無(wú)纜化工管道機(jī)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(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的化工管道已經(jīng)普及到我國(guó)社會(huì)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(duì)其進(jìn)行檢修。化工管道機(jī)器人由于它的準(zhǔn)確、高效和經(jīng)濟(jì)性慢慢發(fā)展起來(lái)。管道機(jī)器人的能源供給方式有兩種:有纜方式或無(wú)纜方式［1-3］。無(wú)纜檢測(cè)機(jī)器人主要分為蓄電池式、差壓式和充電式。有纜化工管道機(jī)器人當(dāng)檢測(cè)機(jī)行走距離達(dá)到一定程度時(shí)，尤其轉(zhuǎn)彎較多時(shí)，纜線與管壁的摩擦力會(huì)逐漸變大，因此這種檢測(cè)機(jī)不能長(zhǎng)距離檢測(cè)［4］。而蓄電池由于受體積限制所儲(chǔ)存的能量有限，同時(shí)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(jī)器人的行走距離受到限制［3。差壓式的化工管道機(jī)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(jī)器人由于有源源不斷的能量補(bǔ)充，并且調(diào)速、越障性能都很好，所以無(wú)纜的充電式的化工管道機(jī)器人更符合實(shí)際應(yīng)用。

1 國(guó)內(nèi)無(wú)纜管道機(jī)器人的研究進(jìn)展

1.1 外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)無(wú)纜化工管道機(jī)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(jī)器人［6］，這種管道機(jī)器人以超磁致伸縮合金為驅(qū)動(dòng)器。從而實(shí)現(xiàn)了以管外的磁場(chǎng)能量來(lái)使微型管道機(jī)器人行走，屬于無(wú)纜驅(qū)動(dòng)，并且提高了其使用的可靠性，實(shí)用性也非常良好。控制原理是通過(guò)管外時(shí)變振蕩磁場(chǎng)頻率的改變，媒介于機(jī)器人磁致伸縮微驅(qū)動(dòng)器的磁機(jī)耦合作用，將時(shí)變振蕩磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)器人彈性腿的振動(dòng)機(jī)械能從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走。機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)Fig. 1 The structure of Extracorporeal magnetic driving robot

磁場(chǎng)最強(qiáng)的地方是激勵(lì)線圈的軸心線處，來(lái)自電磁控制器的具有一定頻率的波型電壓會(huì)通過(guò)電流負(fù)反饋功放模塊，并且會(huì)在線圈中產(chǎn)生具有同樣頻率的時(shí)變振蕩磁場(chǎng)，這種震蕩磁場(chǎng)會(huì)被機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器用來(lái)進(jìn)行磁一機(jī)耦合作用，這樣就會(huì)使振蕩磁場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)換為直線的振動(dòng)能量，這種直線的振動(dòng)能量會(huì)被機(jī)器人上的微位移放大機(jī)構(gòu)傳到機(jī)器人的彈性腿上，這樣彈性腿就有能量相對(duì)管壁來(lái)振動(dòng)，靠著與管壁間的摩擦力就可以使機(jī)器人行走。

1.2 微波供能無(wú)纜化工管道機(jī)器人

上海大學(xué)研制出了一種以無(wú)線微波供能的新型無(wú)纜管道機(jī)器人［7］。它包括微波激勵(lì)裝置和微波接收裝置。這種管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理是采用了波導(dǎo)傳輸?shù)脑恚诠艿朗刮⒉梢赃M(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(jī)器人供能單元一整流天線接收并轉(zhuǎn)換成直流電。管道機(jī)器人的微波供能系統(tǒng)如圖2所示。無(wú)線的微波能量會(huì)被微波激勵(lì)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(jī)器人中會(huì)帶有無(wú)線的微波接收裝置，就是整流天線，機(jī)器人會(huì)利用這個(gè)裝置將接收到的微波能量轉(zhuǎn)換成直流電源，為機(jī)器人的的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力源。

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

圖3 是微波激勵(lì)裝置示意圖。微波固態(tài)源產(chǎn)生毫瓦級(jí)的小功率微波信號(hào)，經(jīng)功率放大，放大到瓦級(jí)功率電平，再經(jīng)過(guò)定向耦合器、波導(dǎo)一同軸轉(zhuǎn)換器、矩．圓波導(dǎo)過(guò)渡器和過(guò)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(jī)器人在運(yùn)行的過(guò)程中微波的功率都是不穩(wěn)定的，變化很大，所以我們?cè)跈C(jī)器人的功率放大器上加了個(gè)電控衰減器，使其功率趨于相對(duì)穩(wěn)定，機(jī)器人在管道運(yùn)行時(shí)要有一定的運(yùn)行速度和距離，所以功率放大器的增益要根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)行狀況，并要與之相匹配，這樣機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中接受到的微波功率就會(huì)趨于穩(wěn)定，那么機(jī)器人的運(yùn)行就會(huì)穩(wěn)定。

圖3 微波機(jī)器人激勵(lì)裝置圖Fig. 3 The promote device of microwave robot

1.3 新型無(wú)纜化工管道機(jī)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(jī)器人［8］。如圖4這種機(jī)器人檢測(cè)距離非常長(zhǎng)，新型能源自給式管道機(jī)器人是無(wú)纜管道機(jī)器人,并且可以在管道中進(jìn)行能源補(bǔ)充,從而增加工作距離。并且管道機(jī)器人可以在需要的時(shí)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(guò)性能。

圖4 新型無(wú)纜管道機(jī)器人模型Fig. 4 The model of cable-less piping robot

由圖4可知，機(jī)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(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)，另一方面，葉輪也在自轉(zhuǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)的作用下將流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，在蓄電池中儲(chǔ)存下來(lái)，為機(jī)器人其他的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)提供能量。機(jī)器人的速度調(diào)節(jié)主要是在運(yùn)動(dòng)輪上多加了電磁圈和銜鐵，當(dāng)機(jī)器人需要降速時(shí)，對(duì)電磁圈進(jìn)行充電，那么銜鐵被帶磁性的電磁圈吸下來(lái)，從而增加了運(yùn)動(dòng)輪與壁面的摩擦，實(shí)現(xiàn)了降速；當(dāng)不需要降速時(shí)，就不在對(duì)電磁圈充電，銜鐵被彈簧拉走，速度回歸正常。機(jī)器人的換向是由導(dǎo)向頭部來(lái)完成，頭部有三塊電磁鐵和三個(gè)支撐桿，當(dāng)需要換向時(shí)，電磁鐵中的一個(gè)或是兩個(gè)進(jìn)行充電，使三個(gè)支撐桿被帶電的磁鐵吸引，從而達(dá)到換向的功能，三個(gè)電磁鐵可以實(shí)現(xiàn)六個(gè)方向的變換，如果需要的話，還可以增加電磁鐵，實(shí)現(xiàn)更多方向的變換。

2 國(guó)外無(wú)纜管道機(jī)器人的研究進(jìn)展

2.1 美國(guó)EXPLORER無(wú)纜化工管道機(jī)器人

2001年在美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局(NASA)的資助下，美國(guó)的紐約煤氣集團(tuán)公司(NYGAS)的DPahne D’Zurko和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人技術(shù)學(xué)院的 HagneSchempf博士一起研制出來(lái)了用于長(zhǎng)距離的，并且是無(wú)纜方式的管道機(jī)器人，名字叫EXPLORRE管道機(jī)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(guó)EXPLORRE管道機(jī)器人Fig. 5 The pipeline robot of America EXPLORRE

該管道機(jī)器人EXPLORER的特征如下：

(1) 機(jī)器人采用無(wú)纜方式，自帶電池，并且電池在工作時(shí)可以反復(fù)充電，由于有充足的能源，所以檢測(cè)距離很長(zhǎng)，而且機(jī)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(jī)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(guò)垂直管道，并且在90°的彎管接頭中也能順利通過(guò);

(5) 機(jī)器人與技術(shù)人員的連接是無(wú)線的通訊方式。

2.2 日本紫外光供能無(wú)纜管道機(jī)器人

日本Nagoya大學(xué)Fukuda等研制出來(lái)了用紫外光來(lái)提供運(yùn)動(dòng)能量的移動(dòng)微機(jī)器人［10］，這種機(jī)器人是懸浮起來(lái)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖6所示。首先在空氣壓力的作用下，上平板會(huì)慢慢的升起，懸浮在空中，然后紫外線會(huì)光照到焦熱電單元上，這樣就會(huì)產(chǎn)生一定的電壓，此電壓會(huì)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(huì)在靜電力的作用下在水平方向運(yùn)動(dòng)。

3 無(wú)纜管道機(jī)器人的常見問(wèn)題

3.1 定位

我們常用的管道檢測(cè)機(jī)器人的定位問(wèn)題一般是

圖6 紫外光懸浮微機(jī)器人操作過(guò)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(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定位，但是機(jī)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(cè)速法，會(huì)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(huì)存在一些沉積物或者內(nèi)壁缺陷造成了機(jī)器人行進(jìn)的障礙［11］。檢測(cè)機(jī)器人在進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中必須有能力克服這些障礙，能夠順利的通過(guò)才能完成整體的檢測(cè)任務(wù)，無(wú)纜機(jī)器人由于它有源源不斷的能量來(lái)源，并且有相匹配的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)機(jī)構(gòu)，它的越障性能已經(jīng)有很大的改善，但是有些較長(zhǎng)的機(jī)器人在“T”型管道中的通過(guò)性能并不是很強(qiáng)，比如前面所說(shuō)的美國(guó)EXPLORER無(wú)纜管道機(jī)器人，所以這方面還有待需要優(yōu)化。

3.3 通訊性能

管道機(jī)器人在對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)需要及時(shí)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(jī)器人所在的位置和工作環(huán)境，并發(fā)出指令使機(jī)器人能夠高效的完成工作。通訊問(wèn)題主要分兩種方式：一種是有纜的，另一種是無(wú)線的通訊方式。無(wú)纜管道機(jī)器人只能使用無(wú)纜的通訊方式，這種方式的信號(hào)會(huì)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(shí)，電磁的屏蔽作用會(huì)使信號(hào)難以傳遞出去。所以如何準(zhǔn)確的傳遞訊息是無(wú)纜機(jī)器人研究的重要問(wèn)題。

3.4 管徑的自適應(yīng)性

現(xiàn)有的管道機(jī)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(jī)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(jī)器人的工作空間會(huì)受到極大的限制。比如前邊提到的新型無(wú)纜管道機(jī)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(jī)器人的外徑尺寸，使機(jī)器人能在各種直徑的管道中行走作業(yè)［12］。所以管道機(jī)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(jī)器人的無(wú)纜的供能方式已是機(jī)器人的一個(gè)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(chǎng)、微波、紫外線等等外界能量轉(zhuǎn)化為化工管道機(jī)器人的機(jī)械能，所以使機(jī)器人的無(wú)纜供能成為可能。但是無(wú)纜化工管道機(jī)器人目前由于技術(shù)的限制還存在大量的問(wèn)題，所以無(wú)纜化工管道機(jī)器人只是處在理論的可行層面，正在進(jìn)行試驗(yàn)階段的研究和探索，還并沒有廣泛應(yīng)用。要在上面幾個(gè)重大的問(wèn)題上取得關(guān)鍵性的技術(shù)突破，無(wú)纜管道機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用才能成為現(xiàn)實(shí)。

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