無纜化工管道機器人的研究進(jìn)展

王越勇，欒江峰

(遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，我國的化工管道已經(jīng)普及到我國社會主義建設(shè)的各行各業(yè)，并且發(fā)揮著極其重要的地位。為提高管道的壽命、防止泄漏等事故的發(fā)生,必須定期對其進(jìn)行檢修?；す艿罊C器人由于它的準(zhǔn)確、高效和經(jīng)濟性慢慢發(fā)展起來。管道機器人的能源供給方式有兩種:有纜方式或無纜方式［1-3］。無纜檢測機器人主要分為蓄電池式、差壓式和充電式。有纜化工管道機器人當(dāng)檢測機行走距離達(dá)到一定程度時，尤其轉(zhuǎn)彎較多時，纜線與管壁的摩擦力會逐漸變大，因此這種檢測機不能長距離檢測［4］。而蓄電池由于受體積限制所儲存的能量有限，同時還受電池質(zhì)量、充電工藝等因素的影響，因而使化工管道機器人的行走距離受到限制［3。差壓式的化工管道機器人難以控制，速度不穩(wěn)，受流體的干擾大［5］。而充電式的管道機器人由于有源源不斷的能量補充，并且調(diào)速、越障性能都很好，所以無纜的充電式的化工管道機器人更符合實際應(yīng)用。

1 國內(nèi)無纜管道機器人的研究進(jìn)展

1.1 外磁場驅(qū)動無纜化工管道機器人

2003年大連理工大學(xué)張永順副教授研制了一種微型管道機器人［6］，這種管道機器人以超磁致伸縮合金為驅(qū)動器。從而實現(xiàn)了以管外的磁場能量來使微型管道機器人行走，屬于無纜驅(qū)動，并且提高了其使用的可靠性，實用性也非常良好?？刂圃硎峭ㄟ^管外時變振蕩磁場頻率的改變，媒介于機器人磁致伸縮微驅(qū)動器的磁機耦合作用，將時變振蕩磁場能轉(zhuǎn)換成機器人彈性腿的振動機械能從而實現(xiàn)機器人的行走。機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 外磁場驅(qū)動機器人整體結(jié)構(gòu)Fig. 1 The structure of Extracorporeal magnetic driving robot

磁場最強的地方是激勵線圈的軸心線處，來自電磁控制器的具有一定頻率的波型電壓會通過電流負(fù)反饋功放模塊，并且會在線圈中產(chǎn)生具有同樣頻率的時變振蕩磁場，這種震蕩磁場會被機器人驅(qū)動器用來進(jìn)行磁一機耦合作用，這樣就會使振蕩磁場的能量轉(zhuǎn)換為直線的振動能量，這種直線的振動能量會被機器人上的微位移放大機構(gòu)傳到機器人的彈性腿上，這樣彈性腿就有能量相對管壁來振動，靠著與管壁間的摩擦力就可以使機器人行走。

1.2 微波供能無纜化工管道機器人

上海大學(xué)研制出了一種以無線微波供能的新型無纜管道機器人［7］。它包括微波激勵裝置和微波接收裝置。這種管道機器人的運動原理是采用了波導(dǎo)傳輸?shù)脑?，在管道使微波可以進(jìn)行TE11單模傳輸，并且使在金屬管道之中傳輸?shù)奈⒉ǖ臉O化功能和傳輸功能的穩(wěn)定性有了極大的提高，從而充分的利用了微波的能量，微波能量由管道中的微機器人供能單元一整流天線接收并轉(zhuǎn)換成直流電。管道機器人的微波供能系統(tǒng)如圖2所示。無線的微波能量會被微波激勵裝置耦合進(jìn)入管道之中，管道是起到了傳輸波導(dǎo)的作用，作業(yè)中的管道機器人中會帶有無線的微波接收裝置，就是整流天線，機器人會利用這個裝置將接收到的微波能量轉(zhuǎn)換成直流電源，為機器人的的運動提供動力源。

圖2 微波管道機器人供能系統(tǒng)Fig. 2 The energy supply system of pipeline robot

圖3 是微波激勵裝置示意圖。微波固態(tài)源產(chǎn)生毫瓦級的小功率微波信號，經(jīng)功率放大，放大到瓦級功率電平，再經(jīng)過定向耦合器、波導(dǎo)一同軸轉(zhuǎn)換器、矩．圓波導(dǎo)過渡器和過渡頭與不銹鋼管道相接，此處我們所用的是內(nèi)徑為20 mm的不銹鋼管。管道機器人在運行的過程中微波的功率都是不穩(wěn)定的，變化很大，所以我們在機器人的功率放大器上加了個電控衰減器，使其功率趨于相對穩(wěn)定，機器人在管道運行時要有一定的運行速度和距離，所以功率放大器的增益要根據(jù)機器人的運行狀況，并要與之相匹配，這樣機器人在運行過程中接受到的微波功率就會趨于穩(wěn)定，那么機器人的運行就會穩(wěn)定。

圖3 微波機器人激勵裝置圖Fig. 3 The promote device of microwave robot

1.3 新型無纜化工管道機器人

廣東工業(yè)大學(xué)楊宜民教授等提出了一種新型的可充電式的管道機器人［8］。如圖4這種機器人檢測距離非常長，新型能源自給式管道機器人是無纜管道機器人,并且可以在管道中進(jìn)行能源補充,從而增加工作距離。并且管道機器人可以在需要的時候進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，在彎管等處進(jìn)行減速轉(zhuǎn)向達(dá)到良好的通過性能。

圖4 新型無纜管道機器人模型Fig. 4 The model of cable-less piping robot

由圖4可知，機器人的迎流方向有葉輪，葉輪一方面在流體的作用下產(chǎn)生壓力，推著機器人向前運動，另一方面，葉輪也在自轉(zhuǎn)，在發(fā)動機的作用下將流體的動能轉(zhuǎn)化成電能，在蓄電池中儲存下來，為機器人其他的運動環(huán)節(jié)提供能量。機器人的速度調(diào)節(jié)主要是在運動輪上多加了電磁圈和銜鐵，當(dāng)機器人需要降速時，對電磁圈進(jìn)行充電，那么銜鐵被帶磁性的電磁圈吸下來，從而增加了運動輪與壁面的摩擦，實現(xiàn)了降速；當(dāng)不需要降速時，就不在對電磁圈充電，銜鐵被彈簧拉走，速度回歸正常。機器人的換向是由導(dǎo)向頭部來完成，頭部有三塊電磁鐵和三個支撐桿，當(dāng)需要換向時，電磁鐵中的一個或是兩個進(jìn)行充電，使三個支撐桿被帶電的磁鐵吸引，從而達(dá)到換向的功能，三個電磁鐵可以實現(xiàn)六個方向的變換，如果需要的話，還可以增加電磁鐵，實現(xiàn)更多方向的變換。

2 國外無纜管道機器人的研究進(jìn)展

2.1 美國EXPLORER無纜化工管道機器人

2001年在美國國家航空和宇宙航行局(NASA)的資助下，美國的紐約煤氣集團公司(NYGAS)的DPahne D’Zurko和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機器人技術(shù)學(xué)院的 HagneSchempf博士一起研制出來了用于長距離的，并且是無纜方式的管道機器人，名字叫EXPLORRE管道機器人［9］。其主要應(yīng)用于檢查地下的煤氣管道的安全狀況，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 美國EXPLORRE管道機器人Fig. 5 The pipeline robot of America EXPLORRE

該管道機器人EXPLORER的特征如下：

(1) 機器人采用無纜方式，自帶電池，并且電池在工作時可以反復(fù)充電，由于有充足的能源，所以檢測距離很長，而且機器人自推進(jìn)能力很好;

(2) 在高低壓的情況下都可以工作，在鑄鐵和鋼質(zhì)材料的煤氣管道中也可以;

(3) 機器人的檢查設(shè)備是嵌入式的“魚眼”鏡頭，使結(jié)構(gòu)很緊密;

(4) 能夠通過垂直管道，并且在90°的彎管接頭中也能順利通過;

(5) 機器人與技術(shù)人員的連接是無線的通訊方式。

2.2 日本紫外光供能無纜管道機器人

日本Nagoya大學(xué)Fukuda等研制出來了用紫外光來提供運動能量的移動微機器人［10］，這種機器人是懸浮起來的。它的下基座的面積大小為80 mm×80 mm ，上平板的體積大小為15 mm×15 mm×2 mm，機器人的運動過程如圖6所示。首先在空氣壓力的作用下，上平板會慢慢的升起，懸浮在空中，然后紫外線會光照到焦熱電單元上，這樣就會產(chǎn)生一定的電壓，此電壓會在下基座和上平板組成的電極平面之間形成一定的靜電力，這樣上平板就會在靜電力的作用下在水平方向運動。

3 無纜管道機器人的常見問題

3.1 定位

我們常用的管道檢測機器人的定位問題一般是

圖6 紫外光懸浮微機器人操作過程Fig.6 The operating of ultraviolet suspension micro-robot

在里程輪上安裝光電碼盤從而使其構(gòu)成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)一步實現(xiàn)機器人的定位，但是機器人常常在一些工況環(huán)境非常復(fù)雜的地方工作，使用光電碼盤的測速法，會由于管道內(nèi)壁的油污和石蠟等造成光電碼盤打滑而具有天生的缺陷，很難達(dá)到要求。

3.2 越障性能

由于管道的工作要求，管道往往不是單一的直管，并且存在著大量的閥門、彎管、三通結(jié)構(gòu)、排水管道中可能會存在一些沉積物或者內(nèi)壁缺陷造成了機器人行進(jìn)的障礙［11］。檢測機器人在進(jìn)行檢測的過程中必須有能力克服這些障礙，能夠順利的通過才能完成整體的檢測任務(wù)，無纜機器人由于它有源源不斷的能量來源，并且有相匹配的驅(qū)動和制動機構(gòu)，它的越障性能已經(jīng)有很大的改善，但是有些較長的機器人在“T”型管道中的通過性能并不是很強，比如前面所說的美國EXPLORER無纜管道機器人，所以這方面還有待需要優(yōu)化。

3.3 通訊性能

管道機器人在對管道進(jìn)行檢測時需要及時的和外界工作系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，能夠使工作人員認(rèn)清機器人所在的位置和工作環(huán)境，并發(fā)出指令使機器人能夠高效的完成工作。通訊問題主要分兩種方式：一種是有纜的，另一種是無線的通訊方式。無纜管道機器人只能使用無纜的通訊方式，這種方式的信號會在各種介質(zhì)中的傳播中慢慢的被弱化，尤其是在金屬管壁中工作時，電磁的屏蔽作用會使信號難以傳遞出去。所以如何準(zhǔn)確的傳遞訊息是無纜機器人研究的重要問題。

3.4 管徑的自適應(yīng)性

現(xiàn)有的管道機器人往往只能在單一管徑的管道中工作，但是現(xiàn)有的工作管道中，通常都是有變徑的，如果機器人再這種管道下沒有適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行變徑工作，那么管道機器人的工作空間會受到極大的限制。比如前邊提到的新型無纜管道機器人只適應(yīng)單一管徑的管道。在不同直徑的管道中能張開或收縮機器人的外徑尺寸，使機器人能在各種直徑的管道中行走作業(yè)［12］。所以管道機器人需要能夠有一定的自適應(yīng)性能，使它可以在一定范圍的管徑下進(jìn)行工作，可以自如的改變自身的尺寸以達(dá)到工作要求。

4 結(jié) 論

化工管道機器人的無纜的供能方式已是機器人的一個非常重要的發(fā)展方向。由于可以將化工管道內(nèi)的流體、外磁場、微波、紫外線等等外界能量轉(zhuǎn)化為化工管道機器人的機械能，所以使機器人的無纜供能成為可能。但是無纜化工管道機器人目前由于技術(shù)的限制還存在大量的問題，所以無纜化工管道機器人只是處在理論的可行層面，正在進(jìn)行試驗階段的研究和探索，還并沒有廣泛應(yīng)用。要在上面幾個重大的問題上取得關(guān)鍵性的技術(shù)突破，無纜管道機器人的實際應(yīng)用才能成為現(xiàn)實。

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［9］ 王殿君，李潤平，黃光明．管道機器人的研究進(jìn)展[J] ．機床與液壓，2008(4)：185-187.

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