喬晉崴 尚建忠 陳 循 羅自榮

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),長沙,410073

0 引言

在石油化工、制冷與核發(fā)電等行業(yè)中大量使用著形狀各異、內(nèi)徑不等的各種管道,長期使用所造成的腐蝕或機(jī)械損傷會引起裂縫,容易釀成重大事故。管內(nèi)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展為該問題的解決提供了一條新的途徑。小口徑管內(nèi)機(jī)器人主要指適用管道直徑小于80mm[1]、可攜帶相關(guān)儀器設(shè)備進(jìn)入管道內(nèi)部進(jìn)行無損檢測或維修的移動平臺,通過及時獲得管道內(nèi)壁的實時狀態(tài)參數(shù)可減小因管道泄漏所帶來的環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)損失。

小口徑管內(nèi)機(jī)器人的研究機(jī)構(gòu)在國外主要有東京工業(yè)大學(xué)、名古屋大學(xué)、Denso公司、METTEC公司、三菱公司、L.M.S實驗室、L.A.B實驗室、L.A.I實驗室,以及美國加州理工大院等;國內(nèi)則主要有上海大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、廣州工業(yè)大學(xué)與國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)等。

一個完整的具有自主驅(qū)動能力的管內(nèi)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)由移動機(jī)構(gòu)、管道內(nèi)部環(huán)境識別與檢測系統(tǒng)、信號傳遞和動力傳輸系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成[2]。其中移動機(jī)構(gòu)是確保管內(nèi)機(jī)器人實現(xiàn)有效運動的核心部分,主要包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)與支撐機(jī)構(gòu),前者為機(jī)器人的動力輸出部分,后者則負(fù)責(zé)與管壁產(chǎn)生接觸,形成力與形的封閉。驅(qū)動機(jī)構(gòu)形式主要有電機(jī)式、氣壓式、壓電陶瓷(PZT)式、超強(qiáng)磁致合金(GMA)式、記憶合金(SMA)式;支撐機(jī)構(gòu)則主要有輪式、彈性腿式、SMA式、氣囊式和其他擠壓結(jié)構(gòu)形式等。上述驅(qū)動機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)不同類型機(jī)構(gòu)之間相互組合可形成多種形式的管內(nèi)機(jī)器人,但由于小口徑管道的尺寸限制,其移動方式主要表現(xiàn)為輪式、蠕動式與振動式三種類型。

1 輪式小口徑管內(nèi)機(jī)器人

輪式小口徑管內(nèi)機(jī)器人的基本工作原理為：驅(qū)動輪依靠重力、彈簧力、磁性力等壓緊在管道內(nèi)壁上以支承機(jī)器人本體并產(chǎn)生一定的正壓力,由驅(qū)動輪與管壁之間的摩擦力產(chǎn)生機(jī)器人前后行走的驅(qū)動力,以實現(xiàn)機(jī)器人的移動[3]。輪式管內(nèi)機(jī)器人在目前實際工程中應(yīng)用最多,分為直進(jìn)式與螺旋式,前者驅(qū)動輪與行進(jìn)方向平行,后者驅(qū)動輪與行進(jìn)方向成一定角度,基于螺旋傳動思想,由傾斜安裝的摩擦輪與管壁之間的摩擦推力產(chǎn)生運動[4]。

直進(jìn)式移動方式出現(xiàn)較早,日本學(xué)者福田敏男、細(xì)貝英夫于1986年研制了一種可通過 L形圓弧管道的管內(nèi)機(jī)器人,適應(yīng)管徑為φ50mm,速度為8.1mm/s,可轉(zhuǎn)彎但不可逆行[5]。國內(nèi)對輪式微管內(nèi)機(jī)器人的研究起步較晚,1995年哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全等[6]開展了可用于內(nèi)徑大于φ75mm的管內(nèi)補(bǔ)口作業(yè)機(jī)器人的研究。為了提高管內(nèi)移動機(jī)構(gòu)的負(fù)載能力、運行速度以及對管徑變化與彎管的適應(yīng)性,2006年北京石油化工學(xué)院田海晏等[7]成功設(shè)計了如圖1所示的由蝸輪蝸桿和齒輪組嚙合、單電機(jī)驅(qū)動的直進(jìn)輪式微型管內(nèi)檢測機(jī)器人。2009年中國科學(xué)院沈陽自動化研究所完成了具有自適應(yīng)能力的管內(nèi)機(jī)器人,在不增加驅(qū)動電機(jī)數(shù)量的前提下,機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)能夠在管道直徑改變時,自動改變行走部件的輸出形式以克服障礙,完成越障任務(wù)[8]。

圖1 直進(jìn)輪式

基于螺旋驅(qū)動原理的小口徑管內(nèi)機(jī)器人最早于1994年由日本東京工業(yè)大學(xué)的Iwao等[9]研發(fā)成功,該機(jī)器人可在內(nèi)徑為φ25.4mm的管道內(nèi)自由移動,直管道中的最大牽引力為12N,隨后相繼實現(xiàn)了對φ20mm管道的內(nèi)部檢測。國內(nèi)國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)于2006年設(shè)計的螺旋式小口徑管內(nèi)機(jī)器人可適用的管道內(nèi)徑為φ20mm[10]。為了提高機(jī)器人的管道適應(yīng)性,蘇毅等[11]于2008年提出了一種同軸雙牽引輪組螺旋驅(qū)動機(jī)器人,該機(jī)器人可實現(xiàn)跨空行走、彎道引導(dǎo)、逾越障礙等。同時期一種帶有檢測功能的螺旋式小口徑管內(nèi)機(jī)器人在沈陽自動化所研制成功[12]。

輪式小口徑管內(nèi)機(jī)器人的能源利用率高,運動速度快,但存在適應(yīng)性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不利于小型化的缺點。該類機(jī)器人實現(xiàn)有效行走的前提為滾動輪與管壁之間預(yù)緊力大小保持適中,當(dāng)管徑有所變化時將出現(xiàn)牽引力過小或速度過小的情形,如需通過管道的彎曲部位則更需要專門的機(jī)械機(jī)構(gòu)或控制方法。

螺旋式管內(nèi)機(jī)器人雖然可通過調(diào)整速度來主動調(diào)整牽引力,但由于周向螺旋力的存在使得機(jī)器人主體存在著沿管道圓周方向轉(zhuǎn)動的趨勢,同時,該類機(jī)器人較直輪式更難通過彎管。

2 蠕動式小口徑管內(nèi)機(jī)器人

蠕動式小口徑管內(nèi)機(jī)器人的運動是通過模仿蚯蚓、毛毛蟲等尺蠼類動物的伸縮運動來實現(xiàn)的,其研究最為引人關(guān)注[13]。該類機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成為前后各一組支撐機(jī)構(gòu),中間為伸縮機(jī)構(gòu),如圖2所示。圖2中由狀態(tài)1到狀態(tài)3為小口徑管內(nèi)機(jī)器人的一個運動周期,狀態(tài)1通過伸縮機(jī)構(gòu)的收縮運動轉(zhuǎn)化為狀態(tài)2,在此過程中支撐機(jī)構(gòu)2與管壁保持靜止,支撐機(jī)構(gòu)1沿管道滑動;狀態(tài)2到狀態(tài)3為單向機(jī)構(gòu)的伸長過程,期間支撐機(jī)構(gòu)1、支撐機(jī)構(gòu)2分別與管壁保持靜止與滑動,完成一個運動周期后,機(jī)器人的有效行程為ΔL。該類機(jī)器人主要包括氣壓式、超越式、慣性沖擊式與SMA式等。

圖2 蠕動式機(jī)器人運動原理

2.1 氣壓式

氣壓式小口徑管內(nèi)機(jī)器人分為兩種,一種以氣缸為動力源,另一種則采用氣囊等作為支撐機(jī)構(gòu)[14-16]。2007年韓國漢陽大學(xué)Lim等[17]設(shè)計了一種氣囊式蠕動式小口徑管內(nèi)機(jī)器人,該機(jī)器人巧妙地采用一根氣管對三個氣囊進(jìn)行順序充氣或排氣,實現(xiàn)了機(jī)器人本體的前進(jìn)與后退,并在此基礎(chǔ)上成功研發(fā)了直徑為φ10mm的試驗樣機(jī),其基本運動機(jī)理如圖3所示。

1.自我評價。作文寫好后，要讓同學(xué)們自己讀讀，反復(fù)推敲。有沒有漏字、錯字、別字現(xiàn)象；有沒有語句不通順，詞語搭配不當(dāng)?shù)牡胤健W(xué)生大都可以勝任，老師就可以完全放手，給學(xué)生充分鍛煉的機(jī)會。

浙江工業(yè)大學(xué)都明宇等[18]于2003年開始設(shè)計一種基于氣動驅(qū)動器的新型蠕動式小口徑管內(nèi)機(jī)器人,其驅(qū)動器結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要由橡膠管和端蓋組成,橡膠管的管壁中纏繞有螺距很小的鋼絲線圈,當(dāng)橡膠驅(qū)動器充入高壓氣體時只能沿軸向伸長,從而實現(xiàn)了定向驅(qū)動。

氣壓式小口徑管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單,制造成本低,易于小型化,牽引力大,對管道的適應(yīng)能力強(qiáng),但運動速度較慢。

2.2 超越式

為了克服一般小口徑管內(nèi)移動機(jī)器人牽引力小、行走速度慢的缺點,哈爾濱工業(yè)大學(xué)于殿勇等[19]于1994年提出了如圖5所示的采用超越方式行走的蠕動式管內(nèi)移動機(jī)器人運動原理,并研制了可在φ80mm～φ90mm管道內(nèi)行走的試驗樣機(jī)。該機(jī)器人在兩端的支撐機(jī)構(gòu)處安裝了超越行走裝置,可以保證機(jī)器人在管內(nèi)單方向超越行走。

圖3 氣囊式小口徑機(jī)器人運動機(jī)理

圖4 驅(qū)動器

圖5 超越式小口徑管內(nèi)機(jī)器人

采用超越方式行走的小口徑管內(nèi)機(jī)器人通過采用超越裝置有效地解決了機(jī)器人行走時驅(qū)動力、機(jī)構(gòu)與管壁間正壓力、摩擦力之間的矛盾,較大程度地增大了牽引力與運動速度,為小口徑管內(nèi)機(jī)器人的工程化開辟了一條新的路徑。

2.3 慣性沖擊式

慣性沖擊式管內(nèi)機(jī)器人的基本運動機(jī)理如圖6所示,主要由驅(qū)動元件與配重組成,通過合理配置驅(qū)動元件和配重的相對質(zhì)量、控制驅(qū)動元件伸縮的快慢即可實現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)部的雙向運動。根據(jù)驅(qū)動元件的不同分為壓電PZT式與電磁式等。

圖6 壓電慣性沖擊式小口徑管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)理

1995年出現(xiàn)了第一臺基于慣性沖擊式驅(qū)動原理的微管內(nèi)機(jī)器人,該機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)由彈性支撐腿、壓電陶瓷驅(qū)動器及慣性質(zhì)量塊組成[20]。如圖6a所示,該機(jī)器人向右移動時壓電驅(qū)動器慢速伸展,保持慣性沖擊塊的慣性力小于支撐腿與管壁之間的靜摩擦力,此時機(jī)器人本體將保持靜止;然后壓電驅(qū)動器快速收縮,使慣性力大于靜摩擦力,則機(jī)器人將向前移動一段距離;如此反復(fù)可實現(xiàn)機(jī)器人的向右運動。將壓電驅(qū)動器的伸縮快慢順序交換,機(jī)器人將向左運動,如圖6b所示。

該機(jī)器人可適應(yīng)管徑為φ8mm、移動速度達(dá)10mm/s的管道環(huán)境。為了解決疊堆型壓電驅(qū)動器發(fā)熱嚴(yán)重的問題,Denso公司于1997年推出了四層雙壓電薄膜驅(qū)動器并于1999年將該機(jī)器人改為無線方式,實現(xiàn)了機(jī)器人的高度集成化[21]。特別地,為了提高驅(qū)動效率,國內(nèi)上海大學(xué)、大連理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)在壓電PZT驅(qū)動器的基礎(chǔ)上先后提出了層疊型PZT驅(qū)動器、雙壓電薄膜PZT驅(qū)動器和鈸形壓電復(fù)合驅(qū)動器。

圖7 電磁沖擊式小口徑管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)理

慣性沖擊式小口徑管內(nèi)機(jī)器人體積小、分辨率高、頻率響應(yīng)高、機(jī)械-電能轉(zhuǎn)換系數(shù)大,但存在驅(qū)動力較小的問題。由圖6、圖7可知,該類機(jī)器人產(chǎn)生有效位移所需滿足的基本條件為：驅(qū)動力小于支撐腿與管壁間的逆向靜摩擦力,同時還須小于壓電驅(qū)動器產(chǎn)生的慣性推動力與順向靜摩擦力之差。

2.4 SMA式

形狀記憶合金經(jīng)特定的記憶處理,低溫下發(fā)生塑性變形,當(dāng)溫度升高到相變溫度點時,合金形狀將回復(fù)到最初狀態(tài)?；谠撛?法國L.M.S實驗室、L.A.B實驗室與L.A.I實驗室于2000年相繼進(jìn)行了三種不同類型SMA式小口徑管內(nèi)機(jī)器人的研究,均取得良好效果,實現(xiàn)了管道內(nèi)的精確定位[15]。2006年,意大利的 Arianna等[23]應(yīng)用SMA的蠕動原理研制成功的小口徑管內(nèi)機(jī)器人,具有與毛毛蟲完全一致的外形及運動模式。

上海交通大學(xué)于2005年成功研制了一種基于SMA的管內(nèi)蠕動機(jī)器人,該機(jī)器人的外觀呈正方體形,由位于正方體棱邊處的12個尺寸相同的SMA直線驅(qū)動器和位于頂點處的8個尺寸相同的支撐腳連接而成[24]。為了提高機(jī)器人的彎管適應(yīng)能力,2006年王坤東等[25]將SMA應(yīng)用于導(dǎo)向機(jī)構(gòu),機(jī)器人頭部偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在SMA的驅(qū)動作用下,可以實現(xiàn)頭部姿勢的調(diào)整,以完成腔道內(nèi)壁的掃描與導(dǎo)向。2007年,浙江大學(xué)采用三段SMA作為驅(qū)動源設(shè)計的機(jī)器人具有可避障、可控制其步長、機(jī)構(gòu)靈活等特點[26]。

形狀記憶合金作為微驅(qū)動器具有位移輸出大、定位精度高等優(yōu)點,但其響應(yīng)速度慢,對環(huán)境溫度的限制高,應(yīng)用范圍較窄。

3 振動式小口徑管內(nèi)機(jī)器人

GMA在外磁場的作用下會產(chǎn)生沿磁力方向相對形變的現(xiàn)象。表1所列為GMA與PZT的參數(shù)對比,通過對比可以發(fā)現(xiàn)GMA具有較為優(yōu)良的驅(qū)動性能。

1990年日本東京工業(yè)大學(xué)研制成功一種基于GMA驅(qū)動的小口徑管內(nèi)機(jī)器人,該機(jī)器人直徑為21mm,有16個振動腿,在外部磁場的激勵下產(chǎn)生振動,通過放大裝置將GMA輸出位移放大到振動腿的頂部即可實現(xiàn)行走,振動腿與管壁形成一定傾角,改變傾角方向可實現(xiàn)反方向行走[27]。

GMA與PZT的性能參數(shù)比較如表1所示。GMA材料的使用較PZT有較大程度的提高,且不需能量輸入線纜,但能量及運動控制均依靠管道外部的外加磁場,因此該類機(jī)器人的應(yīng)用將很大程度地依賴于能源與信號無纜傳輸技術(shù)的發(fā)展。

表1 GMA與PZT性能參數(shù)比較

4 發(fā)展方向

小口徑管內(nèi)機(jī)器人技術(shù)的研究按其系統(tǒng)組成可分為四個階段：移動機(jī)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化,特殊傳感器的設(shè)計,能源與信號傳輸?shù)臒o纜化以及自主控制的實現(xiàn)。

4.1 特殊傳感器設(shè)計

機(jī)器人在管道內(nèi)進(jìn)行檢測或維修時與外界完全隔離,需要對其所處位置、運行速度、工作姿態(tài)與周圍環(huán)境等狀態(tài)進(jìn)行判別,同時還需探測、存儲管道內(nèi)的各種信息。傳感器的使用成為必須,但由于管內(nèi)作業(yè)環(huán)境具有狹小、密閉、陰暗、屏蔽等特殊性,常規(guī)傳感器、信號處理與傳輸方式均無法直接使用,目前僅有東京工業(yè)大學(xué)、日本Denso公司和日本東芝公司的小口徑機(jī)器人帶有傳感器[28]。因此,小口徑管內(nèi)機(jī)器人所攜帶的傳感器系統(tǒng)必須具有較高的集成度與可靠性,傳感器性能的好壞將直接影響后續(xù)工作的難易程度,如所需傳輸?shù)男盘柫?。目前小口徑管?nèi)機(jī)器人自身工作狀態(tài)的判別只能借助于管外激光干涉儀和管外跟隨裝置間接實現(xiàn)[29]。

4.2 能源與信號傳輸?shù)臒o纜化

目前小口徑管內(nèi)機(jī)器人主要通過拖纜進(jìn)行能源的供給與信號的傳遞,拖纜與管道之間所產(chǎn)生的摩擦力不可忽略,尤其是存在彎管或長距離作業(yè)時將出現(xiàn)電纜摩擦力遠(yuǎn)大于有效負(fù)載的情形。因此,無纜驅(qū)動技術(shù)的研究具有重要的意義,是提高小口徑管內(nèi)機(jī)器人可靠性與可行性的關(guān)鍵[30]。

由于一般工業(yè)管道多為彎曲的金屬管道,對無線信號的屏蔽現(xiàn)象非常嚴(yán)重,信號的傳輸質(zhì)量會受影響,因此需針對管道特殊性的有效信號傳輸方式進(jìn)行相應(yīng)研究。同時數(shù)據(jù)量的大小直接決定著傳輸負(fù)載的大小,因此提高微圖像處理技術(shù)與數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)將具有重要的意義。

無纜驅(qū)動主要有外場直接驅(qū)動與外場間接驅(qū)動兩種形式,前者包括光波、磁場、超聲波、微波以及熱能等形式,后者則有光電轉(zhuǎn)化與電磁轉(zhuǎn)化等形式,針對不同的應(yīng)用場合應(yīng)選取合適的驅(qū)動外場,以達(dá)到最高的傳輸效率。其中外磁場驅(qū)動方式研究與應(yīng)用最為廣泛[31],1999年日本Denso公司對PZT型管內(nèi)機(jī)器人采用射頻技術(shù)首次成功實現(xiàn)了無線能量與信號的傳輸[21]。

4.3 控制自主化

當(dāng)機(jī)器人在管道中遇到管徑變化、彎道、T形或L形接頭等復(fù)雜環(huán)境時,需提前對自身姿態(tài)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。對調(diào)整動作的主動控制不容易掌握調(diào)整量與調(diào)整時機(jī),難以順利越障,因此需要管內(nèi)機(jī)器人進(jìn)行自主控制,在對其所采集的圖像進(jìn)行實時分析的基礎(chǔ)上自動進(jìn)行姿態(tài)的預(yù)前調(diào)整。

某些工作需多個機(jī)器人通過相互協(xié)調(diào)配合來完成,此時面向管道檢測的多機(jī)器人移動、控制協(xié)調(diào)及集成技術(shù)的研究成為必須?？刂谱灾骰殉蔀樾】趶焦軆?nèi)機(jī)器人真正實現(xiàn)工程化的關(guān)鍵所在。

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