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機械工業雜誌
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攀爬機器人技術簡介與應用
作者
葉佳榮
刊登日期:2025/07/29
摘要
攀爬機器人因應高風險、高難度環境下的工作任務挑戰,具備垂直、傾斜與複雜結構表面移動能力,可廣泛應用於基礎設施檢測、能源巡檢、災後搜救及特殊環境作業等領域。其核心技術包括多樣化的附著機制(如磁力、正/負壓、靜電與仿生黏附等),搭配履帶式、輪式、多足機構或飛行混合等移動策略。近年隨著感知元件、定位技術、控制系統與運動規劃技術進步,攀爬機器人加速朝向智慧化、自主化與多模態整合發展。未來挑戰包括提升附著穩定性、環境適應性、控制複雜度與能源效率。透過人工智慧、自主學習與感知融合技術的導入,攀爬機器人有望成為高風險作業領域中重要的輔助設備。
Abstract
Climbing robots are developed to address the challenges of performing tasks in high-risk and complex environments. They possess the ability to traverse vertical, inclined, and irregular structural surfaces, making them suitable for a wide range of applications such as infrastructure inspection, energy facility monitoring, post-disaster search and rescue, and operations in hazardous environments. Their core technologies include various attachment mechanisms—such as magnetic adhesion, positive/negative pressure, electrostatic forces, and bio-inspired adhesives—paired with mobility strategies like tracked, wheeled, multi-legged, or hybrid aerial-ground systems. In recent years, advancements in sensing components, localization technologies, control systems, and motion planning have accelerated the development of climbing robots toward greater intelligence, autonomy, and multimodal integration. Future challenges include improving adhesion stability, environmental adaptability, control complexity, and energy efficiency. With the integration of artificial intelligence, autonomous learning, and sensor fusion technologies, climbing robots are expected to become essential auxiliary tools in high-risk operational environments.
前言
隨著現代城市化與工業化的快速推進,人類在建築、能源、運輸、航太與軍事等高風險、高難度作業場域中面臨諸多挑戰。例如,高樓外牆清洗與檢測、風機葉片劣化檢查、石化儲槽與輸油管維護、鐵塔與橋梁結構定期巡檢等,皆具有高空作業、局促空間、有害氣體、結構複雜等高風險特性。根據國際勞工組織(ILO)與世界衛生組織(WHO)最新資料,全球每年超過290萬名勞工因高風險工作環境(例如極端高溫、高空作業、有害物質暴露、重體力勞動等)發生工傷或職業病而死亡。因此,開發具備高機動性、適應性與自主性的攀爬型機器人(Climbing Robots)成為當前機器人領域中的一大研究重點。
參考國際機器人聯盟(International Federation of Robotics, IFR)及ISO 8373機器人應用可分為兩大類如圖1:工業機器人與服務型機器人。本文介紹的攀爬機器人屬於專業服務型機器人,能夠根據任務需求攀爬至目標位置執行設定任務。
相較於目前較熱門且技術成熟與的無人機(例如四旋翼),在面對強風豪雨或空間局促的情境容易因穩定性與續航力不足而受限。因此攀爬機器人在許多應用情境下具有其獨特優勢,能夠與無人機進行工作任務互補。近年來,越來越多學者 [1‒6] 開始投入攀爬機器人研究,對攀爬機器人的創新理論及應用具有重大意義。攀爬機器人作為專業服務型機器人,具備能夠在垂直、傾斜表面與複雜結構間穿梭的能力。而攀爬機器人透過吸附、攀附或黏附等附著機制,能較為牢固的攀附於作業表面進行長時間作業,具備更高的穩定性與續航力。因此,其在基礎設施檢測、高空裝配、危險區域探勘與清潔等場域展現出巨大的應用潛力。
過去十年間,隨著控制技術、感知模組與材料科學的進步,攀爬機器人的設計樣態與功能逐漸多元化,特別是在牆壁攀爬機器人(Wall-Climbing Robots, WCRs),已開發出多種附著技術,包括磁性吸附、負壓吸附、靜電吸附與仿生黏附等。每種技術皆具有不同的適用場景與性能特性,例如磁吸方式適用於金屬表面且穩定性佳,但不適用於非鐵材質;負壓吸附可廣泛應用於光滑表面,但對能耗與表面密封性要求較高;仿生黏附與靜電吸附則因具有低損耗與柔性設計潛力,受到近年來研究者的高度關注。目前攀爬機器人的研發仍持續針對數項技術進行挑戰,例如在結構設計上如何在輕量化與強度間取得平衡、在控制策略上如何實現穩定與靈活兼具的運動規劃,以及在感知與定位方面如何適應多變且不規則的實際工作環境。此外,機器人如何在不同表面間自由轉換、如何攀爬轉角或克服障礙,以及如何整合人工智慧實現自我學習與決策,亦是熱門研究的方向。
綜上所述,攀爬機器人技術具備龐大的應用價值,是推動未來城市與工業製造進行智慧巡檢維護的基礎之一。本文將透過對現有關鍵技術的彙整與未來挑戰的探討,簡介說明攀爬機器人的技術內容與應用。
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2025年08月號
(單篇費用:參考材化所定價)