管道内壁光整打磨机器人的研制与发展动向分析

王会芝

（太原学院，山西 太原 030032）

制造业生产加工过程中，有大量工序涉及毛边打磨、局部平整与特殊部位抛光等，以此实现将毛坯或半成品加工制作为可以应用于特殊场景并服务特定需求的精细化产品。随着人口红利逐渐消退以及劳动成本快速提升，在中国制造业发展水平提升带来制造精细化加工需求增长的背景下，定向服务于管道等人工难以开展工作区域的光整打磨机器人技术也逐渐发展完善。从目前设计思路及应用经验来看，管道光整打磨机器人能够适应恶劣的工作环境、高强度的持续工作需求、以及成本可控且质量较好的表面打磨清理工作，以自动化机械的方式提升了管道平整工作效率，具有较好的技术基础以及应用场景。

1 管道内壁打磨机器人介绍

管道经过出厂制备后形状与性质基本固定，在长期使用过程中可能出现生锈、堵塞、开裂等问题，但是一体化的设计使其难以通过人工简单拆卸实现打磨与维修，管道狭小逼仄的内部空间也使得工人健康、工作质量、成本控制难以保障。基于此，管道打磨机器人得以设计和应用。管道打磨机器人是一种通过自动定位、智能控制和机械臂等技术组合并实现管道内定向行走、遥感观测和内壁光整打磨等工作的新型机电一体化装置，能够携带一种或多种传感器及操作装置，如电荷耦合器件摄像机、位置和姿态传感器、管道接口焊接装置、防腐喷涂装置等，在操作人员的远距离控制下，进行一系列管道检测维修作业。管道内壁打磨机器人不仅可以应用于精密设备制造，还可以用于长期使用设备的检修与维护，极大程度减少人工耗费、提升工作效率、保障光整打磨质量。

管道打磨机器人实质上是现代信息技术、遥感控制技术、机械工程技术等综合应用的技术集合。这一方案的提出极大程度上突破了人工对现代工业发展的限制，实现了管道检测的距离、宽度和精度的提升，减少了安全事故发生的概率，避免大范围挖掘或局部隔断对人们日常生活以及工业生产进程产生的负面影响。国外在此方面具有一定的技术优势并以将其应用于核工业、应急响应、灾难控制、环境监测等领域。国内持续优化技术升级和方案设计思路，目前已经在汽车零部件制造、卫浴用品加工、医疗器械制造等方面实现了小规模应用，也为其应用范围扩大提供了示范。管道打磨机器人以其突出优势已经成为交互机器人研发领域的新热点。

2 管道内壁打磨机器人应用的关键技术

管道内壁打磨机器人需要实现听取指令进入管道并通过控制实现打磨等工作的目标，因此机器人的使用需要保证定向识别、末端执行、遥感和误差控制以及路径规划跟踪各项功能有序开展，相应技术需要实现模块间交叉配合。

2.1 定向识别

不同于早期机器人通过简单的指令下发-传达-执行实现预期目标，管道打磨机器人作为新型机器人，已经可以配备视觉、听觉。触觉等传感设备，通过其自主接触、信息识别、信息分析、学习输出的方式，建立关于自动规划打磨与工艺优化提升的专项数据库，实现光整打磨智能判断与至少完成最低预期目标的灵活工作方式。基于定向识别技术，管道打磨机器人突破了原有需要人工先行了解管道情况之后才能下达指令的限制，能够应对复杂形状、突发情况等作出自主判断，运用模糊预测算法帮助人们作出决定，显著节约了光整过程工作时间并提升了加工打磨质量。

2.2 末端执行设备

末端执行设备是管道打磨机器人得以实现光整打磨工作目标的直接工具，一般而言这一设备安装于伸缩便捷、操作顺利的机器人环信息接受与传输设备主体周围，具体体现为光整打磨头、夹取工具等，分为高打磨率的硬质材料工具和高精度要求的软性材料工具两大类。末端执行设备的配置能够帮助管道打磨机器人在不同形状、不同粗细和不同接触面的密闭或半密闭空间内实现准确作业，也可以实现管道局部修复、清洁等相关工作，目前已经应用于船体管道平整工作场景的吸附打磨，钢板焊接残留物的管道平整机器人就配备了混合型机械操作装置，一方面能够基于实施控制和智能评价测量预期操作范围、实现时间及预期结果，还能通过动态监测与方案调整配合不同精度操作需求实现准确作业，运用打磨头、自由调节机械手和有轨移动底座的配合减少打磨工作中可能出现的误差，实现高效打磨。

2.3 遥控与误差控制策略

定向识别和末端执行技术都是管道打磨机器人功能得以发挥的重要支持，但是其工作开展的关键要素则是遥感与控制策略。管道打磨机器人的行进方向、风险判断、方案设计和工作命令执行均需要统一的控制中心实现信息获取、传递与指令调用，而管道机器人工作的区间通常存在高温、高腐蚀性、沉浸水面以下等一项或多项特征，难以实现有线控制，信号传递具有复杂性、不可控性和高精准性，因此需要高敏感度的配套遥感设备应用其中。

从控制策略来看，打磨机器人需要有高精度的信息获取、控制分析与准确打磨功能，目前通过的管道打磨机器人控制策略集中于两大方向。其一是阻抗控制，即运用红外创感等工作原理，动态收集移动过程中当前作业区位与预期成果定位范围之间的偏差度，收集分析位置误差、速度误差等数据实现力度与刚度等作用力和作用方向的调整，当即将触达预期边界时则转用软性材料进行打磨平整。其二是力/位混合控制，即机器人以独立的形式同时控制力和位置，在待打磨表面的方向使用在没有位置约束的切向方向使用位置控制，但是这一控制方法存在运算总量大且稳定性不足的劣势，在实际应用中难以有效推进。近年来随着管道内壁打磨机器人应用案例增加，基于工具负载的重力补偿算法和基于阻抗内环的力外环控制策略也被提出，在这一控制模式下，机器人可以通过计算期望力与实际力的误差对机器人轨迹进行修正，有效规避了稳定性不足的问题，能够使管道内壁打磨过程中用力更加精准与均匀，显著提升了机器人的智能化水平。

2.4 轨迹规划和路径跟踪

管道内壁机器人的打磨工作开展过程是一个动态连续的过程，机器人的行进路线、打磨用力方式都需要进行轨迹规划与路径跟踪，以便最终实现内壁光整的目标。目前常用的方式是A*算法、快速行进法(FMM)、非线性规划法、进化算法等，其技术核心是基于连续工作状态建立连续工作的自适应模型并运用计算机算法得到关于机器人在线轨迹的预测和打磨模型的预测。智能控制策略与最优路径规划相结合的方法能有效地减轻管道内壁打磨机器人的结构振动，进而提升其系统稳定性和打磨操作精度。

3 管道内壁打磨机器人的优化发展方向

3.1 控制精度提升

随着国内制造业生产内容技术水平与工艺进度持续提升，服务于特殊环境并能适应多元几何形状对象的管道打磨机器人应用范围也持续扩大。从目前发展情况来看，管道内壁打磨机器人的电力传输、数据采集以及行走摩擦影响仍存在问题。基于此，未来管道内壁打磨机器人将考虑进行优化，配置橡胶外壳，体内放置单片机、控制电路、传感器、发光二极管等设备，拓展刮削、搅拌、过滤、推进一体多元操作设备等方式对管道内壁打磨机器人进行优化，使得机器人适应更为复杂的环境，实现提升信息传输与判断精度、提供更高质量服务、减少维修保养费用等方面的功能优化。

3.2 适用多元场景

管道内壁机器人具有高温、防水、耐腐蚀等突出优势，目前国内外均将其小规模应用于大型工业设备生产制造、维护保养等领域。未来，随着管道打磨机器人技术成熟、成本控制与规模量产，其不仅能广泛用于汽车零部件管道制备清理、固体火箭发动机壳体内壁绝热层打磨作业、船只和城市地下管网水下管道打磨等领域，还有机会走入人们的日常生活，应用于家用管道疏通修复、电器清理保养等家居领域，为人们的日常生活提供便利。

4 结语

总结来看，随着机械控制技术提升、机械精度提高以及管道平整要求提高，管道打磨机器人的定向识别、末端执行设备应用、遥控与误差控制策略和轨迹规划和路径跟踪技术也实现了持续发展与整合应用。管道打磨机器人具有控制进度提升和适用多元场景等发展潜力，有机会进一步服务于工业生产、日常生活等领域，为经济发展和社会进步提供支持。