管道內壁光整打磨機器人的研制與發展動向分析

王會芝

（太原學院，山西 太原 030032）

制造業生產加工過程中，有大量工序涉及毛邊打磨、局部平整與特殊部位拋光等，以此實現將毛坯或半成品加工制作為可以應用于特殊場景并服務特定需求的精細化產品。隨著人口紅利逐漸消退以及勞動成本快速提升，在中國制造業發展水平提升帶來制造精細化加工需求增長的背景下，定向服務于管道等人工難以開展工作區域的光整打磨機器人技術也逐漸發展完善。從目前設計思路及應用經驗來看，管道光整打磨機器人能夠適應惡劣的工作環境、高強度的持續工作需求、以及成本可控且質量較好的表面打磨清理工作，以自動化機械的方式提升了管道平整工作效率，具有較好的技術基礎以及應用場景。

1 管道內壁打磨機器人介紹

管道經過出廠制備后形狀與性質基本固定，在長期使用過程中可能出現生銹、堵塞、開裂等問題，但是一體化的設計使其難以通過人工簡單拆卸實現打磨與維修，管道狹小逼仄的內部空間也使得工人健康、工作質量、成本控制難以保障。基于此，管道打磨機器人得以設計和應用。管道打磨機器人是一種通過自動定位、智能控制和機械臂等技術組合并實現管道內定向行走、遙感觀測和內壁光整打磨等工作的新型機電一體化裝置，能夠攜帶一種或多種傳感器及操作裝置，如電荷耦合器件攝像機、位置和姿態傳感器、管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置等，在操作人員的遠距離控制下，進行一系列管道檢測維修作業。管道內壁打磨機器人不僅可以應用于精密設備制造，還可以用于長期使用設備的檢修與維護，極大程度減少人工耗費、提升工作效率、保障光整打磨質量。

管道打磨機器人實質上是現代信息技術、遙感控制技術、機械工程技術等綜合應用的技術集合。這一方案的提出極大程度上突破了人工對現代工業發展的限制，實現了管道檢測的距離、寬度和精度的提升，減少了安全事故發生的概率，避免大范圍挖掘或局部隔斷對人們日常生活以及工業生產進程產生的負面影響。國外在此方面具有一定的技術優勢并以將其應用于核工業、應急響應、災難控制、環境監測等領域。國內持續優化技術升級和方案設計思路，目前已經在汽車零部件制造、衛浴用品加工、醫療器械制造等方面實現了小規模應用，也為其應用范圍擴大提供了示范。管道打磨機器人以其突出優勢已經成為交互機器人研發領域的新熱點。

2 管道內壁打磨機器人應用的關鍵技術

管道內壁打磨機器人需要實現聽取指令進入管道并通過控制實現打磨等工作的目標，因此機器人的使用需要保證定向識別、末端執行、遙感和誤差控制以及路徑規劃跟蹤各項功能有序開展，相應技術需要實現模塊間交叉配合。

2.1 定向識別

不同于早期機器人通過簡單的指令下發-傳達-執行實現預期目標，管道打磨機器人作為新型機器人，已經可以配備視覺、聽覺。觸覺等傳感設備，通過其自主接觸、信息識別、信息分析、學習輸出的方式，建立關于自動規劃打磨與工藝優化提升的專項數據庫，實現光整打磨智能判斷與至少完成最低預期目標的靈活工作方式。基于定向識別技術，管道打磨機器人突破了原有需要人工先行了解管道情況之后才能下達指令的限制，能夠應對復雜形狀、突發情況等作出自主判斷，運用模糊預測算法幫助人們作出決定，顯著節約了光整過程工作時間并提升了加工打磨質量。

2.2 末端執行設備

末端執行設備是管道打磨機器人得以實現光整打磨工作目標的直接工具，一般而言這一設備安裝于伸縮便捷、操作順利的機器人環信息接受與傳輸設備主體周圍，具體體現為光整打磨頭、夾取工具等，分為高打磨率的硬質材料工具和高精度要求的軟性材料工具兩大類。末端執行設備的配置能夠幫助管道打磨機器人在不同形狀、不同粗細和不同接觸面的密閉或半密閉空間內實現準確作業，也可以實現管道局部修復、清潔等相關工作，目前已經應用于船體管道平整工作場景的吸附打磨，鋼板焊接殘留物的管道平整機器人就配備了混合型機械操作裝置，一方面能夠基于實施控制和智能評價測量預期操作范圍、實現時間及預期結果，還能通過動態監測與方案調整配合不同精度操作需求實現準確作業，運用打磨頭、自由調節機械手和有軌移動底座的配合減少打磨工作中可能出現的誤差，實現高效打磨。

2.3 遙控與誤差控制策略

定向識別和末端執行技術都是管道打磨機器人功能得以發揮的重要支持，但是其工作開展的關鍵要素則是遙感與控制策略。管道打磨機器人的行進方向、風險判斷、方案設計和工作命令執行均需要統一的控制中心實現信息獲取、傳遞與指令調用，而管道機器人工作的區間通常存在高溫、高腐蝕性、沉浸水面以下等一項或多項特征，難以實現有線控制，信號傳遞具有復雜性、不可控性和高精準性，因此需要高敏感度的配套遙感設備應用其中。

從控制策略來看，打磨機器人需要有高精度的信息獲取、控制分析與準確打磨功能，目前通過的管道打磨機器人控制策略集中于兩大方向。其一是阻抗控制，即運用紅外創感等工作原理，動態收集移動過程中當前作業區位與預期成果定位范圍之間的偏差度，收集分析位置誤差、速度誤差等數據實現力度與剛度等作用力和作用方向的調整，當即將觸達預期邊界時則轉用軟性材料進行打磨平整。其二是力/位混合控制，即機器人以獨立的形式同時控制力和位置，在待打磨表面的方向使用在沒有位置約束的切向方向使用位置控制，但是這一控制方法存在運算總量大且穩定性不足的劣勢，在實際應用中難以有效推進。近年來隨著管道內壁打磨機器人應用案例增加，基于工具負載的重力補償算法和基于阻抗內環的力外環控制策略也被提出，在這一控制模式下，機器人可以通過計算期望力與實際力的誤差對機器人軌跡進行修正，有效規避了穩定性不足的問題，能夠使管道內壁打磨過程中用力更加精準與均勻，顯著提升了機器人的智能化水平。

2.4 軌跡規劃和路徑跟蹤

管道內壁機器人的打磨工作開展過程是一個動態連續的過程，機器人的行進路線、打磨用力方式都需要進行軌跡規劃與路徑跟蹤，以便最終實現內壁光整的目標。目前常用的方式是A*算法、快速行進法(FMM)、非線性規劃法、進化算法等，其技術核心是基于連續工作狀態建立連續工作的自適應模型并運用計算機算法得到關于機器人在線軌跡的預測和打磨模型的預測。智能控制策略與最優路徑規劃相結合的方法能有效地減輕管道內壁打磨機器人的結構振動，進而提升其系統穩定性和打磨操作精度。

3 管道內壁打磨機器人的優化發展方向

3.1 控制精度提升

隨著國內制造業生產內容技術水平與工藝進度持續提升，服務于特殊環境并能適應多元幾何形狀對象的管道打磨機器人應用范圍也持續擴大。從目前發展情況來看，管道內壁打磨機器人的電力傳輸、數據采集以及行走摩擦影響仍存在問題。基于此，未來管道內壁打磨機器人將考慮進行優化，配置橡膠外殼，體內放置單片機、控制電路、傳感器、發光二極管等設備，拓展刮削、攪拌、過濾、推進一體多元操作設備等方式對管道內壁打磨機器人進行優化，使得機器人適應更為復雜的環境，實現提升信息傳輸與判斷精度、提供更高質量服務、減少維修保養費用等方面的功能優化。

3.2 適用多元場景

管道內壁機器人具有高溫、防水、耐腐蝕等突出優勢，目前國內外均將其小規模應用于大型工業設備生產制造、維護保養等領域。未來，隨著管道打磨機器人技術成熟、成本控制與規模量產，其不僅能廣泛用于汽車零部件管道制備清理、固體火箭發動機殼體內壁絕熱層打磨作業、船只和城市地下管網水下管道打磨等領域，還有機會走入人們的日常生活，應用于家用管道疏通修復、電器清理保養等家居領域，為人們的日常生活提供便利。

4 結語

總結來看，隨著機械控制技術提升、機械精度提高以及管道平整要求提高，管道打磨機器人的定向識別、末端執行設備應用、遙控與誤差控制策略和軌跡規劃和路徑跟蹤技術也實現了持續發展與整合應用。管道打磨機器人具有控制進度提升和適用多元場景等發展潛力，有機會進一步服務于工業生產、日常生活等領域，為經濟發展和社會進步提供支持。