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(cè)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(kāi)發(fā)管道機(jī)器人來(lái)解決這些實(shí)際問(wèn)題。管道機(jī)器人是一種可沿管道內(nèi)部或外部移動(dòng)，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(jì)算機(jī)的自動(dòng)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(guò)程中的管內(nèi)外質(zhì)量檢測(cè)；使用過(guò)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(duì)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(guó)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(guò)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(wú)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(gè)焊接設(shè)備、1對(duì)位姿探測(cè)設(shè)備和1 個(gè)監(jiān)視設(shè)備組成。多自由度彎曲導(dǎo)管是這個(gè)系統(tǒng)的主體，外徑8 mm；彎曲機(jī)構(gòu)采用氣壓驅(qū)動(dòng)器，因其輸出功率高，所以這個(gè)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(duì)位姿檢測(cè)設(shè)備，1 個(gè)監(jiān)視設(shè)備和1 個(gè)修理單元。修理單元由1 對(duì)直徑3 mm的機(jī)械手和1 個(gè)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(cè)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(cè)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(pán)制成。奧林帕斯光學(xué)有限公司開(kāi)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(lái)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(lái)制作整塊設(shè)備，這項(xiàng)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(gè)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(cè)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(cè)的鏈?zhǔn)轿⑿�機(jī)器人系統(tǒng)[3 ] 。如圖2 所示，它是一個(gè)分布式機(jī)器人自治系統(tǒng)，功能任務(wù)通過(guò)分配給各個(gè)單獨(dú)的微機(jī)器人單元，也通過(guò)微機(jī)器人間的合作完成。單個(gè)微機(jī)器人可攜帶傳感器在管板上狹窄的管束間移動(dòng)，對(duì)管板與傳熱管的交接處進(jìn)行檢測(cè)；多個(gè)微機(jī)器人可通過(guò)自身的連接器組合成一個(gè)封閉鏈，繞套在傳熱管外面上下移動(dòng)檢測(cè)。其關(guān)鍵技術(shù)有微小零部件的設(shè)計(jì)、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(kāi)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(dòng)速度為2 mm/ s. 該單元樣機(jī)由特制的超微馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人單元兩端各有1 個(gè)輪式減速行走機(jī)構(gòu)，每個(gè)輪式減速行走機(jī)構(gòu)有3 個(gè)磁性輪，1 個(gè)輪子由微馬達(dá)通過(guò)微減速器驅(qū)動(dòng)，另2 個(gè)是水平隨動(dòng)輪和垂直隨動(dòng)輪，當(dāng)在管板上面或傳熱管外表面移動(dòng)時(shí)，主動(dòng)輪和某一個(gè)隨動(dòng)輪跟移動(dòng)表面接觸，微機(jī)器人的轉(zhuǎn)向是通過(guò)兩端主動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪的差速來(lái)實(shí)現(xiàn)的。微馬達(dá)和微減速器的設(shè)計(jì)制造是微機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵， 微馬達(dá)直徑為116 mm ， 長(zhǎng)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(guò)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(gè)微機(jī)器人可以通過(guò)連接器連接成一圈，套在熱交換管道外表面上移動(dòng)。鏈?zhǔn)轿⑿�機(jī)器人系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題有能量、控制信號(hào)、檢測(cè)信號(hào)傳輸?shù)臒o(wú)纜化以及微機(jī)器人單元的定位技術(shù)。

　　由美國(guó)聯(lián)合愛(ài)迪生公司、帝國(guó)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(gè)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(ài)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(guò)它可以對(duì)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(xiàng)工作，CECIL 已經(jīng)成為了國(guó)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(guò)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(dòng)。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(duì)準(zhǔn)每排管間所要求的位置，通過(guò)使用鏈輪與柔性臂上的孔相嚙合來(lái)驅(qū)動(dòng)柔性臂橫向伸入到每排管間并從管間縮回，同時(shí)機(jī)器人的圓筒本體可以繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，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(guò)一個(gè)遠(yuǎn)離蒸汽發(fā)生器的工作站來(lái)監(jiān)視控制，當(dāng)CECIL 裝置在蒸汽發(fā)生器內(nèi)工作時(shí)，這個(gè)工作站(視頻監(jiān)視器、個(gè)人計(jì)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(duì)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(hào)都來(lái)自于美國(guó)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(yǔ)言，操作者可以通過(guò)游戲操縱桿來(lái)控制各個(gè)執(zhí)行元件的動(dòng)作。以前的蒸汽發(fā)生器檢查技術(shù)需要檢查人員長(zhǎng)時(shí)間靠近蒸汽發(fā)生器的手孔來(lái)操作設(shè)備，輻照劑量較高，勞動(dòng)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(guó)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(dòng)式管外移動(dòng)機(jī)器人[7 ] 。圖5 為蠕動(dòng)式管外移動(dòng)機(jī)器人的模型簡(jiǎn)圖。該機(jī)構(gòu)由手爪1 、2 ，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)3 、4 和移動(dòng)關(guān)節(jié)5 所組成，手爪1 、2 采用對(duì)稱V 形結(jié)構(gòu)，機(jī)器人共用5 臺(tái)電機(jī)通過(guò)減速裝置驅(qū)動(dòng)，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(dòng)時(shí)，手爪2 握住管道，手爪1 松開(kāi)后驅(qū)動(dòng)移動(dòng)關(guān)節(jié)5 ，機(jī)器人就前進(jìn)一步。重復(fù)上述過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。遇到凸臺(tái)時(shí)，手爪1 握住管道，松開(kāi)手爪2 ，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)3 旋轉(zhuǎn)180°，并驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)4 ，使手爪2 握住管道，再重復(fù)上述過(guò)程即可通過(guò)凸臺(tái)。遇到L 型、T 型管道時(shí)(圖6) ，手爪1 握住管道，松開(kāi)手爪2 ，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)3 旋轉(zhuǎn)90°，并驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)4 使手爪旋轉(zhuǎn)所需角度(在不同位置跨越時(shí)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(tái)的最大直徑為200 mm.

　　上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所對(duì)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(shí)心管) [8 ] ，針對(duì)不同的工況，研制了氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬纜機(jī)器人和電動(dòng)連續(xù)式爬纜機(jī)器人。氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬纜機(jī)器人采用氣動(dòng)技術(shù)，爬纜機(jī)構(gòu)由氣缸實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)式夾緊和移動(dòng)。如圖7 所示，驅(qū)動(dòng)氣缸缸體固接于下體上，活塞桿通過(guò)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(gè)夾緊氣缸和3 個(gè)導(dǎo)向氣缸；驅(qū)動(dòng)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(dòng)軸承，供與上體相聯(lián)的支撐桿在其內(nèi)直線移動(dòng)和輕微擺動(dòng)。氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬纜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(shí)，首先下體夾緊爪夾緊于纜索上，上體夾緊爪松開(kāi)，驅(qū)動(dòng)氣缸活塞桿伸出，上體向上運(yùn)動(dòng)；然后上體夾緊爪夾緊，下體夾緊爪松開(kāi)，驅(qū)動(dòng)氣缸活塞桿縮回，下體向上運(yùn)動(dòng)；以后重復(fù)上面的動(dòng)作。改變氣缸動(dòng)作順序，爬纜機(jī)構(gòu)完成下降功能。電動(dòng)連續(xù)式爬纜機(jī)器人模型如圖8 所示，各小車(chē)分別由電機(jī)經(jīng)減速器、鏈輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)前后車(chē)輪，使各車(chē)輪均為主動(dòng)輪；壓緊調(diào)節(jié)裝置的基本構(gòu)件為壓縮彈簧，通過(guò)鉸鏈與小車(chē)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(shí)現(xiàn)與纜索表面的抱緊或接觸。實(shí)驗(yàn)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(yàn)，裝上相應(yīng)的操作機(jī)構(gòu)模塊，可實(shí)現(xiàn)纜索涂裝和檢測(cè)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(jì)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(chē)滑板、可轉(zhuǎn)平臺(tái)、壓緊裝置等。機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)部件均采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在計(jì)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(gè)區(qū)的檢查。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　近年來(lái)，細(xì)小工業(yè)管道管外機(jī)器人系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)工作在國(guó)內(nèi)外得到了積極的開(kāi)展，取得了一些實(shí)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(méi)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(dòng)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(dòng)，或者在很狹窄的管束間隙中移動(dòng)，這對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器和移動(dòng)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(dòng)式的移動(dòng)方式(通過(guò)電機(jī)、液壓缸或氣缸驅(qū)動(dòng)，由幾個(gè)模塊交替、協(xié)調(diào)工作進(jìn)行夾持、伸縮等動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)功能) ，也有的機(jī)器人采用連續(xù)的移動(dòng)方式(通過(guò)壓緊輪或形成封閉鏈包繞在管子外表面連續(xù)移動(dòng)) 。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(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)都要采用特殊工藝專門(mén)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，這和當(dāng)今世界上的一個(gè)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(wàn)別，管外機(jī)器人系統(tǒng)只能是專用的，模塊化設(shè)計(jì)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(dòng)化發(fā)展的必然趨勢(shì)，必將在石油、化工和發(fā)電等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。