陳松 李天劍 王會(huì)香 劉相權(quán)

（北京信息科技大學(xué)智能機(jī)器人技術(shù)研究所，北京，100192）

0 引言

排水系統(tǒng)被形象地比做城市的命脈，保證排水系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)于保護(hù)環(huán)境、減少污染、提高人民健康水平、維持城市的正常工作、生活秩序有著非常重要的意義[1]。因此，為保證排水管道的正常使用，就必須對(duì)排水管道進(jìn)行檢測(cè)維護(hù)，排水管道機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。

管道機(jī)器人是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機(jī)械，在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下，進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)、電、儀一體化系統(tǒng)[2-3]。

1 排水管道機(jī)器人模塊

1.1 爬行器

排水管道機(jī)器人按爬行器行走方式可分為輪式管道機(jī)器人[4]、履帶式管道機(jī)器人[5]、腿式管道機(jī)器人[6]、蠕動(dòng)式管道機(jī)器人[7]。目前市場(chǎng)上排水管道機(jī)器人以輪式管道機(jī)器人居多。

1.1.1 輪式管道機(jī)器人

按行走機(jī)構(gòu)劃分，輪式管道機(jī)器人可分為支撐輪式和車型式兩類。

支撐輪式管道機(jī)器人[7]采用對(duì)稱分布的行走結(jié)構(gòu)，支撐輪緊貼在管道表面，對(duì)管道表面有較大壓力，行走能力強(qiáng)，可在有較大傾角的排水管道中行走。在理論上，該機(jī)器人的中心與管道中心重合，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好。支撐輪式管道機(jī)器人一般具有變徑機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)不同管徑的管道。

圖1 MRINSPECT II

MRINSPECT II采用多節(jié)方式，各節(jié)間通過可控萬向鉸連接，可通過彎管接頭，采用彈簧支撐式連桿機(jī)構(gòu)[8]。

車型式管道機(jī)器人[7]在管道底部行走，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、行走連續(xù)平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。車型式管道機(jī)器人靠自身重量提供正壓力，因此不能在大傾角的管道中行走。與支撐輪式管道機(jī)器人相比，其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，控制更加方便。根據(jù)能否改變運(yùn)動(dòng)方向，車型式管道機(jī)器人可分為可變向車型式管道機(jī)器人和不可變向車型式管道機(jī)器人。

圖2 T66

圖3 T86

現(xiàn)有的輪式管道機(jī)器人多數(shù)為車型式管道機(jī)器人，主要為四輪管道機(jī)器人和六輪管道機(jī)器人，以四輪管道機(jī)器人最為常見。IBAK公司T66為四輪可變向爬行器，T86為四輪不可變向爬行器，GE公司ROVVER 400為六輪管道機(jī)器人。

T66車體重9kg，可連續(xù)調(diào)速，具有ATC(自動(dòng)控制功能)，在管道中可調(diào)整運(yùn)動(dòng)方向，適用于管徑100mm以上的管道。

T86車體重33kg，可連續(xù)調(diào)速，在管道運(yùn)行中不能調(diào)整運(yùn)動(dòng)方向，適用于管徑200mm以上的管道。

ROVVER 400車體重4.5kg，可連續(xù)調(diào)速，在管道中可調(diào)整運(yùn)動(dòng)方向，適用于小管道。

1.1.2 履帶式管道機(jī)器人

履帶式管道機(jī)器人的履帶與管壁間的接觸面積大，附著力大，具有優(yōu)越的越障性能。但履帶式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致其機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸較大，不易小型化，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，該機(jī)器人大多用于大直徑的管道內(nèi)[7]。

訊研公司的Versatrax 100為履帶式管道機(jī)器人，如圖5所示。

Versatrax 100車 體 重9kg，可連續(xù)調(diào)速，在管道中可調(diào)整運(yùn)動(dòng)方向，適用于管徑100mm-610mm的管道。

圖5 Versatrax 100

1.1.3 腿式管道機(jī)器人

多足行走是一種高級(jí)行走方式，有較好的動(dòng)作靈活性，理論上可以適應(yīng)各種形狀的管道，但其較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，使得機(jī)器人在步態(tài)規(guī)劃和關(guān)節(jié)間協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制等方面存在一定難度，而且，機(jī)器人結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，對(duì)傳感器要求高，需要大量的精密傳感器，研究成本和制造成本都很高，且牽引能力有限，不適合長(zhǎng)距拖纜作業(yè)[7]。

德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Andreas Zagler開發(fā)的管道爬行機(jī)器人MORITZ，如圖6所示，該管道爬行機(jī)器人重量為20kg，采用八足爬行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)能力為15 kg。機(jī)器人長(zhǎng)為0.75m，寬為0.6m，高為0.6m,最大速度為0.1 m/s，采用直流供電方式，但控制太復(fù)雜且移動(dòng)速度較慢，驅(qū)動(dòng)效率低[8]。

圖6 八足腿式爬行機(jī)器人

1.1.4 蠕動(dòng)式管道機(jī)器人

蠕動(dòng)式管道機(jī)器人[7]通過前后支撐部分徑向伸縮運(yùn)動(dòng)，行走速度慢，無法完成快速檢測(cè)，檢測(cè)效率低，在排水管道檢測(cè)中很少用到。

如圖7所示，MAKRO機(jī)器人由6個(gè)單元體組成，其頭部和尾部?jī)蓚€(gè)單元體完全相同，每個(gè)單元體之間的節(jié)點(diǎn)由3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得機(jī)器人本體可以抬起或者彎曲，從而越過障礙物或?qū)崿F(xiàn)拐彎運(yùn)動(dòng)。MAKRO具有21個(gè)自由度，長(zhǎng)度為2m，重50 kg，采用無纜控制方式，適用于直徑為300mm-600 mm的管道，但該機(jī)器人牽引能力有限，不能運(yùn)行于豎直管道[8]。

圖7 MAKRO機(jī)器人系統(tǒng)

1.2 上位控制單元

上位控制單元是管道機(jī)器人系統(tǒng)的人機(jī)交互部分。操作者可通過上位控制單元向管道機(jī)器人發(fā)送控制命令，管道機(jī)器人將采集的管道信息傳送到上位控制單元，經(jīng)過處理后，通過顯示器等信息輸出單元呈現(xiàn)給操作者。圖8為IBAK公司BK 3.5上位控制單元。

圖8 BK 3.5

1.3 檢測(cè)單元

排水管道機(jī)器人檢測(cè)單元可以分為攝像單元和輔助檢測(cè)單元。攝像單元為主要的檢測(cè)單元，負(fù)責(zé)采集管道圖像信息。輔助檢測(cè)單元由各類傳感器組成，主要檢測(cè)爬行器的狀態(tài)及輔助測(cè)量管道損傷，一般包括內(nèi)部壓力傳感器、傾角傳感器、激光傳感器、超聲波傳感器等。

1.3.1 攝像單元

攝像頭按獲取視角范圍可劃分為全景攝像單元和非全景攝像單元?，F(xiàn)有的管道機(jī)器人以非全景攝像單元為主,但是非全景攝像單元需配套相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以滿足對(duì)管道全面檢測(cè)的需求，增加了管道機(jī)器人設(shè)計(jì)難度和重量。

全景攝像單元按實(shí)現(xiàn)方式可分為魚眼攝像頭、多攝像頭圖像拼接、折反射式全景成像系統(tǒng)。

魚眼攝像頭[9]具有焦距短、大視角的特點(diǎn)。焦距一般小于16mm，視角為180。以上，可獲得較大視野。但魚眼攝像頭獲得的圖像存在較大的畸變，需經(jīng)過校正才能獲得無畸變的圖像，且價(jià)格昂貴。

多攝像頭圖像拼接[9]是將多個(gè)普通攝像頭獲得圖像進(jìn)行整合，獲得大視角的圖像。該方法獲得圖像畸變小，分辨率高，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，圖像數(shù)據(jù)量大，拼接算法復(fù)雜。

折反射式全景成像系統(tǒng)[9]由攝像頭和反射鏡面組成。具有大于半球的空間視場(chǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光能損失低、系統(tǒng)設(shè)計(jì)柔性好、成本低的優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了魚眼鏡頭和多攝像頭圖像拼接存在的問題。

常用的反射鏡面有錐形鏡面、球形鏡面、雙曲線鏡面、拋物線鏡面。錐形鏡面在錐形頂點(diǎn)附近存在一定的觀察盲區(qū)；球形鏡面全景圖像嚴(yán)重失真；雙曲線鏡面的加工比較困難，存在一定的安裝難度；拋物線鏡面不利于建立一個(gè)緊湊和廉價(jià)的系統(tǒng)。

圖9為Remote Reality公司的OmniAlert360 相機(jī)。該攝像頭采用單視點(diǎn)折反射成像技術(shù)，視場(chǎng)為360°，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。

圖9 OmniAlert360 相機(jī)

1.3.2 輔助檢測(cè)單元

管道機(jī)器人在管道運(yùn)行過程中，由于管道環(huán)境的惡劣性，需對(duì)機(jī)器人的內(nèi)部壓力、傾角等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。壓力傳感器通過監(jiān)測(cè)機(jī)器人內(nèi)部壓力判斷機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)的氣密性狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)器人內(nèi)部進(jìn)水等狀況。

傾角傳感器監(jiān)測(cè)管道機(jī)器人傾斜角度，將機(jī)器人傾角信息實(shí)時(shí)傳送到上位控制單元，操作者可及時(shí)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行位姿調(diào)整，防止機(jī)器人側(cè)翻。

排水管道檢測(cè)以攝像頭為主，當(dāng)攝像頭確定損傷點(diǎn)后，則結(jié)合無損探傷技術(shù)對(duì)管道損傷點(diǎn)進(jìn)行精確檢測(cè)。無損探傷的技術(shù)有射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)[10-11]、渦流檢測(cè)[12]、磁粉檢測(cè)[13]、滲透檢測(cè)[13]、微波檢測(cè)[14]、激光檢測(cè)[15-16]。由管道機(jī)器人爬行器搭載的檢測(cè)方法通常為射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)和激光檢測(cè)。由于射線檢測(cè)會(huì)對(duì)人體造成傷害，所以管道機(jī)器人探傷常用的檢測(cè)方法為超聲波檢測(cè)和激光檢測(cè)。

超聲波探傷檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、人體無害, 能對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量。然而,超聲波探傷對(duì)缺陷的顯示不直觀, 探傷技術(shù)難度大, 容易受到主、客觀因素的影響, 探傷結(jié)果不便保存。 因此，超聲波探傷也有其局限性[11]。

激光點(diǎn)掃描輪廓測(cè)量技術(shù)是一種準(zhǔn)確高效的表面無損檢測(cè)方法，主要用于管道的探傷。與管道檢測(cè)常用的渦流法和超聲法相比，激光點(diǎn)掃描輪廓測(cè)量技術(shù)具有檢測(cè)效率高、檢測(cè)精度高、采樣點(diǎn)密集、空間分辨率高、非接觸式檢測(cè)、可提供定量檢測(cè)結(jié)果和被檢管道任意位置橫截圖、軸向展開圖、二維立體圖等優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)只能檢測(cè)管道表面損傷情況，無法進(jìn)行縱向檢測(cè)[16]。

圖10 帶有激光傳感器的攝像頭

1.4 圖像處理軟件模塊

管道機(jī)器人通過攝像系統(tǒng)獲得管道圖像信息后，需經(jīng)過圖像處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，獲得優(yōu)化的管道圖像，生成管道圖像報(bào)告，便于用戶使用。IPEK公司的WinCan Scan Explorer 可以將獲得的三維管道圖像展開為相應(yīng)的二維管道圖像，操作者可通過展開后的二維圖像輕松找到管道損傷位置。

圖11 管道二維剖面圖

1.5 輔助裝置

管道機(jī)器人系統(tǒng)還包括用于把管道機(jī)器人安放進(jìn)管道的一些輔助裝置，這里略去描述。

1.6 電纜絞盤

現(xiàn)有排水管道機(jī)器人多為有纜式管道機(jī)器人，設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)需設(shè)計(jì)電纜絞盤。電纜絞盤用于對(duì)電纜進(jìn)行管理，主要功能為收放線功能、排線功能。電纜絞盤上通常安裝有光電碼盤，光電碼盤通過記錄電纜線放線長(zhǎng)度確定管道機(jī)器人的位置。

電纜絞盤可分為傳統(tǒng)電纜絞盤和智能電纜絞盤[17]。傳統(tǒng)電纜絞盤單方面回收電纜，不考慮與管道機(jī)器人協(xié)同，因此，在電纜回收時(shí)，如果電纜回收速度過快，則會(huì)影響管道機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，如果電纜回收速度過慢，則可能導(dǎo)致電纜纏繞管道機(jī)器人。智能電纜絞盤則考慮與管道機(jī)器人的協(xié)同，使電纜始終保持繃緊狀態(tài)，保證了管道機(jī)器人在管道內(nèi)自由移動(dòng)。

2 技術(shù)展望

2.1 特色行走技術(shù)

我國(guó)排水管道相比于歐美國(guó)家管徑較小，加之不進(jìn)行定期清淤，致使一些排水管道存在大量的雜物，有的管道中的雜物甚至能占到整個(gè)管徑的二分之一。對(duì)于存在大量雜物的管道，現(xiàn)有排水機(jī)器人無法在管道中正常行走，這里提出一種爬纜式管道機(jī)器人方案。方案原理圖如圖12所示。

圖12 爬纜式管道機(jī)器人方案原理圖

夾緊機(jī)構(gòu)安放在地面上，兩個(gè)夾緊機(jī)構(gòu)將鋼纜固定，并使鋼纜有一定張力，保持繃緊狀態(tài)。管道機(jī)器人在鋼纜上自由移動(dòng)，進(jìn)而對(duì)管道進(jìn)行圖像采集檢測(cè)。

2.2 自主行走技術(shù)

目前排水管道機(jī)器人為遙控型機(jī)器人，不具備自主行走檢測(cè)能力。在檢測(cè)過程中，操作者需時(shí)時(shí)關(guān)注機(jī)器人，容易疲勞。隨著機(jī)器人智能化[18-19]技術(shù)的不斷成熟，智能排水管道機(jī)器人必將在未來出現(xiàn)。智能排水管道機(jī)器人的核心是智能控制算法[20]，選用合適的智能控制算法是智能排水管道機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。

智能排水管道機(jī)器人具有很強(qiáng)的自主性，可將操作者從枯燥的操作中解放出來，提高檢測(cè)效率和檢測(cè)質(zhì)量。

2.3 無纜排水管道機(jī)器人

現(xiàn)有排水管道機(jī)器人大多數(shù)為線纜式排水管道機(jī)器人，無纜排水管道機(jī)器人相對(duì)較少。造成這種現(xiàn)狀的原因是由于管道的屏蔽作用強(qiáng)，通信信號(hào)在無線傳輸過程中損耗大，信號(hào)無法穩(wěn)定可靠地在上位操作單元和機(jī)器人之間進(jìn)行傳遞。此外，無纜排水管道機(jī)器人還存在發(fā)生故障不容易回收問題。

無纜排水管道機(jī)器人不需要電纜絞盤模塊，減輕了整個(gè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)難度，控制單元靈活性較大，更方便攜帶，這些優(yōu)點(diǎn)決定了無纜排水管道機(jī)器人是排水管道機(jī)器人的一個(gè)發(fā)展方向。

2.4 智能圖像處理

伴隨著圖像處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，管道機(jī)器人的檢測(cè)能力也在進(jìn)一步提高，圖像處理技術(shù)的拓展應(yīng)用使得管道機(jī)器人擁有更多功能。管道內(nèi)部的缺陷可以通過對(duì)視頻的圖像處理，獲得其長(zhǎng)度、寬度、深度、面積等具體的物理尺寸，而且在機(jī)器人行進(jìn)中，圖像信息的處理可以為機(jī)器人的行進(jìn)進(jìn)行導(dǎo)航。通過圖像處理技術(shù)，機(jī)器人可以快速識(shí)別前方障礙、淤泥等，并規(guī)劃出準(zhǔn)確的躲避路線。

排水管道檢測(cè)機(jī)器人可添加機(jī)械執(zhí)行功能，對(duì)管道內(nèi)的淤泥、異物等進(jìn)行清洗或搬運(yùn)，確保其測(cè)量或行進(jìn)。

在執(zhí)行任務(wù)過程中，需要通過對(duì)操作環(huán)境的圖像處理來準(zhǔn)確定位和檢測(cè)，伴隨電磁、紅外、超聲波、射線等管道測(cè)量技術(shù)的同步發(fā)展，這些測(cè)量技術(shù)再與攝像測(cè)量技術(shù)相融合，多種方式協(xié)調(diào)作用，機(jī)器人可以由圖像處理技術(shù)綜合分析獲得更全面、更準(zhǔn)確的測(cè)量信息。

3 結(jié)束語

現(xiàn)有排水管道機(jī)器人技術(shù)成熟，各公司產(chǎn)品大同小異，均采用模塊化設(shè)計(jì)。排水管道機(jī)器人產(chǎn)品在技術(shù)上、外觀上也很相似。這些產(chǎn)品針對(duì)狀況較好的管道可以順利完成檢測(cè)，對(duì)雜物較多的管道則無能為力。針對(duì)大量雜物存在的管道，需研究特殊行走方式。隨著對(duì)檢測(cè)效率要求越來越高、使操作者更容易輕松地操作，智能技術(shù)及無線通信技術(shù)會(huì)越來越多地應(yīng)用于排水管道機(jī)器人。

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