房欣欣

（广东碧品居建筑工业化有限公司，广东 佛山528000）

近年来，高层建筑物越来越多，随之也产生了诸如幕墙清洗、外墙喷涂、外墙保温等的一系列高空作业。高空作业即指工人借助于吊篮、吊绳、脚手架等在超过两米的高处进行作业。高空作业危险性较高，伤亡事故很难避免，且对工人的身体、心理素质都要求较高。且由于工人在高空中处于欠约束状态，作业的效率、质量很难保证。因而高空作业机器人有着较为广阔的应用市场，其大力推广将成为必然。

高空作业机器人根据其工作方式主要分为四种：悬架吊篮式、爬壁式、并联柔索式及复合式。悬架吊篮式高空作业机器人是由现在建筑工地上常用的人工吊篮发展而来的，它主要由屋面悬架和空中吊篮两大部分组成，二者通过钢丝绳相连，吊篮的升降运动借助悬架上卷轴器的正反转实现，吊篮的水平运动借助于悬架的横向行走实现。由于吊篮内空间较大，因而此类机器人一般用于承载量较大的场合。吊篮在作业时只受到钢丝绳和壁面的约束作用，极易在气流、核心末端作业装置运动、反冲等扰动的影响下，发生晃动，偏离稳定状态，因而如何提高作业稳定性是此类高空作业机器人的研究难点。提高作业稳定性的方法有多种，如安装螺旋桨增大推力、增加质量块平衡执行机构运动惯性、柔性吸附壁面等。爬壁式高空作业机器人没有钢丝绳牵引，借助于磁、负压、推力、仿生等吸附方式在壁面上自行运动，此类机器人一般结构紧凑，承载量较小，运动较为灵活。2007年，哈工大学成功研发了一款反恐侦察爬壁机器人。该机器人采用单吸盘负压吸附方式，机器人总重8 kg，行进速度10 m/min，可在多种相对光滑的壁面上运动。并联柔索式高空作业机器人的四个点上各捆绑了一条柔锁，通过改变各条柔索的长度即可使机器人沿壁面的各个方向运动，此类机器人运动速度快、精度高，但控制较为复杂。复合式即采用了上述任意两种方式的高空作业机器人。

吸附方式、行走方式、越障方式是高空作业机器人最重要的三个研究方向。三者决定了机器人可以在何种壁面上工作，工作的可靠性以及最大承载力等。

目前，常用的吸附方式主要有磁吸附、负压吸附、推力吸附、仿生吸附四种。磁吸附要求壁面材质必须为导磁面，可采用永磁铁或电磁铁产生磁力。磁吸附式高空作业机器人现已在船舶、油罐的除锈、检测等方面有了一定的应用。负压吸附通常采用真空泵或离心风机配合吸盘实现，此种方式可摆脱对壁面材质的要求，但其对壁面的平整度、清洁度、干燥度要求较高，壁面凹凸不平或者灰尘较多或者有水都会导致吸盘可靠性降低，且吸盘存在漏气风险。现国内已有多家公司研发了负压吸附式幕墙清洁机器人，使用效果较佳。常见的推力吸附实现方式为在机器人背部对称布置若干个螺旋桨，根据作用力与反作用力的关系，螺旋桨高速旋转会使周围气流对机器人产生较大的推力，此原理同飞机上升方式。除了螺旋桨，还可以采用涵道风机为机器人提供推力。如需较大推力，则需选用功率较大的电机来驱动螺旋桨或涵道风机，且工作噪声较大。仿生吸附是目前较为热门的一个研究方向。壁虎脚上长着数以百万计的细长刚毛，这些刚毛与壁面分子间累积的范德华力使壁虎对各种壁面有着超强的黏附力。实验证明壁虎足对平整木板和玻璃的切向黏附力可达7～10 N/cm2。当刚毛与壁面成30°角时，二者会突然发生脱离。目前应用仿生吸附方式的高空作业机器人尚处于实验室阶段。

高空作业机器人的行走方式可分为履带式、足式、轮式三种。对于履带式高空作业机器人，可以将吸附组件安装于履带上，因此它的最大优点是与壁面的接触面积较大，对壁面的吸附力更大，但其越障较困难。轮式运动速度快，转弯灵活，但其越障较困难。足式越障能力强，但其结构较复杂。因此现在出现了轮足复合式高空作业机器人，兼顾了运动灵活和越障能力强的优点。

通常，建筑物壁面上会有装饰台阶、遮雨檐等凸出物，这就要求高空作业机器人必须具备越障能力。要实现越障，首先要识别障碍，通常借助于机器视觉或者BIM（Building Information Modeling）技术来实现。在机器人身上安装工业相机，通过拍照、图像处理，识别运动路径中的障碍物，并根据预先编写好的程序行进越障。BIM即建筑信息模型，它借助计算机技术建立了包含整个建筑物完整数据信息的3D参数化模型，可以在位置信息服务领域为机器人的室内室外导航提供数据支持。首先，机器人向服务器发送请求，请求内容包含待作业建筑物的标号及所需提供的具体参数，针对高空作业机器人所请求的具体参数即指壁面障碍物位置、尺寸。然后服务器生成待作业建筑物的BIM模型，并将此模型参数化，根据机器人要求提取相关参数，构建壁面地图。然后服务器根据构建好的地图和作业起始点，对机器人进行壁面路径规划。待服务器将规划好的路径正式下发后，机器人开始正式工作。越障主要分为跨越越障和蠕动越障两种。跨越越障类似于人跨门槛，最常见的是交错足结构，即机器人有前后对称的一对或多对足，在作业过程中总有半数足在壁面上。当遇到障碍时，前足直接跨过去，跨过去的过程是先后退远离壁面，然后沿行进方向伸长，最后靠近壁面。蠕动越障类似于软体动物爬行，最常见的是多节式结构，即机器人的行走机构有多节构成，相邻两节之间可相对转动。当遇到障碍时，机器人一节一节地沿着障碍物的轮廓爬行。

高空作业机器人想要得到快速发展，安全性、可靠性、智能化是要解决的重要问题。安全性是指其高空掉落的风险性大小、高空掉落的应急方案。对于有柔索牵引的高空作业机器人，柔索存在断裂或忽升忽降的风险；对于没有柔索牵引的高空作业机器人，它是依靠各种吸附方式贴在壁面上的，而吸附方式存在失效的风险。可通过配置安全绳、多层吸附装置等方式避免高空掉落事故的发生。可靠性是指其对不同壁面以及各种恶劣作业环境，如大风、大雨的适应性。在不同壁面、不同作业环境中，机器人的作业效率、作业质量都需要满足要求，并且能够对工况进行判断，在恶劣工况下，应能立即停止工作，返回安全位置。智能化是指其能根据指令自主规划最优作业路径，顺利通过壁面障碍物，无须人工干预。智能化是高空作业机器人普及的重要条件，它对机器人的导航定位控制算法有着很高的要求。随着科学技术的不断发展，高空作业机器人必将取代“蜘蛛人”，这将是人类历史上又一重大进步。