管道內(nèi)壁光整打磨機(jī)器人的研制與發(fā)展動(dòng)向分析

王會(huì)芝

（太原學(xué)院，山西 太原 030032）

制造業(yè)生產(chǎn)加工過(guò)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(shí)現(xiàn)將毛坯或半成品加工制作為可以應(yīng)用于特殊場(chǎng)景并服務(wù)特定需求的精細(xì)化產(chǎn)品。隨著人口紅利逐漸消退以及勞動(dòng)成本快速提升，在中國(guó)制造業(yè)發(fā)展水平提升帶來(lái)制造精細(xì)化加工需求增長(zhǎng)的背景下，定向服務(wù)于管道等人工難以開(kāi)展工作區(qū)域的光整打磨機(jī)器人技術(shù)也逐漸發(fā)展完善。從目前設(shè)計(jì)思路及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，管道光整打磨機(jī)器人能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境、高強(qiáng)度的持續(xù)工作需求、以及成本可控且質(zhì)量較好的表面打磨清理工作，以自動(dòng)化機(jī)械的方式提升了管道平整工作效率，具有較好的技術(shù)基礎(chǔ)以及應(yīng)用場(chǎng)景。

1 管道內(nèi)壁打磨機(jī)器人介紹

管道經(jīng)過(guò)出廠制備后形狀與性質(zhì)基本固定，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中可能出現(xiàn)生銹、堵塞、開(kāi)裂等問(wèn)題，但是一體化的設(shè)計(jì)使其難以通過(guò)人工簡(jiǎn)單拆卸實(shí)現(xiàn)打磨與維修，管道狹小逼仄的內(nèi)部空間也使得工人健康、工作質(zhì)量、成本控制難以保障。基于此，管道打磨機(jī)器人得以設(shè)計(jì)和應(yīng)用。管道打磨機(jī)器人是一種通過(guò)自動(dòng)定位、智能控制和機(jī)械臂等技術(shù)組合并實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)定向行走、遙感觀測(cè)和內(nèi)壁光整打磨等工作的新型機(jī)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(jī)、位置和姿態(tài)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(yuǎn)距離控制下，進(jìn)行一系列管道檢測(cè)維修作業(yè)。管道內(nèi)壁打磨機(jī)器人不僅可以應(yīng)用于精密設(shè)備制造，還可以用于長(zhǎng)期使用設(shè)備的檢修與維護(hù)，極大程度減少人工耗費(fèi)、提升工作效率、保障光整打磨質(zhì)量。

管道打磨機(jī)器人實(shí)質(zhì)上是現(xiàn)代信息技術(shù)、遙感控制技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)等綜合應(yīng)用的技術(shù)集合。這一方案的提出極大程度上突破了人工對(duì)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的限制，實(shí)現(xiàn)了管道檢測(cè)的距離、寬度和精度的提升，減少了安全事故發(fā)生的概率，避免大范圍挖掘或局部隔斷對(duì)人們?nèi)粘Ｉ钜约肮I(yè)生產(chǎn)進(jìn)程產(chǎn)生的負(fù)面影響。國(guó)外在此方面具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)并以將其應(yīng)用于核工業(yè)、應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)難控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)持續(xù)優(yōu)化技術(shù)升級(jí)和方案設(shè)計(jì)思路，目前已經(jīng)在汽車零部件制造、衛(wèi)浴用品加工、醫(yī)療器械制造等方面實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模應(yīng)用，也為其應(yīng)用范圍擴(kuò)大提供了示范。管道打磨機(jī)器人以其突出優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為交互機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。

2 管道內(nèi)壁打磨機(jī)器人應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

管道內(nèi)壁打磨機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)聽(tīng)取指令進(jìn)入管道并通過(guò)控制實(shí)現(xiàn)打磨等工作的目標(biāo)，因此機(jī)器人的使用需要保證定向識(shí)別、末端執(zhí)行、遙感和誤差控制以及路徑規(guī)劃跟蹤各項(xiàng)功能有序開(kāi)展，相應(yīng)技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)模塊間交叉配合。

2.1 定向識(shí)別

不同于早期機(jī)器人通過(guò)簡(jiǎn)單的指令下發(fā)-傳達(dá)-執(zhí)行實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，管道打磨機(jī)器人作為新型機(jī)器人，已經(jīng)可以配備視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)。觸覺(jué)等傳感設(shè)備，通過(guò)其自主接觸、信息識(shí)別、信息分析、學(xué)習(xí)輸出的方式，建立關(guān)于自動(dòng)規(guī)劃打磨與工藝優(yōu)化提升的專項(xiàng)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)光整打磨智能判斷與至少完成最低預(yù)期目標(biāo)的靈活工作方式?；诙ㄏ蜃R(shí)別技術(shù)，管道打磨機(jī)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(dá)指令的限制，能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜形狀、突發(fā)情況等作出自主判斷，運(yùn)用模糊預(yù)測(cè)算法幫助人們作出決定，顯著節(jié)約了光整過(guò)程工作時(shí)間并提升了加工打磨質(zhì)量。

2.2 末端執(zhí)行設(shè)備

末端執(zhí)行設(shè)備是管道打磨機(jī)器人得以實(shí)現(xiàn)光整打磨工作目標(biāo)的直接工具，一般而言這一設(shè)備安裝于伸縮便捷、操作順利的機(jī)器人環(huán)信息接受與傳輸設(shè)備主體周圍，具體體現(xiàn)為光整打磨頭、夾取工具等，分為高打磨率的硬質(zhì)材料工具和高精度要求的軟性材料工具兩大類。末端執(zhí)行設(shè)備的配置能夠幫助管道打磨機(jī)器人在不同形狀、不同粗細(xì)和不同接觸面的密閉或半密閉空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確作業(yè)，也可以實(shí)現(xiàn)管道局部修復(fù)、清潔等相關(guān)工作，目前已經(jīng)應(yīng)用于船體管道平整工作場(chǎng)景的吸附打磨，鋼板焊接殘留物的管道平整機(jī)器人就配備了混合型機(jī)械操作裝置，一方面能夠基于實(shí)施控制和智能評(píng)價(jià)測(cè)量預(yù)期操作范圍、實(shí)現(xiàn)時(shí)間及預(yù)期結(jié)果，還能通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與方案調(diào)整配合不同精度操作需求實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確作業(yè)，運(yùn)用打磨頭、自由調(diào)節(jié)機(jī)械手和有軌移動(dòng)底座的配合減少打磨工作中可能出現(xiàn)的誤差，實(shí)現(xiàn)高效打磨。

2.3 遙控與誤差控制策略

定向識(shí)別和末端執(zhí)行技術(shù)都是管道打磨機(jī)器人功能得以發(fā)揮的重要支持，但是其工作開(kāi)展的關(guān)鍵要素則是遙感與控制策略。管道打磨機(jī)器人的行進(jìn)方向、風(fēng)險(xiǎn)判斷、方案設(shè)計(jì)和工作命令執(zhí)行均需要統(tǒng)一的控制中心實(shí)現(xiàn)信息獲取、傳遞與指令調(diào)用，而管道機(jī)器人工作的區(qū)間通常存在高溫、高腐蝕性、沉浸水面以下等一項(xiàng)或多項(xiàng)特征，難以實(shí)現(xiàn)有線控制，信號(hào)傳遞具有復(fù)雜性、不可控性和高精準(zhǔn)性，因此需要高敏感度的配套遙感設(shè)備應(yīng)用其中。

從控制策略來(lái)看，打磨機(jī)器人需要有高精度的信息獲取、控制分析與準(zhǔn)確打磨功能，目前通過(guò)的管道打磨機(jī)器人控制策略集中于兩大方向。其一是阻抗控制，即運(yùn)用紅外創(chuàng)感等工作原理，動(dòng)態(tài)收集移動(dòng)過(guò)程中當(dāng)前作業(yè)區(qū)位與預(yù)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(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)力度與剛度等作用力和作用方向的調(diào)整，當(dāng)即將觸達(dá)預(yù)期邊界時(shí)則轉(zhuǎn)用軟性材料進(jìn)行打磨平整。其二是力/位混合控制，即機(jī)器人以獨(dú)立的形式同時(shí)控制力和位置，在待打磨表面的方向使用在沒(méi)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(yùn)算總量大且穩(wěn)定性不足的劣勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用中難以有效推進(jìn)。近年來(lái)隨著管道內(nèi)壁打磨機(jī)器人應(yīng)用案例增加，基于工具負(fù)載的重力補(bǔ)償算法和基于阻抗內(nèi)環(huán)的力外環(huán)控制策略也被提出，在這一控制模式下，機(jī)器人可以通過(guò)計(jì)算期望力與實(shí)際力的誤差對(duì)機(jī)器人軌跡進(jìn)行修正，有效規(guī)避了穩(wěn)定性不足的問(wèn)題，能夠使管道內(nèi)壁打磨過(guò)程中用力更加精準(zhǔn)與均勻，顯著提升了機(jī)器人的智能化水平。

2.4 軌跡規(guī)劃和路徑跟蹤

管道內(nèi)壁機(jī)器人的打磨工作開(kāi)展過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)連續(xù)的過(guò)程，機(jī)器人的行進(jìn)路線、打磨用力方式都需要進(jìn)行軌跡規(guī)劃與路徑跟蹤，以便最終實(shí)現(xiàn)內(nèi)壁光整的目標(biāo)。目前常用的方式是A*算法、快速行進(jìn)法(FMM)、非線性規(guī)劃法、進(jìn)化算法等，其技術(shù)核心是基于連續(xù)工作狀態(tài)建立連續(xù)工作的自適應(yīng)模型并運(yùn)用計(jì)算機(jī)算法得到關(guān)于機(jī)器人在線軌跡的預(yù)測(cè)和打磨模型的預(yù)測(cè)。智能控制策略與最優(yōu)路徑規(guī)劃相結(jié)合的方法能有效地減輕管道內(nèi)壁打磨機(jī)器人的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，進(jìn)而提升其系統(tǒng)穩(wěn)定性和打磨操作精度。

3 管道內(nèi)壁打磨機(jī)器人的優(yōu)化發(fā)展方向

3.1 控制精度提升

隨著國(guó)內(nèi)制造業(yè)生產(chǎn)內(nèi)容技術(shù)水平與工藝進(jìn)度持續(xù)提升，服務(wù)于特殊環(huán)境并能適應(yīng)多元幾何形狀對(duì)象的管道打磨機(jī)器人應(yīng)用范圍也持續(xù)擴(kuò)大。從目前發(fā)展情況來(lái)看，管道內(nèi)壁打磨機(jī)器人的電力傳輸、數(shù)據(jù)采集以及行走摩擦影響仍存在問(wèn)題。基于此，未來(lái)管道內(nèi)壁打磨機(jī)器人將考慮進(jìn)行優(yōu)化，配置橡膠外殼，體內(nèi)放置單片機(jī)、控制電路、傳感器、發(fā)光二極管等設(shè)備，拓展刮削、攪拌、過(guò)濾、推進(jìn)一體多元操作設(shè)備等方式對(duì)管道內(nèi)壁打磨機(jī)器人進(jìn)行優(yōu)化，使得機(jī)器人適應(yīng)更為復(fù)雜的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)提升信息傳輸與判斷精度、提供更高質(zhì)量服務(wù)、減少維修保養(yǎng)費(fèi)用等方面的功能優(yōu)化。

3.2 適用多元場(chǎng)景

管道內(nèi)壁機(jī)器人具有高溫、防水、耐腐蝕等突出優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)外均將其小規(guī)模應(yīng)用于大型工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)制造、維護(hù)保養(yǎng)等領(lǐng)域。未來(lái)，隨著管道打磨機(jī)器人技術(shù)成熟、成本控制與規(guī)模量產(chǎn)，其不僅能廣泛用于汽車零部件管道制備清理、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)壁絕熱層打磨作業(yè)、船只和城市地下管網(wǎng)水下管道打磨等領(lǐng)域，還有機(jī)會(huì)走入人們的日常生活，應(yīng)用于家用管道疏通修復(fù)、電器清理保養(yǎng)等家居領(lǐng)域，為人們的日常生活提供便利。

4 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)來(lái)看，隨著機(jī)械控制技術(shù)提升、機(jī)械精度提高以及管道平整要求提高，管道打磨機(jī)器人的定向識(shí)別、末端執(zhí)行設(shè)備應(yīng)用、遙控與誤差控制策略和軌跡規(guī)劃和路徑跟蹤技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了持續(xù)發(fā)展與整合應(yīng)用。管道打磨機(jī)器人具有控制進(jìn)度提升和適用多元場(chǎng)景等發(fā)展?jié)摿?，有機(jī)會(huì)進(jìn)一步服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)、日常生活等領(lǐng)域，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步提供支持。