爬壁加工机器人助力大型复杂构件制造模式变革｜NSR综述

航空航天、海洋装备、运载、能源等战略支柱领域广泛面临超大型构件的高效高品质制造需求，其超大的自由曲面结构形态与严苛的制造性能对加工装备提出了严峻挑战，现有的人工辅以专用机床的制造手段远无法满足制造质量与效率需求，已成为制约相关行业发展的瓶颈之一。

机器人化智能制造正逐渐成为大型复杂构件高品质制造的新趋势。机器人运动灵活、可重构配置、并行协同能力强，且易于集成先进感知与人工智能技术，已经在各类复杂零件的磨抛、铣削等工艺中初露锋芒。然而，针对大型复杂构件的加工任务，现有的机器人加工装备仍存在可达性、环境适应性欠缺的问题。例如，大型客机长达40米，高度超过10米，且翼身结合的结构会分割空间，致使传统的导轨、AGV等移动方式难以实现机身全型面覆盖。另外，大型舰船船体的在航运维还需要解决跨介质作业环境这一挑战。因此，大型复杂构件的机器人化制造新模式亟需突破加工尺度、地域上的局限。

图1 爬壁机器人的应用领域

爬壁机器人可利用不同的吸附原理与运动结构攀附在三维立面结构上进行移动作业，其独特的运动形式实现了超大的工作空间与无与伦比的部署灵活性。爬壁机器人在环境适应性上得天独厚的优势，正是突破机器人加工装备可达性瓶颈的利器。以爬壁机器人为基础，搭载不同的制造执行器形成爬壁加工机器人，其加工尺度可随机器人三维空间运动自由拓展，加工地域亦从传统的单一室内场景拓展到室外，甚至依托两栖爬壁技术可将作业场景延伸到跨介质环境，是达成大型复杂构件机器人化智能制造宏伟目标的可行路径。

爬壁加工机器人是将爬壁机器人技术与制造需求紧密结合的机器人加工装备的重要分支，需具备如下特征：可基于各种吸附原理在制造环境下稳定吸附在制造对象表面，依据制造工艺需求在制造对象表面进行高效稳定运动，并克服加工作用力等动变负载的影响。同时要以制造工艺为约束，在大范围内准确感知定位，并根据制造需求进行自主规划控制。

鉴于此，本综述：

从应用现状出发，阐述爬壁加工机器人所需吸附、运动、控制、定位四大关键技术；

探讨目前爬壁机器人领域在上述四大关键技术方面的研究现状，分析其与爬壁加工作业需求间的差距；

提出爬壁加工机器人所面临的关键科学技术挑战，并展望其未来发展趋势。

图2 大型复杂构件机器人加工的发展趋势

爬壁加工机器人有望为大型复杂构件制造带来“蚂蚁噬骨”式机器人集群加工新原理和变革性制造模式，在超大型复杂结构高性能制造领域具有广阔的应用前景。

综述文章通讯作者为华中科技大学机械科学与工程学院的陶波教授和丁汉教授，陶波教授与龚泽宇博士为共同第一作者。