所大學合作開發出了一款六足機器人Rise(圖7)，具有速度快、抓持能力強等優點，但是由于其采用多足協調運動的攀爬方式，控制系統較為復雜。

圖1 WOODY-1 圖2 WOODY-2

圖3 CPR 圖4 Shady3D

圖5 3D Climber 圖6 UT-PCR 圖7 Rise

在國內，管貽生等[17]設計了一款雙手爪爬桿機器人Climbot(圖8)，機器人末端2組夾持器可交替夾緊和松開桿狀物，完成攀爬動作。由于其在避障和桿間過渡方面有明顯的優勢，因此可應用于建筑和化工等高空作業領域。香港中文大學Tin Lun Lam和Xu Yangsheng等[18]研發了一種小巧的爬樹機器人Treebot(圖9)，該機器人具有較高的自由度和優越的擴展能力，同時還配備全方位的樹木夾持器，使機器人粘附于不同直徑的樹木，適應復雜的攀爬環境。國內其他高校，如華南理工大學、哈爾濱工業大學等在攀爬機器人研究方向也做了很多努力，其成果為攀爬機器人后續的研究工作積累了豐富的經驗[19-20]。

圖8 Climbot 圖9 Treebot

攀爬機器人作為高空作業機器中的一種，已初步具備代替人類完成簡單高空作業的能力，鑒于高空作業環境復雜，對機器人結構、功能、通信等方面要求較高，現有技術還需進一步發展和完善。

2 高可靠性運動機構分析

可靠的運動機構是保證攀爬機器人高空作業的基礎[21-22]，其運動機構設計需滿足如下幾項技術指標：1)可實現在復雜環境下的平穩爬行，具有向上、向下、旋轉和啟停能力；2)具有故障自保護措施和防摔落機制；3)具有一定的載重能力，可搭載設備完成相應高空作業；4)具有靈活的越障能力，可避越高空環境下諸如線塔、樹分支等障礙，并在越障時保證機器人姿態平穩。

機器人攀爬作業過程中，在保證承載設備安全的情況下，不能損傷被攀爬物。因此，針對攀爬對象的不同結構特點，需研制新型無損傷夾緊機構[23-25]，目前可采用的夾緊方式有環抱式、鉤爪式、夾持式等，各夾緊機構的原理及特點如表1所示。

表1 攀爬機器人不同夾緊方式分析

通過表1分析得知，不同的攀爬對象，對機器人夾緊機構要求不同。不僅需要夾緊機構具有夾持力度，還要求其不對攀爬對象造成損害。因此，需要針對攀爬環境，研發出一款可靠的運動機構，比如，通過研制氣囊夾緊機構等新發明、新想法，保證攀爬機器人代替人類完成復雜的高空作業。

3 機器人自主行為控制

攀爬機器人不同于常規機器人，高空環境作業時，運動姿態變化較大?？紤]到越障、載物作業運動過程中受摩擦力、重力等因素影響，實現機器人自主行為控制難度較大[28-29]。為提高機器人智能化和自動化水平，實現機器人自主攀爬、避障和高空作業，需要解決如下技術問題。

3.1 攀爬機器人動力學建模與分析

準確的動力學建模是實現攀爬機器人運動控制、導航和越障的前提。攀爬機器人動力學建模需要考慮以下問題。

1)必須考慮機器人與攀爬對象間的非線性動力學耦合特性。由于攀爬機器人所處高空環境具有強干擾、動態等特征，使攀爬機器人成為十分復雜的控制對象[30-31]。同時，機器人在直線越障或者變向作業時，由于自身姿態調整引起機器人重心不穩定，使夾緊裝置給攀爬對象一個反作用力，這樣，攀爬機器人與攀爬對象間構成了一個強耦合系統。

2)考慮攀爬機器人在復雜的環境作業中自身結構參數的變化。為了提高攀爬和作業效率，機器人應盡可能輕質高速，減少攀爬過程中因構件破損或變形等自身因素帶來的影響。因此，在機器人高空作業時，綜合考慮上述問題對攀爬機器人動力學研究是十分必要的。

3.2 攀爬機器人運動控制

機器人根據計算機下達的控制指令實現精準的運動控制，以保證機器人順利、精確的完成攀爬作業。此時，采用傳統控制策略很難滿足實際控制要求，綜合考慮攀爬過程中不確定性因素對機器人動力學特性的影響，需結合自適應控制、滑模變結構控制、魯棒控制、視覺伺服控制、模糊控制或神經網絡等智能控制方法，實現攀爬機器人在高空作業環境下的精確運動控制。

在設計控制系統時可采用如圖10所示的分布式架構，即將總系統分為后臺管理層、數據通信層和移動終端層，協同完成攀爬機器人夾緊機構和高空作業執行機構的運動控制。

晉地歷史上有過幾次較為集中的學術思想高峰期，皆為外地名宦、寓賢與晉地學人學術交融的結果。 以下略作梳理。

圖10 攀爬機器人運動控制系統結構

后臺管理層包括機器人后臺監控計算機、硬盤錄像機、硬件控制與分析軟件系統等；數據通信層主要是保障管理層與智能終端層的網絡數據的傳輸；移動終端層包括攀爬機器人、安全防護系統、電源管理系統和多傳感器監測系統等。管理層是攀爬機器人系統的監控中心，通過無線網絡與攀爬機器人進行數據傳輸，發送攀爬任務和實時的監視、遙操作等數據。移動終端層中的攀爬機器人是整個系統的移動載體，也是機器人信息采集、運動控制的載體，可以對當前攀爬機器人運動狀態進行識別，并接受和執行控制指令；同時，可以對攀爬機器人進行協調控制，以實現路徑規劃處理與避障，完成傳感器的信息處理與傳輸。

3.3 攀爬機器人導航技術

導航是智能攀爬機器人實現自主控制需要解決的重要問題，而環境感知與建模、定位和路徑規劃被稱為機器人導航的三要素[32]。

3.3.1 環境感知與建模

攀爬機器人完成自主導航，需要根據傳感器信息識別多種環境信息，如攀爬物體邊界、攀爬物體形狀、高空障礙等，通過環境感知確定前進方向中的可達區域和不可達區域，為局部路徑規劃提供依據。機器人在攀爬過程所用到的傳感器種類較多，如超聲波和紅外測距傳感器，可用于障礙物檢測；激光雷達和視覺傳感器，可用于環境感知和建模。因此，攀爬機器人采用多信息融合技術，綜合利用多種傳感器獲取信息，增強環境的適應性，便于完成攀爬作業。

3.3.2 定位

攀爬機器人定位就是確定其在高空環境中相對于坐標系的位置及方向。目前機器人定位方法主要有慣性定位、衛星定位、地圖模型匹配和仿生導航定位技術等[33-34]。其中，慣性定位是使用陀螺和加速度計分別測量旋轉率和加速率，獲得機器人本體實時位置、速度、姿態等信息，但慣性誤差經過積分產生無限的累積，這對于長時間的高空攀爬作業很難實現精確定位；衛星定位適用于室外無遮擋時對機器人定位，這對攀爬機器人的高空作業具有較高的引導作用；地圖模型匹配是一種機器人利用其自身的傳感器創建一個自己的局部環境的技術，然后把局部地圖與保存在內存的全局地進行比較，進而計算出自己在環境中的真實位置和方位。該技術對構造的傳感地圖的精度有嚴格的要求，當前只限于實驗室或相對簡單的環境。仿生導航技術是利用人和其它動物生活中的一些功能系統，根據視覺、聽覺、味覺等信息的處理原理，模仿出類似的定位與導航系統，在一些特種環境下有相當的應用需求?；谏鲜龇治?，針對不同作業環境下對機器人定位精度的要求，可融合2～3種定位技術確定攀爬機器人作業位置，進而保證機器人精確完成攀爬任務。

3.3.3 路徑規劃

攀爬機器人的自主導航包括全局攀爬路徑規劃與局部越障、避障規劃[35-36]。全局路徑規劃方法通常包括：自由空間法、正規柵格法、拓撲法、蟻群算法等；局部路徑規劃方法通常包括：人工勢能法、神經網絡法、模糊算法、遺傳算法等。各算法的原理及特點如表2所示。

4 攀爬機器人應用技術

攀爬機器人的安全問題會對機器人和作業對象造成無法估計的損失，所以即使攀爬機器人具有自主作業能力和報警功能，復雜環境下仍需要在操作人員的監控下完成，以確保其安全作業[37-38]。同時，攀爬機器人若遇到特殊情況，還需通過操作人員在后臺監控下對機器人遙操作，繼續攀爬作業或者停止作業。因此，在機器人遠程監控和遙操作部分需解決的高級應用技術問題如下所述。

4.1 可靠通信技術

攀爬機器人高空作業存在工作環境復雜、作業要求質量高等特點，同時需要作業人員通過遠程監控和遙操作確保機器人穩定運行，因此，高可靠性的無線通信技術十分重要[39-40]。攀爬機器人可通過無線通信技術傳輸視頻、圖像、傳感器狀態信息等，也可接收操作人員發送的控制指令。鑒于無線通信可能會受到噪聲和同頻信號的干擾，所以，無線通信需具備一定抗干擾能力，且保證數據傳輸的距離和穩定性，使機器人順利完成高空作業。

4.2 遙操作技術

目前，攀爬機器人的研究大多集中在機械結構設計和步態分析方面，機器人幾乎都在無障礙的直桿環境下攀爬，對于機器人在非結構化桿件環境中攀爬的討論較少[41-42]。由于非結構化桿件環境的不確定性和復雜性，使機器人自主攀爬受到巨大阻礙，因此，操作者通過搖桿對攀爬機器人進行控制以適應更多未知桿件環境顯的尤為重要。

表2 路徑規劃方法分析

對攀爬機器人進行遙操作，可采取如下方法。首先，使用普通搖桿作為輸入設備，對機器人的攀爬步態分析研究，設計不同的操作坐標系和運動映射。其次，通過建立變換矩陣將機器人的夾持機構描述在同一坐標系中。最后，利用優化方法求解平面運動可夾持空間，用于指導搖桿操作，使得攀爬控制有一定預測性。

4.3 攀爬機器人監測平臺

為保障攀爬機器人高空作業的安全性，需實時監控機器人的工作狀態，因此要求操作人員與攀爬機器人進行信息交互，監測平臺則是攀爬機器人與操作人員的主要交互平臺。

4.3.1 實時監測

通過采集攀爬機器人反饋的圖像、視頻和傳感器狀態等信息，操作人員可有效掌握機器人在高空作業時的位置和動態，并實時修正和調節機器人運動狀態。

4.3.2 故障分析

監測平臺可實現數據、圖像的傳輸、存儲、查詢等功能，通過分析傳感器信息，判斷機器人當前運動狀態?；诜答伒膴A緊力度、攀爬速率、故障坐標及建議處理方案等信息，及時調整機器人運動姿態，順利完成高空攀爬作業。

5 結論與展望

采用攀爬機器人代替人類完成高空作業是機器人技術迅速發展的標志，是一種降低高空作業風險有效的方法。攀爬機器人已應用于工業、農業和林業等眾多領域，特別對于電力行業、建筑行業的高空巡檢、外墻噴涂及檢修等具有十分重要的意義。

伴隨著機器人技術向自動化、智能化方向發展，攀爬機器人在工業建設等領域大規模使用還有很長的路要走，需結合以下幾個方面展開研究。

5.1 整體質量和承載能力

目前，部分攀爬機器人整體質量較大，導致機器人能源供應不足，攀爬過程中易出現動力衰竭、滑落等現象。此外，攀爬機器人執行任務時需要承載設備，額外增加的重量將改變其重心的位置，產生安全隱患。因此，平衡整體質量和承載能力間的關系是未來攀爬機器人重要的研究方向。

5.2 運動速度

快速、精確地到達高空作業地點是攀爬機器人的一大優勢。然后作業環境復雜，越障能力差，攀爬速度慢是現階段攀爬機器人要面對的技術性難題。攀爬機器人作為一個集機械、電子和軟件的綜合系統，勢必要解決攀爬速度慢、能源供給不足等問題，使機器人各構件協調動作，達到快速穩定攀爬的目的。

5.3 多傳感器信息融合

根據不同傳感器特性，結合多傳感器信息融合技術，研究多傳感器間信息交互方法，進一步提高攀爬機器人的高空檢測、障礙物識別、空間定位的精確度。

5.4 相關技術標準

對攀爬機器人系統進行現場測試、改進、定型，形成在不同攀爬作業要求下，攀爬機器人、運行與維護規范、能源保障系統和試驗與測試等相關技術標準和規范。

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