摘要：
本文介绍了一种能够攀爬竖直平面的新概念爬墙机器人。这种机器人的两个履带轮上安
装有 24 个吸盘，通过一条履带连接两个履带轮实现了机器人以 15m/min 速度高速连续运动。
当其中一个履带轮转动时，粘附在竖直墙面上的吸盘则通过专门设计的机械阀控制实现顺序
起动。本文中将介绍履带轮的工程分析和结构设计，包括履带轮的机械控制阀和整体结构。
这种机器人是一个独立式的机器人，它的真空泵和电源是一体式的，并且进行远程控制。机
器人的爬墙能力通过竖直钢板测试进行评价。最后介绍了利用田口法来减小真空中压力的最
优化实验的实施步骤。
关键词：爬墙机器人 吸盘 履带轮 机械阀 田口法
1．介绍
移动式机器人已经被广泛应用于高空
作业中，例如清理高层建筑的外墙、修建高
层建筑物、给大型轮船喷漆、监控核能工厂
的储藏柜等，因为这些工作一般都很重要，
但是又极度的危险。因此，移动式机器人中
比较特殊的研究领域——爬墙机器人已经
在全世界各个地方进行广泛的研究并且有
了很好的发展。当前大部分的爬墙机器人可
以归结为两类：牵引式和粘附式。粘附式爬
墙机器人具有一个粘附式机构，通过吸力、
磁力、范德华力及微刺互锁作用粘附在墙壁
上。磁力粘附机构仅在工作墙面由铁磁性表
面组成时才会使用。
微刺结构机器人可以很好地粘附在粗
糙墙面上，但是却不适用于玻璃、天花板之
类的光滑表面。利用范德华力的机器人则是
模仿了壁虎的干燥粘合能力。这种粘附机构
比较奇特，它不需要能量，但是粘附力的大
小受粘附表面的粗糙度影响较大，因此需要
更多的研究来确认这种机构的适用性。吸盘
式机构则广泛应用于工业机器人中。相比于
其他机构，吸盘式机构具有最好的适用性和
耐用性。
根据移动机构的不同，机器人可以分为
三种：步行式、滑行式和履带轮式。步行式
爬墙机器人的优点是它能够适应凹凸不平
的墙面。但是由于其执行器和步法控制器数
目多，步行式爬墙机器人重量大且控制系统
相对复杂。这就导致了机器人运动速度低且
不连续。同时，滑行式机构的实现比步行式
相对简单，但是同样的由于运动不连续，运
动 速 度 较 低 。 周 延 武 和 宗 光 华 发 明 的
Cleanbot II 爬墙机器人采用的时履带轮式
走行机构，它能够以较快的速度连续运动。
它采用了一条安装有 52 个吸盘的履带，每
一个吸盘由一个电磁阀控制。但是该机器人
尺寸较大，长 720 毫米，宽 370 毫米，高 390
毫米。即使不包括电源和真空泵，机器人的
重量都达到 22 千克。而且，尽管采用了履
带轮式走行机构，机器人的最高速度也仅为
8m/min。
本文提出了一种能够在竖直墙面上连
续运动的新概念爬墙机器人。这种新型机器
人通过采用两条安装有 24 个吸盘的履带来
实现连续的高速爬行。用机械阀代替电磁阀
将吸盘内抽成真空有助于提高爬行速度。这
种机器人是独立自给的机器人，它的电源和
真空泵是集成安装在机器人上的。
本论文将先从两个方面对机器人的主
要机械结构进行描述，机器人结构的工程设
计主要介绍无线控制方式和履带轮式结构
的工作原理；然后描述吸盘所需的吸力以及
系统中真空度变化趋势的工程分析。然后给
出机器人爬墙速度和有效载荷等实验数据，
利用预定的机构验证机器人的爬墙性能。最
后，应用田口法进行最优化实验，最大程度
增加吸盘的真空压力，同时减小压力的波动。
2．机器人系统的设计
2.1 机械结构
如图一所示，爬墙机器人由一个主机架
和一个履带轮系统构成。主机架上安装有真
空泵、电源、控制模块和驱动装置等。履带
轮系统主要由一个正时皮带和一个皮带轮
构成。12 个吸盘和机械阀安装在两条皮带的
外面，在轮轴之间安装有一个导轨和型线凸
轮，通过履带轮的转动带动吸盘的运动，同
时控制机械阀的工作。旋转接头安装在机器
人的两侧，作用是防止在轮子转动的时候，
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