小口徑管內機器人技術的研究進展

喬晉崴 尚建忠 陳 循 羅自榮

國防科學技術大學,長沙,410073

0 引言

在石油化工、制冷與核發電等行業中大量使用著形狀各異、內徑不等的各種管道,長期使用所造成的腐蝕或機械損傷會引起裂縫,容易釀成重大事故。管內機器人技術的發展為該問題的解決提供了一條新的途徑。小口徑管內機器人主要指適用管道直徑小于80mm[1]、可攜帶相關儀器設備進入管道內部進行無損檢測或維修的移動平臺,通過及時獲得管道內壁的實時狀態參數可減小因管道泄漏所帶來的環境污染與經濟損失。

小口徑管內機器人的研究機構在國外主要有東京工業大學、名古屋大學、Denso公司、METTEC公司、三菱公司、L.M.S實驗室、L.A.B實驗室、L.A.I實驗室,以及美國加州理工大院等;國內則主要有上海大學、上海交通大學、哈爾濱工業大學、中國科學技術大學、廣州工業大學與國防科學技術大學等。

一個完整的具有自主驅動能力的管內機器人系統應由移動機構、管道內部環境識別與檢測系統、信號傳遞和動力傳輸系統以及控制系統組成[2]。其中移動機構是確保管內機器人實現有效運動的核心部分,主要包括驅動機構與支撐機構,前者為機器人的動力輸出部分,后者則負責與管壁產生接觸,形成力與形的封閉。驅動機構形式主要有電機式、氣壓式、壓電陶瓷(PZT)式、超強磁致合金(GMA)式、記憶合金(SMA)式;支撐機構則主要有輪式、彈性腿式、SMA式、氣囊式和其他擠壓結構形式等。上述驅動機構和支撐機構不同類型機構之間相互組合可形成多種形式的管內機器人,但由于小口徑管道的尺寸限制,其移動方式主要表現為輪式、蠕動式與振動式三種類型。

1 輪式小口徑管內機器人

輪式小口徑管內機器人的基本工作原理為：驅動輪依靠重力、彈簧力、磁性力等壓緊在管道內壁上以支承機器人本體并產生一定的正壓力,由驅動輪與管壁之間的摩擦力產生機器人前后行走的驅動力,以實現機器人的移動[3]。輪式管內機器人在目前實際工程中應用最多,分為直進式與螺旋式,前者驅動輪與行進方向平行,后者驅動輪與行進方向成一定角度,基于螺旋傳動思想,由傾斜安裝的摩擦輪與管壁之間的摩擦推力產生運動[4]。

直進式移動方式出現較早,日本學者福田敏男、細貝英夫于1986年研制了一種可通過 L形圓弧管道的管內機器人,適應管徑為φ50mm,速度為8.1mm/s,可轉彎但不可逆行[5]。國內對輪式微管內機器人的研究起步較晚,1995年哈爾濱工業大學鄧宗全等[6]開展了可用于內徑大于φ75mm的管內補口作業機器人的研究。為了提高管內移動機構的負載能力、運行速度以及對管徑變化與彎管的適應性,2006年北京石油化工學院田海晏等[7]成功設計了如圖1所示的由蝸輪蝸桿和齒輪組嚙合、單電機驅動的直進輪式微型管內檢測機器人。2009年中國科學院沈陽自動化研究所完成了具有自適應能力的管內機器人,在不增加驅動電機數量的前提下,機器人的傳動機構能夠在管道直徑改變時,自動改變行走部件的輸出形式以克服障礙,完成越障任務[8]。

圖1 直進輪式

基于螺旋驅動原理的小口徑管內機器人最早于1994年由日本東京工業大學的Iwao等[9]研發成功,該機器人可在內徑為φ25.4mm的管道內自由移動,直管道中的最大牽引力為12N,隨后相繼實現了對φ20mm管道的內部檢測。國內國防科學技術大學于2006年設計的螺旋式小口徑管內機器人可適用的管道內徑為φ20mm[10]。為了提高機器人的管道適應性,蘇毅等[11]于2008年提出了一種同軸雙牽引輪組螺旋驅動機器人,該機器人可實現跨空行走、彎道引導、逾越障礙等。同時期一種帶有檢測功能的螺旋式小口徑管內機器人在沈陽自動化所研制成功[12]。

輪式小口徑管內機器人的能源利用率高,運動速度快,但存在適應性差、結構復雜、不利于小型化的缺點。該類機器人實現有效行走的前提為滾動輪與管壁之間預緊力大小保持適中,當管徑有所變化時將出現牽引力過小或速度過小的情形,如需通過管道的彎曲部位則更需要專門的機械機構或控制方法。

螺旋式管內機器人雖然可通過調整速度來主動調整牽引力,但由于周向螺旋力的存在使得機器人主體存在著沿管道圓周方向轉動的趨勢,同時,該類機器人較直輪式更難通過彎管。

2 蠕動式小口徑管內機器人

蠕動式小口徑管內機器人的運動是通過模仿蚯蚓、毛毛蟲等尺蠼類動物的伸縮運動來實現的,其研究最為引人關注[13]。該類機器人的結構組成為前后各一組支撐機構,中間為伸縮機構,如圖2所示。圖2中由狀態1到狀態3為小口徑管內機器人的一個運動周期,狀態1通過伸縮機構的收縮運動轉化為狀態2,在此過程中支撐機構2與管壁保持靜止,支撐機構1沿管道滑動;狀態2到狀態3為單向機構的伸長過程,期間支撐機構1、支撐機構2分別與管壁保持靜止與滑動,完成一個運動周期后,機器人的有效行程為ΔL。該類機器人主要包括氣壓式、超越式、慣性沖擊式與SMA式等。

圖2 蠕動式機器人運動原理

2.1 氣壓式

氣壓式小口徑管內機器人分為兩種,一種以氣缸為動力源,另一種則采用氣囊等作為支撐機構[14-16]。2007年韓國漢陽大學Lim等[17]設計了一種氣囊式蠕動式小口徑管內機器人,該機器人巧妙地采用一根氣管對三個氣囊進行順序充氣或排氣,實現了機器人本體的前進與后退,并在此基礎上成功研發了直徑為φ10mm的試驗樣機,其基本運動機理如圖3所示。

1.自我評價。作文寫好后，要讓同學們自己讀讀，反復推敲。有沒有漏字、錯字、別字現象；有沒有語句不通順，詞語搭配不當的地方。學生大都可以勝任，老師就可以完全放手，給學生充分鍛煉的機會。

浙江工業大學都明宇等[18]于2003年開始設計一種基于氣動驅動器的新型蠕動式小口徑管內機器人,其驅動器結構如圖4所示,主要由橡膠管和端蓋組成,橡膠管的管壁中纏繞有螺距很小的鋼絲線圈,當橡膠驅動器充入高壓氣體時只能沿軸向伸長,從而實現了定向驅動。

氣壓式小口徑管道機器人結構簡單,制造成本低,易于小型化,牽引力大,對管道的適應能力強,但運動速度較慢。

2.2 超越式

為了克服一般小口徑管內移動機器人牽引力小、行走速度慢的缺點,哈爾濱工業大學于殿勇等[19]于1994年提出了如圖5所示的采用超越方式行走的蠕動式管內移動機器人運動原理,并研制了可在φ80mm～φ90mm管道內行走的試驗樣機。該機器人在兩端的支撐機構處安裝了超越行走裝置,可以保證機器人在管內單方向超越行走。

圖3 氣囊式小口徑機器人運動機理

圖4 驅動器

圖5 超越式小口徑管內機器人

采用超越方式行走的小口徑管內機器人通過采用超越裝置有效地解決了機器人行走時驅動力、機構與管壁間正壓力、摩擦力之間的矛盾,較大程度地增大了牽引力與運動速度,為小口徑管內機器人的工程化開辟了一條新的路徑。

2.3 慣性沖擊式

慣性沖擊式管內機器人的基本運動機理如圖6所示,主要由驅動元件與配重組成,通過合理配置驅動元件和配重的相對質量、控制驅動元件伸縮的快慢即可實現機器人在管道內部的雙向運動。根據驅動元件的不同分為壓電PZT式與電磁式等。

圖6 壓電慣性沖擊式小口徑管內機器人行走機理

1995年出現了第一臺基于慣性沖擊式驅動原理的微管內機器人,該機器人移動機構由彈性支撐腿、壓電陶瓷驅動器及慣性質量塊組成[20]。如圖6a所示,該機器人向右移動時壓電驅動器慢速伸展,保持慣性沖擊塊的慣性力小于支撐腿與管壁之間的靜摩擦力,此時機器人本體將保持靜止;然后壓電驅動器快速收縮,使慣性力大于靜摩擦力,則機器人將向前移動一段距離;如此反復可實現機器人的向右運動。將壓電驅動器的伸縮快慢順序交換,機器人將向左運動,如圖6b所示。

該機器人可適應管徑為φ8mm、移動速度達10mm/s的管道環境。為了解決疊堆型壓電驅動器發熱嚴重的問題,Denso公司于1997年推出了四層雙壓電薄膜驅動器并于1999年將該機器人改為無線方式,實現了機器人的高度集成化[21]。特別地,為了提高驅動效率,國內上海大學、大連理工大學、哈爾濱工業大學、浙江大學在壓電PZT驅動器的基礎上先后提出了層疊型PZT驅動器、雙壓電薄膜PZT驅動器和鈸形壓電復合驅動器。

圖7 電磁沖擊式小口徑管內機器人行走機理

慣性沖擊式小口徑管內機器人體積小、分辨率高、頻率響應高、機械-電能轉換系數大,但存在驅動力較小的問題。由圖6、圖7可知,該類機器人產生有效位移所需滿足的基本條件為：驅動力小于支撐腿與管壁間的逆向靜摩擦力,同時還須小于壓電驅動器產生的慣性推動力與順向靜摩擦力之差。

2.4 SMA式

形狀記憶合金經特定的記憶處理,低溫下發生塑性變形,當溫度升高到相變溫度點時,合金形狀將回復到最初狀態?；谠撛?法國L.M.S實驗室、L.A.B實驗室與L.A.I實驗室于2000年相繼進行了三種不同類型SMA式小口徑管內機器人的研究,均取得良好效果,實現了管道內的精確定位[15]。2006年,意大利的 Arianna等[23]應用SMA的蠕動原理研制成功的小口徑管內機器人,具有與毛毛蟲完全一致的外形及運動模式。

上海交通大學于2005年成功研制了一種基于SMA的管內蠕動機器人,該機器人的外觀呈正方體形,由位于正方體棱邊處的12個尺寸相同的SMA直線驅動器和位于頂點處的8個尺寸相同的支撐腳連接而成[24]。為了提高機器人的彎管適應能力,2006年王坤東等[25]將SMA應用于導向機構,機器人頭部偏轉機構在SMA的驅動作用下,可以實現頭部姿勢的調整,以完成腔道內壁的掃描與導向。2007年,浙江大學采用三段SMA作為驅動源設計的機器人具有可避障、可控制其步長、機構靈活等特點[26]。

形狀記憶合金作為微驅動器具有位移輸出大、定位精度高等優點,但其響應速度慢,對環境溫度的限制高,應用范圍較窄。

3 振動式小口徑管內機器人

GMA在外磁場的作用下會產生沿磁力方向相對形變的現象。表1所列為GMA與PZT的參數對比,通過對比可以發現GMA具有較為優良的驅動性能。

1990年日本東京工業大學研制成功一種基于GMA驅動的小口徑管內機器人,該機器人直徑為21mm,有16個振動腿,在外部磁場的激勵下產生振動,通過放大裝置將GMA輸出位移放大到振動腿的頂部即可實現行走,振動腿與管壁形成一定傾角,改變傾角方向可實現反方向行走[27]。

GMA與PZT的性能參數比較如表1所示。GMA材料的使用較PZT有較大程度的提高,且不需能量輸入線纜,但能量及運動控制均依靠管道外部的外加磁場,因此該類機器人的應用將很大程度地依賴于能源與信號無纜傳輸技術的發展。

表1 GMA與PZT性能參數比較

4 發展方向

小口徑管內機器人技術的研究按其系統組成可分為四個階段：移動機構的設計與優化,特殊傳感器的設計,能源與信號傳輸的無纜化以及自主控制的實現。

4.1 特殊傳感器設計

機器人在管道內進行檢測或維修時與外界完全隔離,需要對其所處位置、運行速度、工作姿態與周圍環境等狀態進行判別,同時還需探測、存儲管道內的各種信息。傳感器的使用成為必須,但由于管內作業環境具有狹小、密閉、陰暗、屏蔽等特殊性,常規傳感器、信號處理與傳輸方式均無法直接使用,目前僅有東京工業大學、日本Denso公司和日本東芝公司的小口徑機器人帶有傳感器[28]。因此,小口徑管內機器人所攜帶的傳感器系統必須具有較高的集成度與可靠性,傳感器性能的好壞將直接影響后續工作的難易程度,如所需傳輸的信號量。目前小口徑管內機器人自身工作狀態的判別只能借助于管外激光干涉儀和管外跟隨裝置間接實現[29]。

4.2 能源與信號傳輸的無纜化

目前小口徑管內機器人主要通過拖纜進行能源的供給與信號的傳遞,拖纜與管道之間所產生的摩擦力不可忽略,尤其是存在彎管或長距離作業時將出現電纜摩擦力遠大于有效負載的情形。因此,無纜驅動技術的研究具有重要的意義,是提高小口徑管內機器人可靠性與可行性的關鍵[30]。

由于一般工業管道多為彎曲的金屬管道,對無線信號的屏蔽現象非常嚴重,信號的傳輸質量會受影響,因此需針對管道特殊性的有效信號傳輸方式進行相應研究。同時數據量的大小直接決定著傳輸負載的大小,因此提高微圖像處理技術與數據壓縮技術將具有重要的意義。

無纜驅動主要有外場直接驅動與外場間接驅動兩種形式,前者包括光波、磁場、超聲波、微波以及熱能等形式,后者則有光電轉化與電磁轉化等形式,針對不同的應用場合應選取合適的驅動外場,以達到最高的傳輸效率。其中外磁場驅動方式研究與應用最為廣泛[31],1999年日本Denso公司對PZT型管內機器人采用射頻技術首次成功實現了無線能量與信號的傳輸[21]。

4.3 控制自主化

當機器人在管道中遇到管徑變化、彎道、T形或L形接頭等復雜環境時,需提前對自身姿態進行適當調整。對調整動作的主動控制不容易掌握調整量與調整時機,難以順利越障,因此需要管內機器人進行自主控制,在對其所采集的圖像進行實時分析的基礎上自動進行姿態的預前調整。

某些工作需多個機器人通過相互協調配合來完成,此時面向管道檢測的多機器人移動、控制協調及集成技術的研究成為必須。控制自主化已成為小口徑管內機器人真正實現工程化的關鍵所在。

[1] 張永順.國外微型管內機器人的發展[J].機器人,2000,22(6)：506-513.

[2] 王殿君,李潤平,黃光明.管道機器人的研究進展[J].機床與液壓,2008,36(4)：185-187.

[3] 張永順,鄧宗全,賈振元,等.管內輪式移動機器人彎道內驅動控制方法[J].中國機械工程,2002,13(18)：1534-1537.

[4] 孫麟治,陸林海,秦新捷,等.微型機器人用于檢查管道內的缺陷[J].光學精密工程,2003,11(1)：11-16.

[5] Toshio F,Hidemi H.Study on Inspection Mobile Robot for the Inside of Pipeline[J].Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers,1984,477(52)：1584-1588.

[6] 鄧宗全,王杰,劉福利,等.直進輪式全驅動管內行走機構的研究[J].機器人,1995,17(2)：121-122.

[7] 田海晏,薛龍,孫章軍.直進輪式微型管道機器人的行走系統設計[J].北京石油化工學院學報,2006,14(2)：33-36.

[8] 李鵬,馬書根,李斌,等.具有自適應能力管道機器人的設計與運動分析[J].機械工程學報,2009,45(1)：154-161.

[9] Iwao H,Nobuyuki I,Shigeru I.The Running Characteristics of a Screw-Principle Microrobot in a Small Bent Pipe[C]//Sixth International Symposium on Micro Machine and Human Science.Nagoya：IEEE,1995：225-228.

[10] 郭瑜.微小型螺旋推進管道機器人設計與分析[D].長沙：國防科學技術大學,2006.

[11] 蘇毅,李著信,王鵬飛,等.小口徑管道移動機器人的研究[J].機器人技術,2008,24(14)：245-247.

[12] Li Peng,Ma Shugen,Li Bin,et al.Design of a Mobile Mechanism Possessing Driving Ability and Detecting Function for In-pipe Inspection[C]//International Conference on Robotics and Automation.California：IEEE,2008：3992-3997.

[13] 劉強,王樹立,趙書華,等.油氣儲運行業管道機器人發展現狀與展望[J].管道技術與設備,2006(6)：24-26.

[14] Masaki T,Iwao H,Nobuyuki I,et al.The Development of an In-pipe Microrobot Applying the Motion of an Earthworm[C]//The 5th International Symposium on Micro Machine and Human Science.Nagoya：IEEE,1994 ：35-40.

[15] Anthierens C,Libersa C,Touaibia M,et al.Micro Robots Dedicated to Small Diameter Canalization Exploration[C]//Proceedings of the International Conference on Intelligent Robots and Systems.Takamatsq：IEEE/RSJ,2000 ：480-485.

[16] Bertetto A M,Ruggiu M.In-pipe Inch-worm Pneumatic Flexible Robot[C]//International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.Como ：IEEE,2001：1226-1231.

[17] Lim J,Park H,Moon S,et al.Pneumatic Robot Based on Inchworm Motion for Small Diameter Pipe Inspection[C]//Proceedings of the 2007 International Conference on Robotics and Biomimetics.Sanya：IEEE,2007：330-335.

[18] 都明宇,胥芳,張立彬,等.一種新型氣動蠕動機器人的機理研究[J].液壓與氣動,2003(3)：15-16.

[19] 于殿勇,鄭鋼鐵,孫序梁.蠕動式管內移動機構的一種模型[J].機器人,1994,16(5)：303-305.

[20] Idogaki T,Kanayama H,Ohya H,et al.Characteristics of Piezeoelectric Locomotive Mechanism for an In-Pipe Micro Inspection Machine[C]//Proceedings of Sixth International Symposium on Micro Machine and Human Science.Nagoya：IEEE,1995：193-198.

[21] 孫立寧,劉品寬,吳善強,等.管內移動微型機器人研究與發展現狀[J].光學精密工程,2003,11(4)：326-332.

[22] Sun Linzhi,Sun Ping,Qin Xinjie,et al.Micro Robot in Small Pipewith Electromagnetic Actuator[C]//International Symposium on Micro Mechatronics and Human Science.Nagoya：IEEE,1998：243-248.

[23] Arianna M,Dino A,Samuele G,et al.Development of a Biomimetic Miniature Robotic Crawler[J].Auton Robot,2006,21：155-163.

[24] 王嵩,曹志奎.一種基于SMA的管道里蠕動機器人及其反饋控制[J].傳動技術,2005,19(1)：29-32.

[25] 王坤東,顏國正.仿蚯蚓蠕動微機器人牽引與運動控制[J].機器人,2006,28(1)：19-24.

[26] 張雁雁,陳曉明,章碧野,等.細小管道機器人爬行驅動裝置[J].機電工程,2007,24(4)：7-9.

[27] 張永順,賈振元,丁凡,等.外磁場驅動無纜微型機器人行走特性的分析[J].機械工程學報,2003,39(6)：135-139.

[28] Suzumori K,Miyagawa T,Kimura M,et al.Micro Inspection Robot for 1-in Pipes[J].Transactions on Mechantronics,1999,4(3)：286-292.

[29] 郭彤.基于鈸形壓電復合驅動的微小管內機器人技術研究[D].航州：浙江大學,2005.

[30] 付國強,梅濤,孔德義,等.微型機器人外場驅動技術的研究現狀與發展[J].光學精密工程,2003,11(4)：333-337.

[31] Shibata T,Sasaya T,Kawahara N.Microwave Energy Supply System for In-pipe Micromachine[C]//Proceeding of the International Symposium on Micro-mechatronics and Human Science.Nagoya：IEEE,1998：237-242.