复合型机器人

1导言

现代工农业生产和日常生活中大量使用管道，如核电站的蒸汽发生器传热管、石油、化工和制冷行业的工业管道和气体管道等。大多数管道安装在人们不能直接到达或不允许直接干预的环境中。为了进行质量检测和故障诊断，采用传统的全面挖掘法、随机抽样法或系统法，工作量大，准确率低，因此有必要开发管道机器人来解决这些实际问题。管道机器人是一种机电一体化系统，可以在管道内或管道外移动，携带一个或多个传感器和操作器， 并且可以在操作人员的远程控制或计算机的自动控制下进行一系列流水线操作[1]。管道机器人可以在生产和安装过程中完成管道内外的质量检查工作；使用过程中焊缝、表面腐蚀、裂纹损伤的故障诊断；恶劣环境下管道清洗、喷涂、焊接、内抛光的维护；修复埋在地下的旧管道；管道内外设备的运输和救援等其他用途。

日本三菱电机公司住友电气工业公司和松下技术研究。公司联合开发了用于检测核电站蒸汽发生器传热管外表面的链式微型机器人系统[3]。如图2所示，它是一个分布式机器人自治系统，其功能和任务是通过分配给各个微型机器人单元和微型机器人之间的合作来完成的。单个微型机器人可以携带传感器在管板上的窄管束之间移动，并检测管板和传热管之间的接合处。多个微型机器人可以通过各自的连接器组合成一个封闭的链条，可以在传热管外上下移动进行检测。其关键技术包括微型零件的设计、制造和装配，微型机器人单元之间的机电连接和分离， 以及多个微型机器人的协调。图3是一个微型机器人单元的原型，尺寸在5 mm ×9 mm ×615 mm以内，质量为0142 g，移动速度为2 mm/s，该单元的原型由一个特殊的超微型电机驱动，机器人单元两端有一个轮子用来减速。机构，每个轮子减速行走。机构有三个磁轮，其中一个由微型电机通过微型减速器驱动，另外两个是水平和垂直从动轮。当在管板或传热管外表面上运动时，驱动轮和一个从动轮与运动表面接触，通过两端驱动轮的差速实现微型机器人的转向。微型电机和微型减速器的设计和制造是实现微型机器人的关键。微型马达的直径为116毫米，长度为2毫米， 转速为4 000转/分。微型减速器尺寸在5 mm ×5 mm ×115 mm以内，采用减速比为201的3 k行星齿轮系，微齿轮模数为0103 mm，采用微细电火花加工制造。在接收到外部指令后，微型连接器可以与相邻的微型机器人单元建立机械和电连接。连接器直径215 mm，厚度2 mm，由永磁体、螺旋弹簧和电磁铁组成。多个微型机器人可以通过连接器连成一圈，套在换热管道的外表面上移动。链式微机器人系统急需解决的问题是能量、控制信号、检测信号的无缆传输和微机器人单元的定位技术。

3小型管道外的家用机器人

哈尔滨理工大学机器人研究所开发了一种管外蠕动移动机器人[7]。图5是管外蠕动移动机器人的模型图。应该机构由爪1、2、旋转关节3、4和移动关节5组成。手爪1、2采用对称的V型结构，机器人由五个电机共同驱动。为了增加与管道的摩擦力，在爪的内侧附有橡胶块。直线运动时，手爪2握住管道，松开手爪1，驱动运动关节5，机器人向前运动。重复上述过程，实现直线运动。当遇到凸台时，手爪1抓住管道，松开手爪2，驱动关节3旋转180度，驱动关节4，使手爪2抓住管道， 然后重复上述过程通过boss。当遇到L型和T型管道时(图6)，手爪1握住管道，松开手爪2，驱动关节3旋转90度，驱动关节4旋转手爪所需角度(不同位置交叉时角度不同)。机器人在管道外的质量为815 kg，管道的适应直径为90 ~ 120 mm，跨越凸台的最大直径为200 mm。

上海交大机器人研究所研究了斜拉桥爬索机器人(斜拉桥的拉索可视为表面带有小螺旋槽的圆柱形、六边形或六边形实心管道)[8]，针对不同工况研制了气动爬行爬索机器人和电动连续爬索机器人。气动爬行爬缆机器人采用气动技术爬缆。机构爬行夹紧和移动由气缸实现。如图7所示，驱动缸的缸体与下体固定连接，活塞杆通过铰链与上体连接，上体和下体分别设有三个圆周均匀分布的夹紧缸和三个导向缸； 驱动夹紧筒和导向筒分别夹紧和接触夹紧筒前端的夹紧爪和导向轮与电缆表面，夹紧爪和导向轮的位置可沿径向调整，以适应不同直径的电缆；上体和下体之间还设有支架。机构其中，安装在下体上的支撑座中有一个直线运动轴承，供与上体连接的支撑杆在其中直线运动和轻微摆动。气动爬行爬缆机构在运动过程中，保证至少有一组上下夹爪夹在电缆上。攀爬电缆机构向上攀爬时，首先将下体夹爪夹在缆绳上，松开上体夹爪，带动气缸活塞杆伸出，上体向上移动； 然后上夹爪夹紧，下夹爪松开，带动气缸活塞杆缩回，下体向上运动；稍后重复上述动作。改变气缸和爬升索的动作顺序。机构完成下降功能。电动连续爬缆机器人的模型如图8所示。每个小车分别由电机通过减速器和链轮驱动。机构驱动前轮和后轮，使每个车轮都是驱动轮；压缩调节装置的基本部件是压缩弹簧，通过铰链与小车连接；压缩调节装置和导向轮的径向位置可以调节，以保持或接触电缆表面。实验结果表明，爬缆机器人工程样机能够在直径为80 ~ 200 mm的倾斜和垂直电缆上可靠攀爬， 250公斤的负载和10米/分钟的爬升速度。上海徐浦大桥和南浦大桥桥梁测试成功，并安装了相应的操作。机构模块，可以实现电缆涂装和检测功能。

4结论

近年来，国内外积极开展小型工业管道外机器人系统的研究和开发，并取得了一些实用成果。与管道内机器人相比，管道外工作的机器人没有管道内封闭圆柱面的导向或支撑作用，使其运动和控制更加困难。根据应用环境的不同，管道外的机器人有的工作在管道的外圆柱面上，有的工作在管道外表面附近的区域进行检查或维修。虽然管道外机器人的工作环境是结构环境，但机器人要么在管道(非直管)的三维外表面上运动，要么在非常狭窄的管束间隙内运动， 这对驾驶员和机器人的运动是有害的。机构都提出了特殊的要求。在管道外圆柱面上工作的机器人大多采用蠕动式运动方式(由电机、液压缸或气缸驱动，几个模块交替协同工作实现夹紧、伸缩，实现机器人的运动功能)，也有机器人采用连续式运动方式(通过压轮或形成封闭链条绕管道外表面连续运动)。在狭窄管束间隙中工作的机器人必须采用新颖灵巧的结构，以及许多尺寸微小的驱动器和传动装置。机构和实施机构都必须通过特殊的技术进行特殊的设计和开发，这就紧密结合了世界上的一个研究热点——MEMS。因为工作环境非常不同， 管外机器人系统只能专用。模块化设计是其发展方向。

小型工业管道外机器人系统的出现和发展是经济建设的客观需要，是管道外缺陷诊断和故障修复自动化发展的必然趋势，将在石油、化工和发电行业得到广泛应用。