用于工業(yè)管道內(nèi)作業(yè)的細(xì)小機(jī)器人

1 引言

　　現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中使用著大量管道，如核電廠的蒸汽發(fā)生器傳熱管、石油、化工、制冷行業(yè)的工業(yè)管道和煤氣管道等，多數(shù)管道安裝環(huán)境人不能直接到達(dá)或不允許人直接介入，為了進(jìn)行質(zhì)量檢測和故障診斷，采用傳統(tǒng)的全面挖掘法、隨機(jī)抽樣法或SCADA 系統(tǒng)法，工程量大，準(zhǔn)確率低，因此需要開發(fā)管道機(jī)器人來解決這些實際問題。管道機(jī)器人是一種可沿管道內(nèi)部或外部移動，攜帶一種或多種傳感器及操作器，在操作人員的遙控操作或計算機(jī)的自動控制下，能夠進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)電儀一體化系統(tǒng)[1 ] 。管道機(jī)器人可完成的作業(yè)有生產(chǎn)、安裝過程中的管內(nèi)外質(zhì)量檢測；使用過程中焊縫情況、表面腐蝕、裂縫破損等故障診斷；惡劣環(huán)境下管道清掃、噴涂、焊接、內(nèi)部拋光等維護(hù)；對埋地舊管道的修復(fù)；管內(nèi)外器材運(yùn)送、搶救等其他用途。

2 國外細(xì)小管道管外機(jī)器人的典型系統(tǒng)

　　日本奧林帕斯光學(xué)有限公司的研究人員發(fā)明了適用于密閉容器管道或管束間的狹窄復(fù)雜區(qū)域檢修作業(yè)的導(dǎo)管型微機(jī)器人[2 ] 。該機(jī)器可以通過小孔進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的傳熱管束間、電站渦輪機(jī)等的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，無須拆卸機(jī)械系統(tǒng)就可檢查狹窄區(qū)域，并可以修復(fù)輕微損傷處。圖1 為導(dǎo)管型微機(jī)器人的示意圖，它由多自由度彎曲導(dǎo)管單元、修理操作手、1 個焊接設(shè)備、1對位姿探測設(shè)備和1 個監(jiān)視設(shè)備組成。多自由度彎曲導(dǎo)管是這個系統(tǒng)的主體，外徑8 mm；彎曲機(jī)構(gòu)采用氣壓驅(qū)動器，因其輸出功率高，所以這個單元是用多腔彈性聚合物制成，它具有能進(jìn)入復(fù)雜狹窄區(qū)域的彎曲功能。機(jī)器人的末端裝有1 對位姿檢測設(shè)備，1 個監(jiān)視設(shè)備和1 個修理單元。修理單元由1 對直徑3 mm的機(jī)械手和1 個焊接設(shè)備組成；焊接設(shè)備可以焊接管子里面微小尺寸的裂紋；位姿檢測設(shè)備是微小精密陀螺儀；監(jiān)視設(shè)備由微激光掃描器和光學(xué)傳感器組成，能測量缺陷大小和環(huán)境溫度，并判斷復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)部的上下方向。修理操作手用SMA 盤制成。奧林帕斯光學(xué)有限公司開發(fā)了基于MIF (Multifunction Integrated Film ，多功能集成薄膜) 的三維安裝技術(shù)來集成導(dǎo)管型微機(jī)器人的功能設(shè)備。MIF 是用半導(dǎo)體制造技術(shù)來制作整塊設(shè)備，這項技術(shù)能夠在幾微米厚的柔性薄膜上高密度地集成導(dǎo)線和其他電子設(shè)備，在狹窄空間內(nèi)精確地布置幾個復(fù)雜的設(shè)備。MIF 技術(shù)高度集成安裝了監(jiān)視設(shè)備和位姿檢測設(shè)備等功能部件。

圖1 奧林帕斯光學(xué)有限公司的導(dǎo)管型微機(jī)器人

　　日本三菱電機(jī)公司、住友電氣工業(yè)公司和松下技研公司共同研制出用于核電站蒸汽發(fā)生器的傳熱管外表面檢測的鏈?zhǔn)轿⑿�機(jī)器人系統(tǒng)[3 ] 。如圖2 所示，它是一個分布式機(jī)器人自治系統(tǒng)，功能任務(wù)通過分配給各個單獨(dú)的微機(jī)器人單元，也通過微機(jī)器人間的合作完成。單個微機(jī)器人可攜帶傳感器在管板上狹窄的管束間移動，對管板與傳熱管的交接處進(jìn)行檢測；多個微機(jī)器人可通過自身的連接器組合成一個封閉鏈，繞套在傳熱管外面上下移動檢測。其關(guān)鍵技術(shù)有微小零部件的設(shè)計、制造、裝配，微機(jī)器人單元之間的機(jī)電連接和分離，多微機(jī)器人協(xié)調(diào)等技術(shù)。圖3 為開發(fā)出的微機(jī)器人單元樣機(jī)，它的尺寸在5 mm ×9 mm ×615 mm以內(nèi)，質(zhì)量為0142 g ，移動速度為2 mm/ s. 該單元樣機(jī)由特制的超微馬達(dá)驅(qū)動，機(jī)器人單元兩端各有1 個輪式減速行走機(jī)構(gòu)，每個輪式減速行走機(jī)構(gòu)有3 個磁性輪，1 個輪子由微馬達(dá)通過微減速器驅(qū)動，另2 個是水平隨動輪和垂直隨動輪，當(dāng)在管板上面或傳熱管外表面移動時，主動輪和某一個隨動輪跟移動表面接觸，微機(jī)器人的轉(zhuǎn)向是通過兩端主動驅(qū)動輪的差速來實現(xiàn)的。微馬達(dá)和微減速器的設(shè)計制造是微機(jī)器人實現(xiàn)的關(guān)鍵， 微馬達(dá)直徑為116 mm ， 長2 mm ， 轉(zhuǎn)速為4 000 r/ min. 微小減速器尺寸在5 mm ×5 mm ×115 mm以內(nèi)，采用3 k型行星齒輪系統(tǒng)，減速比為201 ，微齒輪模數(shù)為0103 mm ，通過微細(xì)電火花加工方法制造。接收到外部指令后，微小連接器能和相鄰的微機(jī)器人單元間建立起機(jī)械的和電氣的連接， 連接器直徑215 mm，厚2 mm ，由永磁鐵、螺旋彈簧和電磁鐵等組成。多個微機(jī)器人可以通過連接器連接成一圈，套在熱交換管道外表面上移動。鏈?zhǔn)轿⑿�機(jī)器人系統(tǒng)亟待解決的問題有能量、控制信號、檢測信號傳輸?shù)臒o纜化以及微機(jī)器人單元的定位技術(shù)。

　　由美國聯(lián)合愛迪生公司、帝國能源研究公司、公共電氣服務(wù)公司和電力研究院組成的一個研究團(tuán)體與福斯特·米勒有限公司簽定協(xié)議，合作研制出了用于蒸汽發(fā)生器傳熱管管間檢查和清洗的機(jī)器人系統(tǒng)，形成了一套成熟的技術(shù)[4 - 6 ] 。該機(jī)器人技術(shù)被稱作CECIL (Consolidated Edison Combined Inspection and Lancing System ，聯(lián)合愛迪生公司檢查和沖洗一體化系統(tǒng)) ，如圖4 所示。CECIL 系統(tǒng)是一套遙操作的機(jī)器人系統(tǒng)，通過它可以對壓水堆核電廠的蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管間進(jìn)行遠(yuǎn)距離的視頻檢查、沖洗和異物搜取等項工作，CECIL 已經(jīng)成為了國際上蒸汽發(fā)生器二次側(cè)管間檢修最先進(jìn)的技術(shù)，成功用于世界各地的核電廠。CECIL 機(jī)器人呈圓筒狀，通過蒸汽發(fā)生器的手孔將導(dǎo)軌在中間管廊定位安裝好后，圓筒狀的機(jī)器人本體就能在導(dǎo)軌上沿縱向(自身軸線方向) 移動。CECIL 機(jī)器人最大的特點(diǎn)是使用了柔性臂，或稱為柔性噴射槍，它在水平方向是柔軟可彎曲的，但在垂直方向上卻具有很高的剛度，柔性臂中有空間可裝入導(dǎo)線或高壓水管。它借助于彎曲的導(dǎo)向器對準(zhǔn)每排管間所要求的位置，通過使用鏈輪與柔性臂上的孔相嚙合來驅(qū)動柔性臂橫向伸入到每排管間并從管間縮回，同時機(jī)器人的圓筒本體可以繞自身軸線轉(zhuǎn)動，從而使得柔性臂末端的操作器(視頻攝像頭、高壓水噴槍等) 可以定位到達(dá)蒸汽發(fā)生器管板與第一支撐板之間的任何一點(diǎn)。所有系統(tǒng)功能都是通過一個遠(yuǎn)離蒸汽發(fā)生器的工作站來監(jiān)視控制，當(dāng)CECIL 裝置在蒸汽發(fā)生器內(nèi)工作時，這個工作站(視頻監(jiān)視器、個人計算機(jī)、水控制系統(tǒng)和系統(tǒng)接口等) 提供給CECIL 操作員遠(yuǎn)距離控制手段和所有的信息反饋，借助于圖形用戶界面可對蒸汽發(fā)生器圖像進(jìn)行顯示分析，機(jī)器人的狀態(tài)和位置信息也連續(xù)不斷地在界面上更新。CECIL的所有模擬、數(shù)字控制信號都來自于美國Opto22公司提供的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)使用了名為Opto Control 的基于流程圖的控制語言，操作者可以通過游戲操縱桿來控制各個執(zhí)行元件的動作。以前的蒸汽發(fā)生器檢查技術(shù)需要檢查人員長時間靠近蒸汽發(fā)生器的手孔來操作設(shè)備，輻照劑量較高，勞動強(qiáng)度較大，借助CECIL 進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作可使操作者所受的放射劑量比常規(guī)技術(shù)降低70 %。

3 國內(nèi)的細(xì)小管道管外機(jī)器人

　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人所研制出了一種蠕動式管外移動機(jī)器人[7 ] 。圖5 為蠕動式管外移動機(jī)器人的模型簡圖。該機(jī)構(gòu)由手爪1 、2 ，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)3 、4 和移動關(guān)節(jié)5 所組成，手爪1 、2 采用對稱V 形結(jié)構(gòu)，機(jī)器人共用5 臺電機(jī)通過減速裝置驅(qū)動，為增加與管道之間的摩接力，手爪內(nèi)側(cè)貼有橡膠塊。直線移動時，手爪2 握住管道，手爪1 松開后驅(qū)動移動關(guān)節(jié)5 ，機(jī)器人就前進(jìn)一步。重復(fù)上述過程即可實現(xiàn)直線運(yùn)動。遇到凸臺時，手爪1 握住管道，松開手爪2 ，驅(qū)動關(guān)節(jié)3 旋轉(zhuǎn)180°，并驅(qū)動關(guān)節(jié)4 ，使手爪2 握住管道，再重復(fù)上述過程即可通過凸臺。遇到L 型、T 型管道時(圖6) ，手爪1 握住管道，松開手爪2 ，驅(qū)動關(guān)節(jié)3 旋轉(zhuǎn)90°，并驅(qū)動關(guān)節(jié)4 使手爪旋轉(zhuǎn)所需角度(在不同位置跨越時其角度也不同) 。該管外機(jī)器人質(zhì)量為815 kg ，管道適應(yīng)直徑為90～120 mm ，可跨越凸臺的最大直徑為200 mm.

　　上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所對斜拉橋爬纜機(jī)器人進(jìn)行了研究(斜拉橋的纜索可看作是圓柱形、六棱柱形或表面有小螺旋槽的六棱柱形實心管) [8 ] ，針對不同的工況，研制了氣動蠕動式爬纜機(jī)器人和電動連續(xù)式爬纜機(jī)器人。氣動蠕動式爬纜機(jī)器人采用氣動技術(shù)，爬纜機(jī)構(gòu)由氣缸實現(xiàn)蠕動式夾緊和移動。如圖7 所示，驅(qū)動氣缸缸體固接于下體上，活塞桿通過鉸鏈與上體相聯(lián)，上體和下體上分別設(shè)有圓周均布的3 個夾緊氣缸和3 個導(dǎo)向氣缸；驅(qū)動夾緊氣缸、導(dǎo)向氣缸分別使其前端的夾緊爪、導(dǎo)向輪與纜索表面夾緊、接觸，二者的位置可沿徑向調(diào)整以適應(yīng)不同直徑的纜索；上體和下體間還設(shè)有支撐機(jī)構(gòu)，其中裝在下體上的支撐座內(nèi)設(shè)有直線運(yùn)動軸承，供與上體相聯(lián)的支撐桿在其內(nèi)直線移動和輕微擺動。氣動蠕動式爬纜機(jī)構(gòu)運(yùn)動中至少保證上下夾緊爪有一組夾緊于纜索上。爬纜機(jī)構(gòu)向上爬升時，首先下體夾緊爪夾緊于纜索上，上體夾緊爪松開，驅(qū)動氣缸活塞桿伸出，上體向上運(yùn)動；然后上體夾緊爪夾緊，下體夾緊爪松開，驅(qū)動氣缸活塞桿縮回，下體向上運(yùn)動；以后重復(fù)上面的動作。改變氣缸動作順序，爬纜機(jī)構(gòu)完成下降功能。電動連續(xù)式爬纜機(jī)器人模型如圖8 所示，各小車分別由電機(jī)經(jīng)減速器、鏈輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動前后車輪，使各車輪均為主動輪；壓緊調(diào)節(jié)裝置的基本構(gòu)件為壓縮彈簧，通過鉸鏈與小車相聯(lián)；壓緊調(diào)節(jié)裝置和導(dǎo)向輪的徑向位置可以調(diào)整，實現(xiàn)與纜索表面的抱緊或接觸。實驗結(jié)果表明，爬纜機(jī)器人工程樣機(jī)均能在傾斜和垂直纜索上可靠爬升，適應(yīng)纜徑為80～200 mm ，負(fù)載可達(dá)250 kg ，爬升速度可達(dá)10 m/ min. 樣機(jī)在上海徐浦大橋、南浦大橋上成功地進(jìn)行了試驗，裝上相應(yīng)的操作機(jī)構(gòu)模塊，可實現(xiàn)纜索涂裝和檢測功能。

　　湖北機(jī)電研究院研制出一種折疊式機(jī)器人，可用于蒸汽發(fā)生器的管板下表面、傳熱管始末端和水室內(nèi)表面的視頻檢查工作[9 ] 。該機(jī)器人采用計算機(jī)控制，并具有座標(biāo)顯示功能，機(jī)械手的安裝不需人員進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的水室�？烧郫B式機(jī)械手分為定位支撐、上臂、中間臂和聯(lián)接臂，3 條臂可折疊。定位支撐包括定位座、支撐導(dǎo)軌及小車滑板、可轉(zhuǎn)平臺、壓緊裝置等。機(jī)械手各運(yùn)動部件均采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，在計算機(jī)的控制下使攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)、臂端旋轉(zhuǎn)、上臂、中間臂和聯(lián)接臂水平回轉(zhuǎn)，以完成水室內(nèi)表面各個區(qū)的檢查。

4 結(jié)束語

　　近年來，細(xì)小工業(yè)管道管外機(jī)器人系統(tǒng)的研究開發(fā)工作在國內(nèi)外得到了積極的開展，取得了一些實用的成果。與管內(nèi)機(jī)器人相比，在管道外面進(jìn)行管道作業(yè)的機(jī)器人由于沒有了管道內(nèi)封閉圓柱面的導(dǎo)向或支撐作用，因而使得其移動和控制都更加困難。根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境的不同，管外機(jī)器人有的是在管道外圓柱表面上作業(yè)的，有的是在管道外表面附近區(qū)域進(jìn)行檢查或修理工作的。雖然管外機(jī)器人的工作環(huán)境是結(jié)構(gòu)環(huán)境，但是機(jī)器人或者在三維的管道外表面(非直管)上移動，或者在很狹窄的管束間隙中移動，這對機(jī)器人的驅(qū)動器和移動機(jī)構(gòu)都提出了特殊的要求。在管道外圓柱表面上作業(yè)的機(jī)器人大多采用蠕動式的移動方式(通過電機(jī)、液壓缸或氣缸驅(qū)動，由幾個模塊交替、協(xié)調(diào)工作進(jìn)行夾持、伸縮等動作，從而實現(xiàn)機(jī)器人的移動功能) ，也有的機(jī)器人采用連續(xù)的移動方式(通過壓緊輪或形成封閉鏈包繞在管子外表面連續(xù)移動) 。在狹窄的管束間隙中工作的機(jī)器人必須采用新穎靈巧的結(jié)構(gòu)，很多尺寸微小的驅(qū)動器、傳動機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)都要采用特殊工藝專門設(shè)計開發(fā)，這和當(dāng)今世界上的一個研究熱點(diǎn)———微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 緊密結(jié)合在一起。由于工作環(huán)境千差萬別，管外機(jī)器人系統(tǒng)只能是專用的，模塊化設(shè)計是其發(fā)展方向。

　　細(xì)小工業(yè)管道管外機(jī)器人系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展是經(jīng)濟(jì)建設(shè)的客觀需要，是管道外部的缺陷診斷、故障修復(fù)工作自動化發(fā)展的必然趨勢，必將在石油、化工和發(fā)電等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。