小口径管内机器人技术的研究进展

小口径管内机器人技术的研究进展乔晋崴暋尚建忠暋陈暋循暋罗自荣国防科学技术大学,长沙,410073摘要:从小口径管内机器人的特殊应用场合出发,针对无流体管道工作环境,将小口径管内机器人按运动方式概括为轮式、蠕动式与振动式三种类型,以驱动源为分类标准详细介绍了各种小口径管内机器人的发展过程与研究现状,并对其优缺点及适用场合予以分类讨论。在此基础上将小口径管内机器人技术的研究发展分为四个阶段,依次为移动机构的设计与优化、特殊传感器的设计、能源与信号传输的无缆化,以及自主控制的实现,明确了小口径管内机器人技术发展的研究内容。关键词:小口径;管内机器人;移动方式;驱动方式中图分类号:TP24暋暋暋文章编号:1004—132X(2010)10—1254—06ResearchandDevelopmentofSmallIn-pipeRobotsQiaoJinwei暋ShangJianzhong暋ChenXun暋LuoZirongNationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha,410073Abstract:Basedonspecialapplicationoccasions,thesmallin-piperobotsworkinginthenon-liquidpipesweredividedintothreetypes,wheeltype,inchwormtypeandquivertype.Then,eachtypewasclassifiedagainbydifferentdrivers,whosedevelopmentprocess,presentstatus,advantages,shortagesandapplicationsituationweredescribedparticularly.Afterthis,theresearchofsmallin-piperoboticswasseparatedintofourstages,whichindicatedthedesignandoptimizationoflocomotivemechanism,thedesignofspecialsensors,realizationofwirelessenergyandsignaltransmissionandselfcontrol.Ithassuccessfullymadetheresearchworkofsmallin-piperobotsclear.Keywords:smalldiameter;in-piperobot;movingmode;drivingmode收稿日期:2009—10—10基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目(2007AA04Z256)0暋引言在石油化工、制冷与核发电等行业中大量使用着形状各异、内径不等的各种管道,长期使用所造成的腐蚀或机械损伤会引起裂缝,容易酿成重大事故。管内机器人技术的发展为该问题的解决提供了一条新的途径。小口径管内机器人主要指适用管道直径小于80mm[1]、可携带相关仪器设备进入管道内部进行无损检测或维修的移动平台,通过及时获得管道内壁的实时状态参数可减小因管道泄漏所带来的环境污染与经济损失。小口径管内机器人的研究机构在国外主要有东京工业大学、名古屋大学、Denso公司、METTEC公司、三菱公司、L.M.S实验室、L.A.B实验室、L.A.I实验室,以及美国加州理工大院等;国内则主要有上海大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、中国科学技术大学、广州工业大学与国防科学技术大学等。一个完整的具有自主驱动能力的管内机器人系统应由移动机构、管道内部环境识别与检测系统、信号传递和动力传输系统以及控制系统组成[2]。其中移动机构是确保管内机器人实现有效运动的核心部分,主要包括驱动机构与支撑机构,前者为机器人的动力输出部分,后者则负责与管壁产生接触,形成力与形的封闭。驱动机构形式主要有电机式、气压式、压电陶瓷(PZT)式、超强磁致合金(GMA)式、记忆合金(SMA)式;支撑机构则主要有轮式、弹性腿式、SMA式、气囊式和其他挤压结构形式等。上述驱动机构和支撑机构不同类型机构之间相互组合可形成多种形式的管内机器人,但由于小口径管道的尺寸限制,其移动方式主要表现为轮式、蠕动式与振动式三种类型。1暋轮式小口径管内机器人轮式小口径管内机器人的基本工作原理为:驱动轮依靠重力、弹簧力、磁性力等压紧在管道内壁上以支承机器人本体并产生一定的正压力,由驱动轮与管壁之间的摩擦力产生机器人前后行走的驱动力,以实现机器人的移动[3]。轮式管内机器人在目前实际工程中应用最多,分为直进式与螺旋式,前者驱动轮与行进方向平行,后者驱动轮与行进方向成一定角度,基于螺旋传动思想,由倾斜安装的摩擦轮与管壁之间的摩擦推力产生运动[4]。直进式移动方式出现较早,日本学者福田敏男、细贝英夫于1986年研制了一种可通过L形·4521·中国机械工程第21卷第10期2010年5月下半月圆弧管道的管内机器人,适应管径为毤50mm,速度为8灡1mm/s,可转弯但不可逆行[5]。国内对轮式微管内机器人的研究起步较晚,1995年哈尔滨工业大学邓宗全等[6]开展了可用于内径大于毤75mm的管内补口作业机器人的研究。为了提高管内移动机构的负载能力、运行速度以及对管径变化与弯管的适应性,2006年北京石油化工学院田海晏等[7]成功设计了如图1所示的由蜗轮蜗杆和齿轮组啮合、单电机驱动的直进轮式微型管内检测机器人。2009年中国科学院沈阳自动化研究所完成了具有自适应能力的管内机器人,在不增加驱动电机数量的前提下,机器人的传动机构能够在管道直径改变时,自动改变行走部件的输出形式以克服障碍,完成越障任务[8]。图1暋直进轮式基于螺旋驱动原理的小口径管内机器人最早于1994年由日本东京工业大学的Iwao等[9]研发成功,该机器人可在内径为毤25灡4mm的管道内自由移动,直管道中的最大牵引力为12N,随后相继实现了对毤20mm管道的内部检测。国内国防科学技术大学于2006年设计的螺旋式小口径管内机器人可适用的管道内径为毤20mm[10]。为了提高机器人的管道适应性,苏毅等[11]于2008年提出了一种同轴双牵引轮组螺旋驱动机器人,该机器人可实现跨空行走、弯道引导、逾越障碍等。同时期一种带有检测功能的螺旋式小口径管内机器人在沈阳自动化所研制成功[12]。轮式小口径管内机器人的能源利用率高,运动速度快,但存在适应性差、结构复杂、不利于小型化的缺点。该类机器人实现有效行走的前提为滚动轮与管壁之间预紧力大小保持适中,当管径有所变化时将出现牵引力过小或速度过小的情形,如需通过管道的弯曲部位则更需要专门的机械机构或控制方法。螺旋式管内机器人虽然可通过调整速度来主动调整牵引力,但由于周向螺旋力的存在使得机器人主体存在着沿管道圆周方向转动的趋势,同时,该类机器人较直轮式更难通过弯管。2暋蠕动式小口径管内机器人蠕动式小口径管内机器人的运动是通过模仿蚯蚓、毛毛虫等尺蠼类动物的伸缩运动来实现的,其研究最为引人关注[13]。该类机器人的结构组成为前后各一组支撑机构,中间为伸缩机构,如图2所示。图2中由状态1到状态3为小口径管内机器人的一个运动周期,状态1通过伸缩机构的收缩运动转化为状态2,在此过程中支撑机构2与管壁保持静止,支撑机构1沿管道滑动;状态2到状态3为单向机构的伸长过程,期间支撑机构1、支撑机构2分别与管壁保持静止与滑动,完成一个运动周期后,机器人的有效行程为殼L。该类机器人主要包括气压式、超越式、惯性冲击式与SMA式等。1.支撑机构1暋2.伸缩机构暋3.支撑机构2图2暋蠕动式机器人运动原理2.1暋气压式气压式小口径管内机器人分为两种,一种以气缸为动力源,另一种则采用气囊等作为支撑机构[14飊16]。2007年韩国汉阳大学Lim等[17]设计了一种气囊式蠕动式小口径管内机器人,该机器人巧妙地采用一根气管对三个气囊进行顺序充气或排气,实现了机器人本体的前进与后退,并在此基础上成功研发了直径为毤10mm的试验样机,其基本运动机理如图3所示。浙江工业大学都明宇等[18]于2003年开始设计一种基于气动驱动器的新型蠕动式小口径管内机器人,其驱动器结构如图4所示,主要由橡胶管和端盖组成,橡胶管的管壁中缠绕有螺距很小的钢丝线圈,当橡胶驱动器充入高压气体时只能沿轴向伸长,从而实现了定向驱动。气压式小口径管道机器人结构简单,制造成本低,易于小型化,牵引力大,对管道的适应能力强,但运动速度较慢。2.2暋超越式为了克服一般小口径管内移动机器人牵引力·5521·小口径管内机器人技术的研究进展———乔晋崴暋尚建忠暋陈暋循等(a)充气(b)放气图3暋气囊式小口径机器人运动机理图4暋驱动器小、行走速度慢的缺点,哈尔滨工业大学于殿勇等[19]于1994年提出了如图5所示的采用超越方式行走的蠕动式管内移动机器人运动原理,并研制了可在毤80mm~毤90mm管道内行走的试验样机。该机器人在两端的支撑机构处安装了超越行走装置,可以保证机器人在管内单方向超越行走。图5暋超越式小口径管内机器人采用超越方式行走的小口径管内机器人通过采用超越装置有效地解决了机器人行走时驱动力、机构与管壁间正压力、摩擦力之间的矛盾,较大程度地增大了牵引力与运动速度,为小口径管内机器人的工程化开辟了一条新的路径。2.3暋惯性冲击式惯性冲击式管内机器人的基本运动机理如图6所示,主要由驱动元件与配重组成,通过合理配置驱动元件和配重的相对质量、控制驱动元件伸缩的快慢即可实现机器人在管道内部的双向运动。根据驱动元件的不同分为压电PZT式与电磁式等。暋暋(a)向右移动(b)向左移动图6暋压电惯性冲击式小口径管内机器人行走机理1995年出现了第一台基于惯性冲击式驱动原理的微管内机器人,该机器人移动机构由弹性支撑腿、压电陶瓷驱动器及惯性质量块组成[20]。如图6a所示,该机器人向右移动时压电驱动器慢速伸展,保持惯性冲击块的惯性力小于支撑腿与管壁之间的静摩擦力,此时机器人本体将保持静止;然后压电驱动器快速收缩,使惯性力大于静摩擦力,则机器人将向前移动一段距离;如此反复可实现机器人的向右运动。将压电驱动器的伸缩快慢顺序交换,机器人将向左运动,如图6b所示。该机器人可适应管径为毤8mm、移动速度达10mm/s的管道环境。为了解决叠堆型压电驱动器发热严重的问题,Denso公司于1997年推出了四层双压电薄膜驱动器并于1999年将该机器人改为无线方式,实现了机器人的高度集成化[21]。特别地,为了提高驱动效率,国内上海大学、大连理工大学、哈尔滨工业大学、浙江大学在压电PZT驱动器的基础上先后提出了层叠型PZT驱动器、双压电薄膜PZT驱动器和钹形压电复合驱动器。电磁式惯性冲击小口径管内机器人的研究工作主要集中于国内,上海交通大学、上海大学、广州工业大学、太原理工大学等都作了相关研究。图7所示为上海大学1998年研制的电磁蠕动式小口径管内机器人基本运动原理,该机器人主要由电磁驱动器M2、弹性腿、弹簧衔铁M3和平衡质·6521·中国机械工程第21卷第10期2010年5月下半月量块M1等部件组成。在弹性腿的单向作用下电磁铁吸合时质量块M1将保持静止,机体向左移动,当电磁铁断电时机体保持静止,质量块M1在弹力作用下向左移动,完成一个运动周期[22]。图7暋电磁冲击式小口径管内机器人行走机理惯性冲击式小口径管内机器人体积小、分辨率高、频率响应高、机械-电能转换系数大,但存在驱动力较小的问题。由图6、图7可知,该类机器人产生有效位移所需满足的基本条件为:驱动力小于支撑腿与管壁间的逆向静摩擦力,同时还须小于压电驱动器产生的惯性推动力与顺向静摩擦力之差。2.4暋SMA式形状记忆合金经特定的记忆处理,低温下发生塑性变形,当温度升高到相变温度点时,合金形状将回复到最初状态。基于该原理,法国L.M.S实验室、L.A.B实验室与L.A.I实验室于2000年相继进行了三种不同类型SMA式小口径管内机器人的研究,均取得良好效果,实现了管道内的精确定位[