【正文】 二、管道機(jī)器人技術(shù)綜述 機(jī)器人技術(shù)屬于自動(dòng)化領(lǐng)域高科技范疇之一，研制機(jī)器人的主要目的之一就是要代替人在危險(xiǎn)的或者人無(wú)法到達(dá)的環(huán)境下作業(yè)。上個(gè)世紀(jì)五十年代，隨著電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，使得機(jī)器人的發(fā)展步伐加快，這也使人們研究能自主、重復(fù)操作的更加復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)成為可能。緊接著，歐洲的第一臺(tái)程序控制一號(hào)操作工業(yè)機(jī)器人于1963年由瑞典一家公司推出，這標(biāo)志著機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。在上述非結(jié)構(gòu)環(huán)境中作業(yè)的機(jī)器人統(tǒng)稱為特種機(jī)器人。 現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)及日常生活中使用著大量管道，石油、天然氣、化工等領(lǐng)域也應(yīng)用了大量管道，這些管道大多埋在地下或海底，輸送距離近千里，它們的泄漏會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染甚至于引起火災(zāi)，多數(shù)管道安裝環(huán)境人們不能直接到達(dá)或人們無(wú)法直接介入，因此，質(zhì)量檢測(cè)、故障診斷的課題十分迫切地?cái)[在我們面前。到了70年代末，隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，PIG技術(shù)已經(jīng)成熟。PIG的特點(diǎn)是實(shí)用性好、行走距離遠(yuǎn)，可達(dá)300公里左右，而且不拖線作業(yè)，但是PIG類檢測(cè)設(shè)備無(wú)自動(dòng)行走能力，移動(dòng)速度及檢測(cè)區(qū)均不易控制，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)它不能算做是機(jī)器人。實(shí)踐已經(jīng)證明隨著管道機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。（一）車輪式管道機(jī)器人 由于輪式行走具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、行走連續(xù)平穩(wěn)、速度快、可靠性高、行走效率高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛。輪式機(jī)器人的行走方式有兩種，如果驅(qū)動(dòng)輪軸線不與管道軸線垂直，驅(qū)動(dòng)輪實(shí)際上沿著管道中某一螺旋線行走，機(jī)器人一邊向前移動(dòng)，一邊繞管道軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋運(yùn)動(dòng)沿軸線上的速度分量即是機(jī)器人本體的移動(dòng)速度，這就是輪式螺旋運(yùn)動(dòng)式管內(nèi)移動(dòng)式機(jī)器人的行走過(guò)程。除此以外，輪式管道機(jī)器人還可以開(kāi)發(fā)出在彎道內(nèi)行走的功能。這種機(jī)器人能在直管或者大曲率半徑的管道內(nèi)行走，以滿足管道實(shí)際工程中的需要。 如圖2．1所示為日本東京理科大學(xué)福田敏男等研制的可以通過(guò)90度彎管的管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的樣機(jī)，機(jī)人由可相對(duì)回轉(zhuǎn)的頭部和本體組成，當(dāng)機(jī)器人沿直管行走時(shí)，本體上的電機(jī)MI通過(guò)減速裝置將動(dòng)力傳給本體上的驅(qū)動(dòng)輪，當(dāng)機(jī)器人沿彎管行走時(shí)，電機(jī)M2驅(qū)動(dòng)頭部做姿態(tài)調(diào)整，并驅(qū)動(dòng)頭部履帶引導(dǎo)機(jī)器人通過(guò)彎管。該機(jī)器人成功地通過(guò)了“L”型彎圖21 通過(guò)90度彎管的管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人 如圖2．2所示大阪燃?xì)庵晔綍?huì)社研制的內(nèi)置磁鐵輪式煤氣管道機(jī)器人[2]。 圖22 輪式煤氣管道機(jī)器人 從以上例子可以看出，人們?cè)谘兄贫喾N形式的輪式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人方面作出了很大努力，并取得了一定的成績(jī)。 日本日揮公司1986年研制的履帶式管道機(jī)器人，該機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩條夾角可以隨管徑變化的履帶構(gòu)成，用于水平管道內(nèi)行走，其具體技術(shù)指標(biāo)為：適應(yīng)管徑：400～600mm：行走速度：5m／min；轉(zhuǎn)彎性能：可通過(guò)900水平圓彎管。 （三）其他類型的管道機(jī)器人 有了車輪式和履帶式管道機(jī)器人之后，人們?cè)诠軆?nèi)行走方式上繼續(xù)探索新穎的機(jī)構(gòu)形式，通過(guò)對(duì)蚯蚓、毛蟲等穴居動(dòng)物的觀察，發(fā)現(xiàn)它們是靠身體的伸縮運(yùn)動(dòng)的，首先是用尾部支撐地面，身體伸長(zhǎng)帶動(dòng)頭部向前運(yùn)動(dòng)；然后再由頭部支撐地面，身體收縮，帶動(dòng)尾部向前運(yùn)動(dòng)，如此循環(huán)下去，實(shí)現(xiàn)了在洞穴內(nèi)行走。蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的蠕動(dòng)需要支撐、縮回，這些運(yùn)動(dòng)都是直線的，不如轉(zhuǎn)動(dòng)容易實(shí)現(xiàn)，而且運(yùn)動(dòng)是間歇的，受驅(qū)動(dòng)部件起伏頻率的限制，蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的移動(dòng)速度一般比輪式、履帶式機(jī)器入慢。因此，實(shí)際中應(yīng)用較少。這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)有利于管道機(jī)器人的在線檢測(cè)作業(yè)。該種管道機(jī)器人機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，而且控制起來(lái)非常繁瑣，目前實(shí)用性不強(qiáng)。三、 移動(dòng)式管道機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 管道機(jī)器人要在管道這樣的極限環(huán)境內(nèi)完成檢測(cè)、維修等作業(yè)任務(wù)，其移動(dòng)載體的性能是關(guān)鍵。本章討論的輪式全時(shí)驅(qū)動(dòng)拖纜機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)組成。機(jī)器人移動(dòng)本體用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)部穩(wěn)定行走，將檢測(cè)裝置送入待檢測(cè)的管道內(nèi)部。系統(tǒng)各部件約束定義系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)、學(xué)動(dòng)力學(xué)仿真分析痕跡規(guī)劃、生產(chǎn)過(guò)程系統(tǒng)優(yōu)化、選擇系統(tǒng)最佳方案管道機(jī)器人虛擬初步設(shè)計(jì)三維CAD模型管道機(jī)器人虛擬機(jī)構(gòu)優(yōu)化CAD模型輸出最終結(jié)果，形成管道機(jī)器人虛擬產(chǎn)品圖31 管道機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)（三）機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在綜合考慮了管道機(jī)器人的管內(nèi)工作環(huán)境，緊密結(jié)合被檢測(cè)、維修管道的實(shí)際情況下，充分分析和借鑒已有管道機(jī)器人以及其它行業(yè)特種機(jī)器人的成熟技術(shù)，決定采用六輪全時(shí)驅(qū)動(dòng)(6WD)的機(jī)器人本體移動(dòng)方式，該移動(dòng)方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、行走連續(xù)平穩(wěn)、速度快、行走效率高、易于控制、容易小型化等諸多優(yōu)點(diǎn)。 本文所討論的移動(dòng)式管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要分成兩個(gè)方面，一是對(duì)機(jī)器人本體行走的驅(qū)動(dòng)，二是對(duì)云臺(tái)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。這里我們選擇使用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，也就是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為機(jī)器人本體的直線運(yùn)動(dòng)?？紤]到機(jī)器人作業(yè)環(huán)境的特殊性、操作的方便性以及尺寸要求的嚴(yán)格性等方面，機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要具有高轉(zhuǎn)矩重量比、寬調(diào)速范圍、高可靠性，同時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性受電源功率的影響，要求驅(qū)動(dòng)具有盡可能寬的高效率區(qū)。 P P P P 信號(hào)隔離信號(hào)隔離 兩路 電機(jī)L298NL298N7V直流電機(jī)7V直流電機(jī)7V3V3V直流機(jī)圖32 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理方框圖本文選用了瑞士MAXON公司的無(wú)刷直流電機(jī)EC40作為機(jī)器人的行走電機(jī)，并配以GP42的減速器，在電機(jī)以佳轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)大約10m／min的機(jī)器人行進(jìn)速度，完全滿足了我們?cè)O(shè)計(jì)的要求我們選用的MAXON電機(jī)的外形尺寸，下面是它的技術(shù)參數(shù)。機(jī)器人內(nèi)部裝有大量的電子元件及導(dǎo)線，保持內(nèi)部電子元件良好的工作環(huán)境是機(jī)器入正常工作的前提，為此要作好機(jī)器入本體的密封工作，以防止外部的水、灰塵等雜質(zhì)進(jìn)入到本體內(nèi)部影響機(jī)器人的正常工作。軸伸出端采用軸用齒形組合密封，對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的密封效果良好。同時(shí)因?yàn)榫鬯姆蚁┎牧媳旧淼淖詽?rùn)滑性和耐磨性，減小了接觸面的摩擦力，提高了密封件的使用壽命，同時(shí)也減小了軸轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力，提高了工作效率。（四）機(jī)器人云臺(tái)系統(tǒng) 本文討論的移動(dòng)式管道機(jī)器人前端安裝了視像檢測(cè)裝置CCD攝像機(jī)，作為機(jī)器人的檢測(cè)工具，當(dāng)機(jī)器人在管道內(nèi)行走時(shí)，利用CCD攝像機(jī)觀察管道的內(nèi)壁情況，再通過(guò)控制系統(tǒng)把圖像信號(hào)傳回地面。該云臺(tái)系統(tǒng)具有能夠適應(yīng)管道內(nèi)徑大小的CCD攝像機(jī)中心位置調(diào)整功能，云臺(tái)中心位雹調(diào)整系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。進(jìn)入中斷初始化結(jié)束否步進(jìn)啟動(dòng)結(jié)束否置步進(jìn)啟動(dòng)狀態(tài)標(biāo)志讀入換相周期計(jì)數(shù)器值達(dá)到換相周期值否自由換相子程序中斷結(jié)束步進(jìn)啟動(dòng)子程序圖34 PWM中斷模塊 本章介紹了移動(dòng)式管道機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)和機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)，介紹了機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)行走方式、云臺(tái)的基本功能、本體的密封以及防腐等功能的實(shí)現(xiàn)，給出了所選電機(jī)的理論依據(jù)和基本參數(shù)，并對(duì)機(jī)器人軸端旋轉(zhuǎn)密封做了詳細(xì)介紹。為了提高工作效率和工作質(zhì)量，要依據(jù)管道的實(shí)際情況的不同，不斷地進(jìn)行加速和減速運(yùn)動(dòng)，并對(duì)承載CCD攝像頭的云臺(tái)的位置進(jìn)行調(diào)整。本機(jī)器人要求控制系統(tǒng)必須做到以下幾點(diǎn)： 1．要求實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走速度在0～12m／min之間無(wú)級(jí)可調(diào)；2．要求可以控制機(jī)器人正反兩個(gè)方向行走；3．要求可以對(duì)云臺(tái)在兩個(gè)自由度內(nèi)進(jìn)行位置調(diào)整；4. 要求對(duì)機(jī)器人采用遙控作業(yè)，遙控距離在200m以上；5．要求主控界面便于操作、使用。由于管道機(jī)器人在管線內(nèi)部作業(yè)，環(huán)境惡劣不允許出現(xiàn)管內(nèi)失控的重大事故，因此除了對(duì)機(jī)器人的能源動(dòng)力系統(tǒng)等強(qiáng)電部分提出嚴(yán)格的要求之外,還對(duì)機(jī)器人的控制單元提出了極高的運(yùn)行可靠性要求，以保證控制單元不受環(huán)境影像，在有效的控制策略下起到穩(wěn)定的控制作用。管外控制部分作為主控制系統(tǒng)，管內(nèi)控制部分作為從控制系統(tǒng)，兩個(gè)控制器間通過(guò)專用的PLC擴(kuò)展通信單元進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)。該系統(tǒng)中，上位機(jī)采用PC機(jī)，下位機(jī)采用單片機(jī)。作為上位機(jī)的PC機(jī)主要完成參數(shù)設(shè)置、視覺(jué)處理、控制命令的輸出及控制狀態(tài)的顯示等工作，而單片機(jī)負(fù)責(zé)接收控制命令、應(yīng)用速度和位置閉環(huán)控制算法及控制號(hào)輸出、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集等工作。+DSP控制系統(tǒng)在有些系統(tǒng)中，把一些計(jì)算量比較大的工作(例如圖像處理)交給下位機(jī)來(lái)完成，這時(shí)候需要下位機(jī)有一定的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，往往可以由單片機(jī)+DSP構(gòu)成雙機(jī)控制系統(tǒng)，其中單片機(jī)負(fù)責(zé)控制部分，DSP負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理。（二）控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì) 本控制系統(tǒng)也是采用上下位機(jī)的控制形式，上位機(jī)負(fù)責(zé)圖像處理和發(fā)送控制指令，下位機(jī)要負(fù)責(zé)底層的控制和機(jī)器人行走速度信號(hào)的反饋，包括對(duì)行走電機(jī)的控制，對(duì)云臺(tái)電機(jī)的控制。上位機(jī)外圍電器LPC2114直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)HALL編碼器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)1步進(jìn)電機(jī)2 圖 41 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖41所示，PC機(jī)和單片機(jī)之間通過(guò)光纖進(jìn)行通信，CCD攝像頭拍攝的圖像信號(hào)直接通過(guò)光纖傳送給PC機(jī)，PC機(jī)一方面要采集CCD的圖像信號(hào)，并保存，一方面利用一個(gè)控制臺(tái)程序向下位機(jī)發(fā)送控制指令來(lái)實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)機(jī)器人的行走速度和云臺(tái)的姿態(tài)，同時(shí)接收下位機(jī)反饋回來(lái)的速度信號(hào)，顯示實(shí)時(shí)速度以及行走距離。下位機(jī)接收上位機(jī)的控制令并譯碼，相應(yīng)地控制各個(gè)電機(jī)，并通過(guò)對(duì)編碼器反饋回來(lái)的行走電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行處理并發(fā)送給上位機(jī)。（三）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì) 由于管道機(jī)器人的行走電機(jī)選用的是無(wú)刷直流電機(jī)，而控制云臺(tái)位姿的電機(jī)選用的是步進(jìn)電機(jī)，所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)分解為兩個(gè)方面，即直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。由于LPC21 14／2124非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、4路lO位ADC、6路PWM輸出、46個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問(wèn)控制和電子收款機(jī)、機(jī)器人控制等領(lǐng)域。行走電機(jī)采用maxon公司的稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，額定功率為120W，配帶霍爾傳感器和500線的數(shù)字編碼器。近年來(lái)，隨著大功率開(kāi)關(guān)器件、集成電路及高性能的磁性材料的快速發(fā)展，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)在航空航天、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療及實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、家電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[17]。位于地面的上位機(jī)通過(guò)串行通信經(jīng)過(guò)光纖向位于管道中的下位機(jī)控制系統(tǒng)傳送控制指令，下位機(jī)控制系統(tǒng)接受控制指令并譯碼。 上位機(jī)顯示電路 LPC 2114位置傳感器驅(qū)動(dòng)電路電流檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)字編碼器圖42 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)框圖（1） 驅(qū)動(dòng)電路功率驅(qū)動(dòng)部分采用三相全橋驅(qū)動(dòng)方式，功率MOSFET管用IRF620，其前置驅(qū)動(dòng)器用IR213l，它是一個(gè)高電壓、高速度的MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)器，具有獨(dú)立的三個(gè)高電平和三個(gè)低電平參考輸出通道，LPC2114的六路PWM輸出與IR2131的六路輸入直接相連，IR2131的輸出通過(guò)電阻與功率MOSFET管的輸入相連。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)采用霍爾傳感器，如圖4．3所示，無(wú)刷直流電機(jī)的霍爾傳感器產(chǎn)生ABC路信號(hào)，通常高低電平相互覆蓋，兩相輸出之間的相位差Y9120[18]。通過(guò)LPC2114的CAP0．0CAP0．3捕獲霍爾傳感器三路輸出信號(hào)的跳變，每次跳變將引發(fā)一次中斷，改變PWM輸出序列，來(lái)控制驅(qū)動(dòng)橋路的導(dǎo)通順序。在橋式整流電路的低壓端和地之間接一個(gè)采樣電阻，用來(lái)檢測(cè)主回路的電流，當(dāng)電路板電流達(dá)到最大允許值時(shí)，采樣電阻能激活I(lǐng)R213I內(nèi)置的過(guò)流保護(hù)電路。一定要在新的PWM產(chǎn)生之前裝入電流檢測(cè)值，與給定的參考值一起控制PwM的寬度。通過(guò)兩片SAAl064動(dòng)態(tài)地驅(qū)動(dòng)8位LED，顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)需要的電機(jī)功率并不大，所以采用步進(jìn)電機(jī)，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別控制云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作和俯仰動(dòng)作，步進(jìn)電機(jī)使用的是北京和利時(shí)公司的兩相電機(jī)42BYG250C。而且它可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)位囂控制，輸入一個(gè)脈沖信號(hào)就得到一個(gè)規(guī)定的位置增量，這樣的增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流伺服系統(tǒng)相比，其成本明顯降低，幾乎不必進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整，因此，隨著運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)字化到來(lái)，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，例如在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、現(xiàn)代辦公室設(shè)備、儀器設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等中獲得大量