刚性内窥机器人，在风电叶片检测中，怎样缩短停机检测时间？

由于世界能源需求增长强劲，全球环境日益恶化，化石类资源逐渐短缺等问题，全球各国都在加速能源低碳转型，积极构建以清洁能源为主导的能源新格局。

风能作为一种清洁能源，越来越受到各国政府的重视，目前仍保持着世界增长最快的能源地位。

风电叶片是风力发电机组的重要组成部分，也是将风能转化为电能的关键部件，在生产、运输、安装和服役过程中都有可能会出现缺陷和损伤。

对于风电叶片外表面缺陷和损伤的检测方法已较为成熟，而对于内部检测的有效方式仍以人工检测为主。

为了能够替代人工检测，设计出适用于风电叶片内部检测的内窥机器人不仅可以提高检测效率，缩短停机检测时间，还可以保障工作人员的劳动安全，有效避免重大事故的发生。

风电叶片内部被腹板分割为具有不同特点的多个区域，其中前缘与腹板所夹区域是一段直径变化范围大的不规则空间，针对这种类似管道空间的内窥机器人，国内外已经进行了不同程度的研究，目前内窥机器人的移动方式主要包括履带式、轮式、螺旋驱动式等。

那么内窥结构在在风电叶片机器人中，怎样实现远程控制和供电呢？

«——【·机器人方案设计·】——»

风电叶片外观和内部结构示意图如图1所示，叶片主要由上下蒙皮、主梁和腹板组成，腹板分别与上下蒙皮通过粘接固定，上下蒙皮也在前缘和后缘处粘接相连。

风电叶片中不同腹板的位置、长度等参数各不相同，靠近前缘的腹板一般会贯穿叶片内部，靠近后缘的腹板相对较短，为了机器人能够检测到更多区域，选取前缘空间作为检测对象进行研究。

前缘与腹板组成了一段具有复杂空间特点的前缘空间，由于叶片扭角的存在致使不同横截面的截面形状也不同，如图2所示。

设计要求：结合风电叶片前缘空间的特点，为了满足停机时风电叶片处于任意圆周角度都能检测的实际需求，内窥机器人应具备以下能力：

主动变径能力：机器人能够主动适应风电叶片前缘空间的直径变化范围。

移动能力：能够在腹板上平稳前进或后退，并可以进行小角度的转向。

末端支撑能力：能够适应前缘空间内表面曲率变化，末端尽可能贴合内表面，做到随形支撑。

负载能力：能够搭载不同的检测设备在风电叶片内部行走，检测设备应具有一定的自由度以便能够检测前缘空间的不同区域。

为避免拖拽线缆对机器人的影响，需搭载可充移动电源并进行无线控制。

具有柔性构件的机器人结构：机器人整体结构如图3所示，主体由行走模块、变径模块和支撑模块构成。

工作时行走模块紧贴在腹板上，机器人采用多电机独立驱动的方式，具有直线行驶和转向的能力。

变径模块由两组变径机构组成，可实现大范围变径功能。支撑模块与变径机构相连，并紧贴在风电叶片内表面上，随内表面变化而进行自适应调节。

机器人在腹板上行走时，必须具备较强的附着力，针对腹板中心线发生偏移的现象，机器人还应该具有一定的转向能力。

履带式结构具有接触面积大，附着能力强的特点，并具有较强的越障能力和良好的转向能力。

如图4所示，行走机构采用中心对称布置方案，电机通过电机支座安装在内侧机构架的中间，并通过联轴器连接齿轮轴带动锥齿轮组转动，通过锥齿轮传动结构输出动力并改变传动方向，从而驱动同步带轮转动，实现行走的功能。

使用同步带代替履带可以增大接触面积并减小对腹板的损伤，张紧机构固定在外侧机构架上，通过调节螺钉的拧紧顶推来实现同步带的张紧。

行走模块整体布置如图5所示，该模块由前后两组履带行走机构组成，通过控制不同驱动电机实现机器人的直线行走和转向，行走模块首尾两端与丝杠两端支座固连，配合丝杠螺母机构与变径机构连接。

为了使风电叶片在任意圆周角度下机器人都能获得足够的附着力，变径支撑机构必须具有大范围主动变径和小范围自适应内表面形状的能力，才能够适应前缘空间的直径变化范围大、轴向及径向连续变化的结构特点。

机器人变径支撑机构由变径机构和支撑机构组成，主要用于大范围的变径以及小范围的随形支撑。单组变径支撑机构如图6所示，变径机构采用剪叉构型。

电机通过联轴器与丝杠连接，丝杠为左右螺纹型，两侧螺纹旋向相反。丝杠两端各安装一个丝杠螺母，当丝杠旋转时，两个螺母会相向或相背运动。

螺母与滑块通过压簧连为一体，滑块通过铰接支座与变径机构长臂杆铰接，两个长臂杆中心处通过连接轴铰接，两个长臂杆末端分别与两个短臂杆铰接，两个短臂杆末端通过连接轴铰接，并与支撑机构相连。

整体机构动力源为电机，通过丝杠螺母机构、压簧系统和变径机构，将电机的输出扭矩转化为支撑机构的支撑力。

支撑机构如图7所示，支撑机构支架包括四个耳环，按照十字分布，每个耳环处通过连接轴铰接一根支撑轮腿和扭簧，支撑轮腿的末端连接橡胶轮。

由于耳环侧设置了挡板，每根支撑轮腿在转动方向上具有极限位置，在该位置时会对风电叶片内表面形成刚性支撑。轮腿之间相互配合，最终会形成一个至少含有三根轮腿支撑的支撑面，提高了支撑的稳定性。

扭簧由于预紧力的作用，其初始状态为自适应支撑轮组最大伸展状态，当机器人运行在风电叶片前缘空间时，各支撑轮腿会根据曲面的曲率贴合在风电叶片内表面，当轮腿旋转至挡板处，通过挡板的作用力为机构提供支撑。

因为变径模块由两组变径机构组成，机器人在工作过程中可能会发生前后倾覆现象，并且机器人结构存在压簧和扭簧，致使机器人系统具有较大的柔性，定位精度受到影响，加深了控制系统的复杂性，实现封闭力控制难度较高。

因此需要对机器人结构进行修改，在机器人整体方案不变的情况下进行结构改进并设计一种刚性的机器人结构。

«——【·改进的机器人结构·】——»

改进的机器人结构如图8所示，该机器人由变径机构、行走模块、支撑机构、摄像头、电源及控制器构成。

为了防止发生前后倾覆现象，增加结构的稳定性，机器人变径机构数量增至四组，呈矩形布置。

电源选取容量为44800mA·h的锂电池，可同时输出24、12和5V电压。所有电机尾部已集成驱动器，采用脉冲信号即可实现控制功能。

行走模块示意图如图9所示，为了减小驱动轮和从动轮的受力且增加传动系统的稳定性，行走模块增添了支撑轮和张紧轮。

行走模块为中心对称结构，电机与减速器被固定在两个内侧机构架之间，通过联轴器传递扭矩，带动一组等径锥齿轮转动并改变了力矩的传动方向。

从动锥齿轮与主动带轮通过带轮轴相连，主动带轮与同步带的啮合，将电机的转动转化为同步带的转动。

同步带与从动带轮啮合，带动从动带轮一起旋转。支撑轮在同步带内侧自由旋转，通过同步带与腹板间接接触，起到将力传递到地面的作用。

内侧机构架和外侧机构架通过各轮轴的轴肩定位以保持固定间距，为行走轮系提供合理的运动空间。

行走轮系示意图如图10所示，主动带轮和从动带轮不与腹板间接接触，改为由支撑轮组主要承受外力，张紧轮和从动带轮通过张紧机构的调节可以沿图示方向移动并锁紧。

张紧机构如图11所示，张紧轮和从动带轮的张紧机构固定在外侧机构架上。

张紧轮通过调节螺钉与内螺纹件的螺纹配合可以上下移动，用于实现张紧轮的定位，再通过防松螺母实现对张紧轮的夹紧。

从动带轮轮轴的轴承座与调节架相连，调节螺钉可以使调节架左右移动，用于从动带轮的定位，再通过锁紧螺钉实现对从动带轮的夹紧。

通过上述张紧轮和从动带轮张紧机构的组合，可以实现对同步带不同程度的张紧，以保证行走模块的稳定性。

变径支撑机构如图12所示，电机通过联轴器与滚珠丝杠相连，将电机的输出扭矩传递到丝杠上。

滚珠丝杠固定端支座中配有一对角接触球轴承，可同时承受轴向力和径向力，支撑端支座配有深沟球轴承，只承受径向力，这种搭配可以使丝杠支撑端能够做微量的轴向浮动。

当电机工作时，滑块在滚珠丝杠和导向轴的影响下沿丝杠移动，通过铰接支座带动长臂杆做平面运动。变径机构的另一个长臂杆通过铰接支座与丝杠支撑端相连，只能做定轴转动。

两个长臂杆在各自长度的1/3处通过铰链销铰接，长臂杆与短臂杆在首尾处通过铰链销铰接，两个短臂杆在末端通过铰链销铰接。

支撑机构安装在变径机构末端即两个短臂杆末端处，在电机驱动下始终与前缘空间内表面贴合，实现小范围随形支撑功能。

整个系统的动力源为电机，该系统将电机的转动转化为变径机构末端的平面运动，以实现变径机构的大范围变径功能。

风电叶片前缘空间与普通的圆形管道不同，一侧是较为平坦的腹板，另一侧是具有扭角的半椭圆形状的曲面，因此内窥机器人不能像普通管道机器人一样中心对称分配变径机构。

丝杠螺母机构需要较长的轴向空间，这导致内窥机器人本体轴向长度较长，为了使内窥机器人在运行过程中能始终保持平衡，所以决定变径模块由四组变径机构组成，两组变径机构的夹角为90°，机器人变径模块布局如图13所示。

风电叶片前缘空间的曲率变化较大，为了使支撑机构与叶片内表面的接触更加稳定，支撑机构采取两个旋转自由度串联的形式，具体结构如图14所示。

连接件与变径机构末端通过铰链销铰接，转动件通过铰链销与连接件铰接，一维力传感器固定在转动件与安装架之间，可以检测出安装架在机器人工作过程中所受到的法向力。

然后将信号发送到控制器中，与变径机构电机驱动信号形成闭环，实现封闭力控制。

橡胶轮内部配置有球轴承，四个橡胶轮通过螺钉安装在安装架侧面，在机器人工作过程中可以保证至少有三个橡胶轮与风电叶片内表面贴合，为机器人提供稳定的随形支撑。

机器人摄像头配置方案如图15所示，该方案采用4K分辨率1600万物理像素的工业自动聚焦摄像头，直流电机选用ZGA25RP24V微型调速电机，空载转速为10r/min，负载力矩为0.245N·m，可以以满足摄像头的转动需求。

摄像头通过支架与直流电机相连，并通过直流电机调速器的调节可实现摄像头正反转和调速功能。直流电机通过电机座与机器人的前置安装架相连，前置安装架上放置直流电机的调速器和力传感器的信号放大器，并与丝杠支撑端支座和行走模块相连。

内窥机器人在风电叶片前缘空间的运行工况如图16所示。

在机器人正常工作中，根据风电叶片前缘空间的空间特点，机器人会遇到两种空间变化：内部空间的增大或减小以及腹板中心线的偏移。

前缘空间发生变化时，支撑机构所受瞬时压力也会发生变化。当压力超出预定范围时，为了实现封闭力控制，需要电机增大或减小输出扭矩，进而使压力在预定范围之间，借此维持机器人的稳定运行。

风电叶片腹板中心线发生偏移时，行走模块需要根据偏移角度来调整各个电机的转速，从而使两条同步带的转速产生差值，实现差速转向功能，致使机器人回到正确的方向。

相比具有柔性系统的机器人结构，改进的机器人结构具有封闭力控制简单，前后不易发生倾覆的优点。

«——【·变径机构运动仿真·】——»

机器人正常工作时，变径机构会根据前缘空间内部空间变化而进行压缩或伸展运动，压缩和伸展极限状态如图17所示，选取SolidWorks软件中Motion插件对机器人变径能力进行运动仿真。

选取单组变径机构为分析对象，设置电机转速为750r/min，单组变径机构从压缩极限状态开始运动仿真，至伸展极限状态结束，仿真时间为43.6s。

机器人工作直径与滑块位移曲线如图18所示，可知机器人工作直径为395mm~1492mm，满足大范围变径要求。

机器人变径机构从压缩极限状态开始运动，仿真开始时，机器人工作直径变化率较高，随着变径机构逐渐伸展，机器人工作直径变化逐渐放缓，在接近伸展极限状态处工作直径变化较小。

长臂杆与丝杠所夹锐角角度与时间曲线如图19所示，压缩极限状态时角度为4.68°，伸展极限状态时角度为84.93°，角度变化率在开始阶段高，从中期至仿真结束阶段，角度与时间接近正比关系。

总体上机器人变径运动十分平稳，没有较大的突变现象，满足设计要求。

«——【·结语·】——»

在履带式和支撑轮式结构的基础上，首先提出了一种具有柔性系统的风电叶片内窥机器人结构，然后对结构进行了改进，设计了一种刚性的内窥机器人结构，详细介绍了两种不同机器人的结构和各部件的功能。

经过对比分析，两者都可以满足大范围变径和小范围随形支撑的要求，并且具有一定的转向能力。

区别在于前者具有柔性系统，由于扭簧和压簧的存在，能够应对风电叶片内表面较大的凸起，但是定位精度和封闭力控制受到一定程度的影响。

改进的刚性机器人抵抗倾覆的能力较高，行走轮系的布置更加合理，机器人可以实现远程控制和供电，并具有单个旋转自由度的检测能力。最后应用SolidWorks软件对单组变径机构进行运动仿真分析，得到机器人工作直径为395mm~1492mm。

综上所述，设计的内窥机器人可以满足设计要求，为后续机器人运动和力学分析提供了模型基础。