基于导波的电厂热管管外自动检测机器人
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【摘要】在热电厂中，热管（heat pipe）用于实现热量的转移与传导，即作为高效散热元件。然而，由于特殊的热电厂工作环境，热管较易被腐蚀。热管损坏后，热力系统不能很好的传导热量，影响热电厂正常运作，严重时可能导致供电异常。而目前用于热管检漏的设备比较落后，适应性和自动化程度低，具有很大的局限性。基于以上原因我设计了该款基于导波的热管管外自动检测机器人。能够自动行走检测热管是否有缺陷，并发出警报，能够精确的实现复杂管道环境下转弯、爬升、翻越凸台等运动过程是本设计的创新及特色。
1.研究背景
现阶段，电厂的热管检修基本是人力利用导波装置检测是否有腐蚀，从而在早期排除隐患。但是，由于热管在热电厂的分布的特殊性，人工检测时工人十分辛苦，并且效率不高，从而耗费了大量的人力物力。
目前的设备技术水平尚未能够进行热管的自动检测识别，但是已经出现了能够在部分特殊管道内部行走的工业管道机器人，因此，我们在已有的技术层面创新，研制能够在管道外壁移动并基于导波检测热管管道是否损毁的机器人。针对热管管道细长、有大角度弯道的特点，我们吸取已有的技术，设计出了更适应于管道行走，特别是在管道上转弯的管外行走并能自动检测热管是否损毁的机器人，该机器人充分利用管道特点，通过机器爪的抓合控制机器人的动作，行走过程稳定、安全、高效。
2.机械结构
机器人的的机械部件包括夹持组件、机身组件及控制组件：如图1所示，夹持组件包括夹持机械手5及夹持机械手驱动机构;机身组件包括前机身1、后机身2及连接前机身和后机身的舵机3，前机身1前端和后机身2后端均设有夹持机械手驱动机构，夹持机械手驱动电机4的轴上设有机械手5，机械手5上设有用于检测热管的磁致伸缩式传感器12;控制组件包括单片机18、通讯模块19及上位机20，单片机18和通讯模块19设于前机身或后机身2内部，上位机20通过通讯模块19与单片机18无线连接。
图1 机器人的主视图
如图2所示，机械手5包括一对夹持臂10、壳体7及设于壳体内的夹持臂驱动机构、主动轮15、第一从动轮16、第二从动轮9，夹持臂驱动机构的驱动轴上设有主动轮15，主动轮15、第一从动轮16、第二从动轮9依次啮合，两夹持臂10上端分别与第一从动轮16和第二从动轮9中心轴固定连接，下端相向侧面设有弧形夹持面15，弧形夹持面15两侧设有平面;磁致伸缩式传感器12设于弧形夹持面15边缘。弧形夹持面15设有第一压力传感器14，第二从动轮9上方的壳体内壁设有第二压力传感器8，第二压力传感器8与第二从动轮9的轮齿不接触，弧形夹持面一侧的平面设有对射式光电接近开关13，第一从动轮16和第二从动轮9啮合区下方壳体上设有电感式距离传感器11。第一从动轮16和第二从动轮9结构参数相同。电感式距离传感器11位于第一从动轮16和第二从动轮9中心连线的中垂线附近。夹持机械手驱动机构和夹持臂驱动机构为步进电机6。
图2 机器人机械手的结构示意图
3.机器人运动形式
3.1 机器人沿直线管道行进运动形式
图3 机器人在直线行走阶段的运动分解示意图
图4 机器人在弯道行走阶段的分解示意图
如图3所示，机器人在直线管道上行走步骤如下：
第一步，步进电机A顺时针旋转，对应的机械手抓紧圆管。
第二步，步进电机B逆时针旋转，对应的机械手张开。
第三步，步进电机C顺时针旋转180度。
第四步，步进电机D顺时针旋转180度。
第五步，步进电机B顺时针旋转，对应的机械手抓紧圆管。
第六步，步进电机A逆时针旋转，对应的机械手张开。
第七步，步进电机D顺时针旋转180度。
第八步，步进电机C顺时针旋转180度。
第九步，步进电机A顺时针旋转，对应的机械手抓紧圆管。
第十步，步进电机B逆时针旋转，对应的机械手张开。
以上十个动作完成一个运动周期。
3.2 机器人沿管道转弯时的行进运动形式
如图4所示，机器人在弯管上行走步骤如下：
如图4-（1）所示，步进电机A顺时针旋转，对应的机械手抓紧圆管。步进电机B逆时针旋转，对应的机械手张开。
如图4-（2）所示，步进电机C顺时针旋转180度，步进电机D顺时针旋转180度。步进电机B顺时针旋转，对应的机械手作抓紧动作。此时有两种情况：
a.机械手的两夹持臂合拢且“抓空”，对应机械手的对射式光电接近开关13被触发，步进电机B反转，对应的机械手再次张开。
b.机械手两指中有一只由于管道的阻碍，被管道卡住，步进电机B会停转，俗称“闷车”，瞬时过高电流触发继电器，步进电机B反转，对应的机械手再次张开。
如图4-（3）所示，舵机E开始顺时针旋转，同时对应的机械手内的电感式距离传感器11启动，当传感器探头对准管道轴线时，舵机E立即停转。
如图4-（4）所示，步进电机B顺时针旋转，对应的机械手抓紧圆管。步进电机A逆时针旋转，对应的机械手张开。
如图4-（5）所示，步进电机D顺时针旋转180度。步进电机C顺时针旋转180度。
如图4-（6）所示，利用之前控制系统记下的舵机E旋转角度，舵机E反转，机身进行校直。
如图4-（7）所示，舵机E开始顺时针旋转，同时对应机械手内电感式距离传感器11启动，当传感器探头对准管道轴线时，舵机E立即停转。
如图4-（8）所示，步进电机A顺时针旋转，对应的机械手抓紧圆管。步进电机B逆时针旋转，对应的机械手张开。
以上系列动作完成一个运动周期。
4.机器人工作模式
该设计的控制系统有两种工作模式：
4.1 无人工干预模式
当外部没有信号的发送，即人工不参与机器人作业时，其控制流程如下：
（1）直线行进阶段，单片机18首先根据预设的步进电机B的转数调制PWM脉冲，通过放大传送至步进电机B，使得对应的机械手打开。当机械手打开完全后，将触发第二从动轮9上方的第二压力传感器8，并将这一信号反馈至单片机18。紧接着，单片机18停止控制步进电机电机B的转动。然后，调制PWM控制步进电机C，使得步进电机C带动左侧肢节向上旋转180度。然后控制步进电机D，使得机身向右方向旋转180度。紧接着，再次启动步进电机B，使得机械手开始合拢。当机械手在单片机18控制下接触管道，触发机械手夹持面15的第一压力传感器14，反馈至单片机18，停止步进电机B转动，完成一次前进步伐。
（2）转弯行进阶段，单片机18首先根据预设的步进电机B的转数调制PWM脉冲，通过放大传送至电机B，使得机械手打开。当机械手打开完全后，将触发第二从动轮9上方的第二压力传感器8，并将这一信号反馈至单片机18。紧接着，单片机18停止控制电机B的转动。然后，调制PWM控制步进电机C，使得步进电机C带动左侧肢节向上旋转180度。在控制步进电机C的同时，控制步进电机D，使得机身向右方向旋转180度。紧接着，再次启动步进电机B，使得机械手开始合拢。此时有两种情况：
a.机械手的两夹持臂合拢且“抓空”，机械手对射式光电接近开关13被触发，步进电机B反转，机械手再次张开。
b.机械手两夹持臂中有一只由于管道的阻碍，被管道卡住，步进电机B会停转，俗称“闷车”，瞬时过高电流触发灵敏度高的继电器，步进电机B反转，机械手再次张开。至此，判断出前方为非直线路线，需要转弯。
上续步骤后，单片机18再次启动步进电机B，使之完全打开，同时启动对应机械手内部的电感式距离传感器11。之后，单片机18进行PWM调制，控制舵机E，带动前机身向右侧旋转。旋转过程中，单片机18实时监测电感式距离传感器11是否被触发，用于判断下方是否为金属管道。若在90度范围内没有触发电感式距离传感器11，则向反方向旋转，同时监测传感器是否触发。若在旋转过程中传感器被触发，则立即停止舵机机E的运作，并利用单片机18记录本次旋转方向与角度。紧接着再次启动步进电机B，使对应机械手开始合拢。利用第一压力传感器14监测机械手是否与管道接触，完成定位后，松开步进电机A对应的机械手使之完全张开。接下来开始启动舵机E根据之间转动角度的记录进行机身的校直。之后，关闭电感式距离传感器。重复之前直线行走动作。
重复上述步骤，直至结束弯道行进阶段。
4.2 人工干预模式
（1）机器人初始状态为静止状态;
开始工作指令;
1）当上位机通过通讯模块发送工作指令至机器人时，机器人开始行走;
2）停止行进指令;
3）当上位机通过通讯模块发送停止行进指令至机器人时，机器人停止行走;
4）开始超声导波检测指令;
5）当上位机通过通讯模块发送导波检测指令至机器人时，机器人开始利用超声导波装置检测，并且讲检测数据实时传回至上位机;
6）停止超声导波检测指令;
当上位机通过通讯模块发送停止检测指令至机器人时，机器人停止利用超声导波装置检测，停留在原地。
5.控制系统概述
控制系统硬件框架如5所示，本设计采用意法半导体（ST）公司的STM32-Cortex-M3作为中央微控制器（Micro Control Unite），整合了一些模块，构成了最小系统。
图5 控制系统模块构架
该控制系统由控制核心，上位机，步进电机组成。上位机通过Zigbee模块与控制核心进行通讯，使得工作人员可进行人工控制一些操作。控制核心进行PWM调制控制步进电机的转动进而控制机器人的行走与转弯。
6.结语
本设计是一个基于导波的管道检测机器人，设计灵感来源于我院热力发电的背景，我相信设计成品将在热电厂得到广泛应用。
参考文献
[1]邓宗全，毕德学.管道机器人[M].机器人技术与应用，1996.
[2]安永植，姜国超.管外移动机器人机构的研究[M].机器人，1994.
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