摘要：细小工业管道机器人是可沿管道内部或外部移动，携带一种或多种传感器及操作器，在操作人员的遥控操作或计算机的自动控制下，能够进行一系列管道作业的机电仪一体化系统，其应用目标是细小工业管道的在役自动检查和维修。介绍了国内外几种典型的细小工业管道管外机器人系统，分析了样机的主要结构和工作原理，总结了管外机器人的特点，认为管外机器人系统将会在石油、化工等行业得到广泛的应用。
关键词：机器人；管道；移动；控制；检查

1 引言

现代工农业生产及日常生活中使用着大量管道，如核电厂的蒸汽发生器传热管、石油、化工、制冷行业的工业管道和煤气管道等，多数管道安装环境人不能直接到达或不允许人直接介入，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SCADA 系统法，工程量大，准确率低，因此需要开发管道机器人来解决这些实际问题。管道机器人是一种可沿管道内部或外部移动，携带一种或多种传感器及操作器，在操作人员的遥控操作或计算机的自动控制下，能够进行一系列管道作业的机电仪一体化系统[1 ] 。管道机器人可完成的作业有生产、安装过程中的管内外质量检测；使用过程中焊缝情况、表面腐蚀、裂缝破损等故障诊断；恶劣环境下管道清扫、喷涂、焊接、内部抛光等维护；对埋地旧管道的修复；管内外器材运送、抢救等其他用途。

2 国外细小管道管外机器人的典型系统

日本奥林帕斯光学有限公司的研究人员发明了适用于密闭容器管道或管束间的狭窄复杂区域检修作业的导管型微机器人[2 ] 。该机器可以通过小孔进入蒸汽发生器的传热管束间、电站涡轮机等的复杂机械系统，无须拆卸机械系统就可检查狭窄区域，并可以修复轻微损伤处。图1 为导管型微机器人的示意图，它由多自由度弯曲导管单元、修理操作手、1 个焊接设备、1对位姿探测设备和1 个监视设备组成。多自由度弯曲导管是这个系统的主体，外径8 mm；弯曲机构采用气压驱动器，因其输出功率高，所以这个单元是用多腔弹性聚合物制成，它具有能进入复杂狭窄区域的弯曲功能。机器人的末端装有1 对位姿检测设备，1 个监视设备和1 个修理单元。修理单元由1 对直径3 mm的机械手和1 个焊接设备组成；焊接设备可以焊接管子里面微小尺寸的裂纹；位姿检测设备是微小精密陀螺仪；监视设备由微激光扫描器和光学传感器组成，能测量缺陷大小和环境温度，并判断复杂机械系统内部的上下方向。修理操作手用SMA 盘制成。奥林帕斯光学有限公司开发了基于MIF (Multifunction Integrated Film ，多功能集成薄膜) 的三维安装技术来集成导管型微机器人的功能设备。MIF 是用半导体制造技术来制作整块设备，这项技术能够在几微米厚的柔性薄膜上高密度地集成导线和其他电子设备，在狭窄空间内精确地布置几个复杂的设备。MIF 技术高度集成安装了监视设备和位姿检测设备等功能部件。

图1 奥林帕斯光学有限公司的导管型微机器人

日本三菱电机公司、住友电气工业公司和松下技研公司共同研制出用于核电站蒸汽发生器的传热管外表面检测的链式微小机器人系统[3 ] 。如图2 所示，它是一个分布式机器人自治系统，功能任务通过分配给各个单独的微机器人单元，也通过微机器人间的合作完成。单个微机器人可携带传感器在管板上狭窄的管束间移动，对管板与传热管的交接处进行检测；多个微机器人可通过自身的连接器组合成一个封闭链，绕套在传热管外面上下移动检测。其关键技术有微小零部件的设计、制造、装配，微机器人单元之间的机电连接和分离，多微机器人协调等技术。图3 为开发出的微机器人单元样机，它的尺寸在5 mm ×9 mm ×615 mm以内，质量为0142 g ，移动速度为2 mm/ s. 该单元样机由特制的超微马达驱动，机器人单元两端各有1 个轮式减速行走机构，每个轮式减速行走机构有3 个磁性轮，1 个轮子由微马达通过微减速器驱动，另2 个是水平随动轮和垂直随动轮，当在管板上面或传热管外表面移动时，主动轮和某一个随动轮跟移动表面接触，微机器人的转向是通过两端主动驱动轮的差速来实现的。微马达和微减速器的设计制造是微机器人实现的关键， 微马达直径为116 mm ， 长2 mm ， 转速为4 000 r/ min. 微小减速器尺寸在5 mm ×5 mm ×115 mm以内，采用3 k型行星齿轮系统，减速比为201 ，微齿轮模数为0103 mm ，通过微细电火花加工方法制造。接收到外部指令后，微小连接器能和相邻的微机器人单元间建立起机械的和电气的连接， 连接器直径215 mm，厚2 mm ，由永磁铁、螺旋弹簧和电磁铁等组成。多个微机器人可以通过连接器连接成一圈，套在热交换管道外表面上移动。链式微小机器人系统亟待解决的问题有能量、控制信号、检测信号传输的无缆化以及微机器人单元的定位技术。

由美国联合爱迪生公司、帝国能源研究公司、公共电气服务公司和电力研究院组成的一个研究团体与福斯特·米勒有限公司签定协议，合作研制出了用于蒸汽发生器传热管管间检查和清洗的机器人系统，形成了一套成熟的技术[4 - 6 ] 。该机器人技术被称作CECIL (Consolidated Edison Combined Inspection and Lancing System ，联合爱迪生公司检查和冲洗一体化系统) ，如图4 所示。CECIL 系统是一套遥操作的机器人系统，通过它可以对压水堆核电厂的蒸汽发生器二次侧管间进行远距离的视频检查、冲洗和异物搜取等项工作，CECIL 已经成为了国际上蒸汽发生器二次侧管间检修最先进的技术，成功用于世界各地的核电厂。CECIL 机器人呈圆筒状，通过蒸汽发生器的手孔将导轨在中间管廊定位安装好后，圆筒状的机器人本体就能在导轨上沿纵向(自身轴线方向) 移动。CECIL 机器人最大的特点是使用了柔性臂，或称为柔性喷射枪，它在水平方向是柔软可弯曲的，但在垂直方向上却具有很高的刚度，柔性臂中有空间可装入导线或高压水管。它借助于弯曲的导向器对准每排管间所要求的位置，通过使用链轮与柔性臂上的孔相啮合来驱动柔性臂横向伸入到每排管间并从管间缩回，同时机器人的圆筒本体可以绕自身轴线转动，从而使得柔性臂末端的操作器(视频摄像头、高压水喷枪等) 可以定位到达蒸汽发生器管板与第一支撑板之间的任何一点。所有系统功能都是通过一个远离蒸汽发生器的工作站来监视控制，当CECIL 装置在蒸汽发生器内工作时，这个工作站(视频监视器、个人计算机、水控制系统和系统接口等) 提供给CECIL 操作员远距离控制手段和所有的信息反馈，借助于图形用户界面可对蒸汽发生器图像进行显示分析，机器人的状态和位置信息也连续不断地在界面上更新。CECIL的所有模拟、数字控制信号都来自于美国Opto22公司提供的控制系统，该控制系统使用了名为Opto Control 的基于流程图的控制语言，操作者可以通过游戏操纵杆来控制各个执行元件的动作。以前的蒸汽发生器检查技术需要检查人员长时间靠近蒸汽发生器的手孔来操作设备，辐照剂量较高，劳动强度较大，借助CECIL 进行远距离操作可使操作者所受的放射剂量比常规技术降低70 %。

3 国内的细小管道管外机器人

哈尔滨工业大学机器人所研制出了一种蠕动式管外移动机器人[7 ] 。图5 为蠕动式管外移动机器人的模型简图。该机构由手爪1 、2 ，转动关节3 、4 和移动关节5 所组成，手爪1 、2 采用对称V 形结构，机器人共用5 台电机通过减速装置驱动，为增加与管道之间的摩接力，手爪内侧贴有橡胶块。直线移动时，手爪2 握住管道，手爪1 松开后驱动移动关节5 ，机器人就前进一步。重复上述过程即可实现直线运动。遇到凸台时，手爪1 握住管道，松开手爪2 ，驱动关节3 旋转180°，并驱动关节4 ，使手爪2 握住管道，再重复上述过程即可通过凸台。遇到L 型、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°，并驱动关节4 使手爪旋转所需角度(在不同位置跨越时其角度也不同) 。该管外机器人质量为815 kg ，管道适应直径为90～120 mm ，可跨越凸台的最大直径为200 mm.

上海交通大学机器人研究所对斜拉桥爬缆机器人进行了研究(斜拉桥的缆索可看作是圆柱形、六棱柱形或表面有小螺旋槽的六棱柱形实心管) [8 ] ，针对不同的工况，研制了气动蠕动式爬缆机器人和电动连续式爬缆机器人。气动蠕动式爬缆机器人采用气动技术，爬缆机构由气缸实现蠕动式夹紧和移动。如图7 所示，驱动气缸缸体固接于下体上，活塞杆通过铰链与上体相联，上体和下体上分别设有圆周均布的3 个夹紧气缸和3 个导向气缸；驱动夹紧气缸、导向气缸分别使其前端的夹紧爪、导向轮与缆索表面夹紧、接触，二者的位置可沿径向调整以适应不同直径的缆索；上体和下体间还设有支撑机构，其中装在下体上的支撑座内设有直线运动轴承，供与上体相联的支撑杆在其内直线移动和轻微摆动。气动蠕动式爬缆机构运动中至少保证上下夹紧爪有一组夹紧于缆索上。爬缆机构向上爬升时，首先下体夹紧爪夹紧于缆索上，上体夹紧爪松开，驱动气缸活塞杆伸出，上体向上运动；然后上体夹紧爪夹紧，下体夹紧爪松开，驱动气缸活塞杆缩回，下体向上运动；以后重复上面的动作。改变气缸动作顺序，爬缆机构完成下降功能。电动连续式爬缆机器人模型如图8 所示，各小车分别由电机经减速器、链轮机构驱动前后车轮，使各车轮均为主动轮；压紧调节装置的基本构件为压缩弹簧，通过铰链与小车相联；压紧调节装置和导向轮的径向位置可以调整，实现与缆索表面的抱紧或接触。实验结果表明，爬缆机器人工程样机均能在倾斜和垂直缆索上可靠爬升，适应缆径为80～200 mm ，负载可达250 kg ，爬升速度可达10 m/ min. 样机在上海徐浦大桥、南浦大桥上成功地进行了试验，装上相应的操作机构模块，可实现缆索涂装和检测功能。

湖北机电研究院研制出一种折叠式机器人，可用于蒸汽发生器的管板下表面、传热管始末端和水室内表面的视频检查工作[9 ] 。该机器人采用计算机控制，并具有座标显示功能，机械手的安装不需人员进入蒸汽发生器的水室。可折叠式机械手分为定位支撑、上臂、中间臂和联接臂，3 条臂可折叠。定位支撑包括定位座、支撑导轨及小车滑板、可转平台、压紧装置等。机械手各运动部件均采用步进电机驱动，在计算机的控制下使摄像机旋转、臂端旋转、上臂、中间臂和联接臂水平回转，以完成水室内表面各个区的检查。

4 结束语

近年来，细小工业管道管外机器人系统的研究开发工作在国内外得到了积极的开展，取得了一些实用的成果。与管内机器人相比，在管道外面进行管道作业的机器人由于没有了管道内封闭圆柱面的导向或支撑作用，因而使得其移动和控制都更加困难。根据具体应用环境的不同，管外机器人有的是在管道外圆柱表面上作业的，有的是在管道外表面附近区域进行检查或修理工作的。虽然管外机器人的工作环境是结构环境，但是机器人或者在三维的管道外表面(非直管)上移动，或者在很狭窄的管束间隙中移动，这对机器人的驱动器和移动机构都提出了特殊的要求。在管道外圆柱表面上作业的机器人大多采用蠕动式的移动方式(通过电机、液压缸或气缸驱动，由几个模块交替、协调工作进行夹持、伸缩等动作，从而实现机器人的移动功能) ，也有的机器人采用连续的移动方式(通过压紧轮或形成封闭链包绕在管子外表面连续移动) 。在狭窄的管束间隙中工作的机器人必须采用新颖灵巧的结构，很多尺寸微小的驱动器、传动机构和执行机构都要采用特殊工艺专门设计开发，这和当今世界上的一个研究热点———微机电系统(MEMS) 紧密结合在一起。由于工作环境千差万别，管外机器人系统只能是专用的，模块化设计是其发展方向。

细小工业管道管外机器人系统的出现和发展是经济建设的客观需要，是管道外部的缺陷诊断、故障修复工作自动化发展的必然趋势，必将在石油、化工和发电等行业得到广泛的应用。

参考文献
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[ 9 ] 万兴奖，王铁军，常恒毅. 一种折叠式机器人. 中国专利:952262290.1996 - 10 - 2.