1 引言

　　現(xiàn)代工農業(yè)生產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)境人不能直接到達或不允許人直接介入，為了進行質量檢測和故障診斷，采用傳統(tǒng)的全面挖掘法、隨機抽樣法或SCADA 系統(tǒng)法，工程量大，準確率低，因此需要開發(fā)管道機器人來解決這些實際問題。管道機器人是一種可沿管道內部或外部移動，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的自動控制下，能夠進行一系列管道作業(yè)的機電儀一體化系統(tǒng)[1 ] 。管道機器人可完成的作業(yè)有生產、安裝過程中的管內外質量檢測；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、內部拋光等維護；對埋地舊管道的修復；管內外器材運送、搶救等其他用途。

2 國外細小管道管外機器人的典型系統(tǒng)

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

圖1 奧林帕斯光學有限公司的導管型微機器人

　　日本三菱電機公司、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式微小機器人系統(tǒng)[3 ] 。如圖2 所示，它是一個分布式機器人自治系統(tǒng)，功能任務通過分配給各個單獨的微機器人單元，也通過微機器人間的合作完成。單個微機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行檢測；多個微機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。其關鍵技術有微小零部件的設計、制造、裝配，微機器人單元之間的機電連接和分離，多微機器人協(xié)調等技術。圖3 為開發(fā)出的微機器人單元樣機，它的尺寸在5 mm ×9 mm ×615 mm以內，質量為0142 g ，移動速度為2 mm/ s. 該單元樣機由特制的超微馬達驅動，機器人單元兩端各有1 個輪式減速行走機構，每個輪式減速行走機構有3 個磁性輪，1 個輪子由微馬達通過微減速器驅動，另2 個是水平隨動輪和垂直隨動輪，當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，微機器人的轉向是通過兩端主動驅動輪的差速來實現(xiàn)的。微馬達和微減速器的設計制造是微機器人實現(xiàn)的關鍵， 微馬達直徑為116 mm ， 長2 mm ， 轉速為4 000 r/ min. 微小減速器尺寸在5 mm ×5 mm ×115 mm以內，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器人單元間建立起機械的和電氣的連接， 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。鏈式微小機器人系統(tǒng)亟待解決的問題有能量、控制信號、檢測信號傳輸?shù)臒o纜化以及微機器人單元的定位技術。

　　由美國聯(lián)合愛迪生公司、帝國能源研究公司、公共電氣服務公司和電力研究院組成的一個研究團體與福斯特·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器人系統(tǒng)，形成了一套成熟的技術[4 - 6 ] 。該機器人技術被稱作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)生器二次側管間進行遠距離的視頻檢查、沖洗和異物搜取等項工作，CECIL 已經成為了國際上蒸汽發(fā)生器二次側管間檢修最先進的技術，成功用于世界各地的核電廠。CECIL 機器人呈圓筒狀，通過蒸汽發(fā)生器的手孔將導軌在中間管廊定位安裝好后，圓筒狀的機器人本體就能在導軌上沿縱向(自身軸線方向) 移動。CECIL 機器人最大的特點是使用了柔性臂，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線或高壓水管。它借助于彎曲的導向器對準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動柔性臂橫向伸入到每排管間并從管間縮回，同時機器人的圓筒本體可以繞自身軸線轉動，從而使得柔性臂末端的操作器(視頻攝像頭、高壓水噴槍等) 可以定位到達蒸汽發(fā)生器管板與第一支撐板之間的任何一點。所有系統(tǒng)功能都是通過一個遠離蒸汽發(fā)生器的工作站來監(jiān)視控制，當CECIL 裝置在蒸汽發(fā)生器內工作時，這個工作站(視頻監(jiān)視器、個人計算機、水控制系統(tǒng)和系統(tǒng)接口等) 提供給CECIL 操作員遠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)生器圖像進行顯示分析，機器人的狀態(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)生器檢查技術需要檢查人員長時間靠近蒸汽發(fā)生器的手孔來操作設備，輻照劑量較高，勞動強度較大，借助CECIL 進行遠距離操作可使操作者所受的放射劑量比常規(guī)技術降低70 %。

3 國內的細小管道管外機器人

　　哈爾濱工業(yè)大學機器人所研制出了一種蠕動式管外移動機器人[7 ] 。圖5 為蠕動式管外移動機器人的模型簡圖。該機構由手爪1 、2 ，轉動關節(jié)3 、4 和移動關節(jié)5 所組成，手爪1 、2 采用對稱V 形結構，機器人共用5 臺電機通過減速裝置驅動，為增加與管道之間的摩接力，手爪內側貼有橡膠塊。直線移動時，手爪2 握住管道，手爪1 松開后驅動移動關節(jié)5 ，機器人就前進一步。重復上述過程即可實現(xiàn)直線運動。遇到凸臺時，手爪1 握住管道，松開手爪2 ，驅動關節(jié)3 旋轉180°，并驅動關節(jié)4 ，使手爪2 握住管道，再重復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 ，驅動關節(jié)3 旋轉90°，并驅動關節(jié)4 使手爪旋轉所需角度(在不同位置跨越時其角度也不同) 。該管外機器人質量為815 kg ，管道適應直徑為90～120 mm ，可跨越凸臺的最大直徑為200 mm.

　　上海交通大學機器人研究所對斜拉橋爬纜機器人進行了研究(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器人和電動連續(xù)式爬纜機器人。氣動蠕動式爬纜機器人采用氣動技術，爬纜機構由氣缸實現(xiàn)蠕動式夾緊和移動。如圖7 所示，驅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有圓周均布的3 個夾緊氣缸和3 個導向氣缸；驅動夾緊氣缸、導向氣缸分別使其前端的夾緊爪、導向輪與纜索表面夾緊、接觸，二者的位置可沿徑向調整以適應不同直徑的纜索；上體和下體間還設有支撐機構，其中裝在下體上的支撐座內設有直線運動軸承，供與上體相聯(lián)的支撐桿在其內直線移動和輕微擺動。氣動蠕動式爬纜機構運動中至少保證上下夾緊爪有一組夾緊于纜索上。爬纜機構向上爬升時，首先下體夾緊爪夾緊于纜索上，上體夾緊爪松開，驅動氣缸活塞桿伸出，上體向上運動；然后上體夾緊爪夾緊，下體夾緊爪松開，驅動氣缸活塞桿縮回，下體向上運動；以后重復上面的動作。改變氣缸動作順序，爬纜機構完成下降功能。電動連續(xù)式爬纜機器人模型如圖8 所示，各小車分別由電機經減速器、鏈輪機構驅動前后車輪，使各車輪均為主動輪；壓緊調節(jié)裝置的基本構件為壓縮彈簧，通過鉸鏈與小車相聯(lián)；壓緊調節(jié)裝置和導向輪的徑向位置可以調整，實現(xiàn)與纜索表面的抱緊或接觸。實驗結果表明，爬纜機器人工程樣機均能在傾斜和垂直纜索上可靠爬升，適應纜徑為80～200 mm ，負載可達250 kg ，爬升速度可達10 m/ min. 樣機在上海徐浦大橋、南浦大橋上成功地進行了試驗，裝上相應的操作機構模塊，可實現(xiàn)纜索涂裝和檢測功能。

　　湖北機電研究院研制出一種折疊式機器人，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表面的視頻檢查工作[9 ] 。該機器人采用計算機控制，并具有座標顯示功能，機械手的安裝不需人員進入蒸汽發(fā)生器的水室�？烧郫B式機械手分為定位支撐、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、支撐導軌及小車滑板、可轉平臺、壓緊裝置等。機械手各運動部件均采用步進電機驅動，在計算機的控制下使攝像機旋轉、臂端旋轉、上臂、中間臂和聯(lián)接臂水平回轉，以完成水室內表面各個區(qū)的檢查。

4 結束語

　　近年來，細小工業(yè)管道管外機器人系統(tǒng)的研究開發(fā)工作在國內外得到了積極的開展，取得了一些實用的成果。與管內機器人相比，在管道外面進行管道作業(yè)的機器人由于沒有了管道內封閉圓柱面的導向或支撐作用，因而使得其移動和控制都更加困難。根據(jù)具體應用環(huán)境的不同，管外機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)域進行檢查或修理工作的。雖然管外機器人的工作環(huán)境是結構環(huán)境，但是機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，這對機器人的驅動器和移動機構都提出了特殊的要求。在管道外圓柱表面上作業(yè)的機器人大多采用蠕動式的移動方式(通過電機、液壓缸或氣缸驅動，由幾個模塊交替、協(xié)調工作進行夾持、伸縮等動作，從而實現(xiàn)機器人的移動功能) ，也有的機器人采用連續(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器人必須采用新穎靈巧的結構，很多尺寸微小的驅動器、傳動機構和執(zhí)行機構都要采用特殊工藝專門設計開發(fā)，這和當今世界上的一個研究熱點———微機電系統(tǒng)(MEMS) 緊密結合在一起。由于工作環(huán)境千差萬別，管外機器人系統(tǒng)只能是專用的，模塊化設計是其發(fā)展方向。

　　細小工業(yè)管道管外機器人系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展是經濟建設的客觀需要，是管道外部的缺陷診斷、故障修復工作自動化發(fā)展的必然趨勢，必將在石油、化工和發(fā)電等行業(yè)得到廣泛的應用。