王會芝

（太原學(xué)院，山西 太原 030032）

制造業(yè)生產(chǎn)加工過程中，有大量工序涉及毛邊打磨、局部平整與特殊部位拋光等，以此實現(xiàn)將毛坯或半成品加工制作為可以應(yīng)用于特殊場景并服務(wù)特定需求的精細(xì)化產(chǎn)品。隨著人口紅利逐漸消退以及勞動成本快速提升，在中國制造業(yè)發(fā)展水平提升帶來制造精細(xì)化加工需求增長的背景下，定向服務(wù)于管道等人工難以開展工作區(qū)域的光整打磨機器人技術(shù)也逐漸發(fā)展完善。從目前設(shè)計思路及應(yīng)用經(jīng)驗來看，管道光整打磨機器人能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境、高強度的持續(xù)工作需求、以及成本可控且質(zhì)量較好的表面打磨清理工作，以自動化機械的方式提升了管道平整工作效率，具有較好的技術(shù)基礎(chǔ)以及應(yīng)用場景。

1 管道內(nèi)壁打磨機器人介紹

管道經(jīng)過出廠制備后形狀與性質(zhì)基本固定，在長期使用過程中可能出現(xiàn)生銹、堵塞、開裂等問題，但是一體化的設(shè)計使其難以通過人工簡單拆卸實現(xiàn)打磨與維修，管道狹小逼仄的內(nèi)部空間也使得工人健康、工作質(zhì)量、成本控制難以保障?；诖?，管道打磨機器人得以設(shè)計和應(yīng)用。管道打磨機器人是一種通過自動定位、智能控制和機械臂等技術(shù)組合并實現(xiàn)管道內(nèi)定向行走、遙感觀測和內(nèi)壁光整打磨等工作的新型機電一體化裝置，能夠攜帶一種或多種傳感器及操作裝置，如電荷耦合器件攝像機、位置和姿態(tài)傳感器、管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置等，在操作人員的遠(yuǎn)距離控制下，進(jìn)行一系列管道檢測維修作業(yè)。管道內(nèi)壁打磨機器人不僅可以應(yīng)用于精密設(shè)備制造，還可以用于長期使用設(shè)備的檢修與維護(hù)，極大程度減少人工耗費、提升工作效率、保障光整打磨質(zhì)量。

管道打磨機器人實質(zhì)上是現(xiàn)代信息技術(shù)、遙感控制技術(shù)、機械工程技術(shù)等綜合應(yīng)用的技術(shù)集合。這一方案的提出極大程度上突破了人工對現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的限制，實現(xiàn)了管道檢測的距離、寬度和精度的提升，減少了安全事故發(fā)生的概率，避免大范圍挖掘或局部隔斷對人們?nèi)粘Ｉ钜约肮I(yè)生產(chǎn)進(jìn)程產(chǎn)生的負(fù)面影響。國外在此方面具有一定的技術(shù)優(yōu)勢并以將其應(yīng)用于核工業(yè)、應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)難控制、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。國內(nèi)持續(xù)優(yōu)化技術(shù)升級和方案設(shè)計思路，目前已經(jīng)在汽車零部件制造、衛(wèi)浴用品加工、醫(yī)療器械制造等方面實現(xiàn)了小規(guī)模應(yīng)用，也為其應(yīng)用范圍擴大提供了示范。管道打磨機器人以其突出優(yōu)勢已經(jīng)成為交互機器人研發(fā)領(lǐng)域的新熱點。

2 管道內(nèi)壁打磨機器人應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

管道內(nèi)壁打磨機器人需要實現(xiàn)聽取指令進(jìn)入管道并通過控制實現(xiàn)打磨等工作的目標(biāo)，因此機器人的使用需要保證定向識別、末端執(zhí)行、遙感和誤差控制以及路徑規(guī)劃跟蹤各項功能有序開展，相應(yīng)技術(shù)需要實現(xiàn)模塊間交叉配合。

2.1 定向識別

不同于早期機器人通過簡單的指令下發(fā)-傳達(dá)-執(zhí)行實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，管道打磨機器人作為新型機器人，已經(jīng)可以配備視覺、聽覺。觸覺等傳感設(shè)備，通過其自主接觸、信息識別、信息分析、學(xué)習(xí)輸出的方式，建立關(guān)于自動規(guī)劃打磨與工藝優(yōu)化提升的專項數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)光整打磨智能判斷與至少完成最低預(yù)期目標(biāo)的靈活工作方式?；诙ㄏ蜃R別技術(shù)，管道打磨機器人突破了原有需要人工先行了解管道情況之后才能下達(dá)指令的限制，能夠應(yīng)對復(fù)雜形狀、突發(fā)情況等作出自主判斷，運用模糊預(yù)測算法幫助人們作出決定，顯著節(jié)約了光整過程工作時間并提升了加工打磨質(zhì)量。

2.2 末端執(zhí)行設(shè)備

末端執(zhí)行設(shè)備是管道打磨機器人得以實現(xiàn)光整打磨工作目標(biāo)的直接工具，一般而言這一設(shè)備安裝于伸縮便捷、操作順利的機器人環(huán)信息接受與傳輸設(shè)備主體周圍，具體體現(xiàn)為光整打磨頭、夾取工具等，分為高打磨率的硬質(zhì)材料工具和高精度要求的軟性材料工具兩大類。末端執(zhí)行設(shè)備的配置能夠幫助管道打磨機器人在不同形狀、不同粗細(xì)和不同接觸面的密閉或半密閉空間內(nèi)實現(xiàn)準(zhǔn)確作業(yè)，也可以實現(xiàn)管道局部修復(fù)、清潔等相關(guān)工作，目前已經(jīng)應(yīng)用于船體管道平整工作場景的吸附打磨，鋼板焊接殘留物的管道平整機器人就配備了混合型機械操作裝置，一方面能夠基于實施控制和智能評價測量預(yù)期操作范圍、實現(xiàn)時間及預(yù)期結(jié)果，還能通過動態(tài)監(jiān)測與方案調(diào)整配合不同精度操作需求實現(xiàn)準(zhǔn)確作業(yè)，運用打磨頭、自由調(diào)節(jié)機械手和有軌移動底座的配合減少打磨工作中可能出現(xiàn)的誤差，實現(xiàn)高效打磨。

2.3 遙控與誤差控制策略

定向識別和末端執(zhí)行技術(shù)都是管道打磨機器人功能得以發(fā)揮的重要支持，但是其工作開展的關(guān)鍵要素則是遙感與控制策略。管道打磨機器人的行進(jìn)方向、風(fēng)險判斷、方案設(shè)計和工作命令執(zhí)行均需要統(tǒng)一的控制中心實現(xiàn)信息獲取、傳遞與指令調(diào)用，而管道機器人工作的區(qū)間通常存在高溫、高腐蝕性、沉浸水面以下等一項或多項特征，難以實現(xiàn)有線控制，信號傳遞具有復(fù)雜性、不可控性和高精準(zhǔn)性，因此需要高敏感度的配套遙感設(shè)備應(yīng)用其中。

從控制策略來看，打磨機器人需要有高精度的信息獲取、控制分析與準(zhǔn)確打磨功能，目前通過的管道打磨機器人控制策略集中于兩大方向。其一是阻抗控制，即運用紅外創(chuàng)感等工作原理，動態(tài)收集移動過程中當(dāng)前作業(yè)區(qū)位與預(yù)期成果定位范圍之間的偏差度，收集分析位置誤差、速度誤差等數(shù)據(jù)實現(xiàn)力度與剛度等作用力和作用方向的調(diào)整，當(dāng)即將觸達(dá)預(yù)期邊界時則轉(zhuǎn)用軟性材料進(jìn)行打磨平整。其二是力/位混合控制，即機器人以獨立的形式同時控制力和位置，在待打磨表面的方向使用在沒有位置約束的切向方向使用位置控制，但是這一控制方法存在運算總量大且穩(wěn)定性不足的劣勢，在實際應(yīng)用中難以有效推進(jìn)。近年來隨著管道內(nèi)壁打磨機器人應(yīng)用案例增加，基于工具負(fù)載的重力補償算法和基于阻抗內(nèi)環(huán)的力外環(huán)控制策略也被提出，在這一控制模式下，機器人可以通過計算期望力與實際力的誤差對機器人軌跡進(jìn)行修正，有效規(guī)避了穩(wěn)定性不足的問題，能夠使管道內(nèi)壁打磨過程中用力更加精準(zhǔn)與均勻，顯著提升了機器人的智能化水平。

2.4 軌跡規(guī)劃和路徑跟蹤

管道內(nèi)壁機器人的打磨工作開展過程是一個動態(tài)連續(xù)的過程，機器人的行進(jìn)路線、打磨用力方式都需要進(jìn)行軌跡規(guī)劃與路徑跟蹤，以便最終實現(xiàn)內(nèi)壁光整的目標(biāo)。目前常用的方式是A*算法、快速行進(jìn)法(FMM)、非線性規(guī)劃法、進(jìn)化算法等，其技術(shù)核心是基于連續(xù)工作狀態(tài)建立連續(xù)工作的自適應(yīng)模型并運用計算機算法得到關(guān)于機器人在線軌跡的預(yù)測和打磨模型的預(yù)測。智能控制策略與最優(yōu)路徑規(guī)劃相結(jié)合的方法能有效地減輕管道內(nèi)壁打磨機器人的結(jié)構(gòu)振動，進(jìn)而提升其系統(tǒng)穩(wěn)定性和打磨操作精度。

3 管道內(nèi)壁打磨機器人的優(yōu)化發(fā)展方向

3.1 控制精度提升

隨著國內(nèi)制造業(yè)生產(chǎn)內(nèi)容技術(shù)水平與工藝進(jìn)度持續(xù)提升，服務(wù)于特殊環(huán)境并能適應(yīng)多元幾何形狀對象的管道打磨機器人應(yīng)用范圍也持續(xù)擴大。從目前發(fā)展情況來看，管道內(nèi)壁打磨機器人的電力傳輸、數(shù)據(jù)采集以及行走摩擦影響仍存在問題?；诖?，未來管道內(nèi)壁打磨機器人將考慮進(jìn)行優(yōu)化，配置橡膠外殼，體內(nèi)放置單片機、控制電路、傳感器、發(fā)光二極管等設(shè)備，拓展刮削、攪拌、過濾、推進(jìn)一體多元操作設(shè)備等方式對管道內(nèi)壁打磨機器人進(jìn)行優(yōu)化，使得機器人適應(yīng)更為復(fù)雜的環(huán)境，實現(xiàn)提升信息傳輸與判斷精度、提供更高質(zhì)量服務(wù)、減少維修保養(yǎng)費用等方面的功能優(yōu)化。

3.2 適用多元場景

管道內(nèi)壁機器人具有高溫、防水、耐腐蝕等突出優(yōu)勢，目前國內(nèi)外均將其小規(guī)模應(yīng)用于大型工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)制造、維護(hù)保養(yǎng)等領(lǐng)域。未來，隨著管道打磨機器人技術(shù)成熟、成本控制與規(guī)模量產(chǎn)，其不僅能廣泛用于汽車零部件管道制備清理、固體火箭發(fā)動機殼體內(nèi)壁絕熱層打磨作業(yè)、船只和城市地下管網(wǎng)水下管道打磨等領(lǐng)域，還有機會走入人們的日常生活，應(yīng)用于家用管道疏通修復(fù)、電器清理保養(yǎng)等家居領(lǐng)域，為人們的日常生活提供便利。

4 結(jié)語

總結(jié)來看，隨著機械控制技術(shù)提升、機械精度提高以及管道平整要求提高，管道打磨機器人的定向識別、末端執(zhí)行設(shè)備應(yīng)用、遙控與誤差控制策略和軌跡規(guī)劃和路徑跟蹤技術(shù)也實現(xiàn)了持續(xù)發(fā)展與整合應(yīng)用。管道打磨機器人具有控制進(jìn)度提升和適用多元場景等發(fā)展?jié)摿Γ袡C會進(jìn)一步服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)、日常生活等領(lǐng)域，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步提供支持。