无轨道式水轮机叶片坑内修复机器人
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ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｍａｎｉｐｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｍａｎｕａｌｌｙ ｏｎ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．
Ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｔｏ ｒｅｐａｉｒ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ ｏｎ ｓｉｔｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ
目前在对水轮机叶片进行修复时，大多采用人 工操作。特别是在对水轮机进行修复时，有时还须 将重达几百吨的水轮机叶轮从机坑内调出，费时费 力。以建在黄河上的刘家峡水电站为例，由于空蚀 磨损破坏，每年除安排１台机进行１个多月的大修 外，还要安排１台机进行４个多月的扩大性大修。 在扩大性大修中，补焊打磨面积最大的一次达４０ｍ２， 一般都要补焊打磨２０多ｍ２；堆焊的焊条最多的一
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ａ ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｆｏｒ ｏｎ－ｓｉｔｅ ｒｅｐａｉｒ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ．Ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ａ ｒａｉｌ·－ｆｒｅｅ ｍｏｂｉｌｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｗｉｔｈ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ａ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｄｅ－－
水轮机转轮叶片坑内修复机器人系统结构如图 ４所示。系统可以划分为水轮机叶片上和叶片下两
图３ 系统功能不意图
个部分。其中机上部分的机器人的移动平台吸附在 叶片上，其上安装作业臂（机械臂），作业臂末端安 装激光测距仪、摄像机和照明灯，同时还安装作业 系统（气刨、焊接或磨削系统之一）的加工工具与部 分附件。气刨、焊接或磨削系统分别与叶片下的操 作盒通过电缆连接，各部件与电源、主控制箱和主 计算机通过电缆连接。
次达７ｔ，一般都要堆焊３—４ｔ焊条。这种方法不仅 效率低、无法保证修复质量，而且维修周期长、工 作环境恶劣、劳动强度大，要花费很多人力、物 力。三峡水电站的水轮机转轮直径１０多ｍ，重达 ４００多ｔ，为世界最大、最重的不锈钢焊接转轮，无 疑对水轮机及其过流部件的修复在时间、效率、精 度等方面提出了更高的要求，因此迫切需要研制能 在机坑内直接对水轮机受损部位进行修复的、具有 较高智能的机器人，取代人工作业。
据初步统计，中国大中型电站水轮机有泥沙磨 蚀的约２００台，且逐年增多。并且，许多电站的水 轮机的气蚀、磨损已很严重，进入了高频维修期， 水轮机修复的工作量越来越大。但是，现有国内外 设备无法满足水轮机叶片坑内修复的需要。因此， 研制和开发自动化和智能化程度均较高的水轮机叶 片坑内修复设备，必将在我国甚至国际上具有广阔 的应用前景。
ｂ．空蚀破坏
图１ 水轮机叶片磨损、空蚀破坏
水轮机叶片受到磨蚀、空蚀破坏后，会使水轮 机的发电效率降低、出力减小、振动加剧，严重时 因泄漏流量太大而无法停机，这不仅威胁水电站的 安全运行，也严重威胁电网的安全运行。
１ 国内外水轮机叶片修复现状
为了保证水轮机的安全、稳定运行，水电站定 期要对水轮机叶片受损部位进行修复。水轮机叶片 修复的一般过程为１２＇，】：根据现场受损状况确定叶片 待修部位一用气刨或磨削等装置进行焊前清理一用 电弧焊进行修补一用磨削或其它装置对补焊后的叶 片表面进行焊后修形一叶片形面测量和探伤作业， 在有些场合还需进行表面喷涂处理。
ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ＳＵＣＣＥＳＳ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ．Ａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ ｉｎ·ｓｉｔｕ ｒｏｂｏｔ ｒｅｐａｉｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｔｈｅｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｂｒｉｎｇ ＣＯＩｌ一 ｖｅｎｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｂｅｎｅｆｉｔ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ ｏｎ—ｓｉｔｅ ｒｅｐａｉｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｂｏｔ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ；ｏｎ—ｓｉｔｅ ｒｅｐａｉｒ
水轮机作为动力机械，在水力发电中具有重要 作用。在运行过程中，当水流挟带悬移质泥沙和推 移质泥沙运动时，具有一定动能的硬质沙粒对水轮 机叶片表面反复冲刷和切削，与此同时高速水流在 沿程压强变化的场合形成的空泡在压强高的区域破 灭产生很大的冲击压强，都会对水轮机叶片表面造
成磨损和空蚀破坏（图１）。
ａ．蘑损破坏
国内兰州理工大学Ｈｌ、哈尔滨理工大学１５１及中 南大学№１在水轮机坑内修复机器人方面做了研究， 但是尚未见其应用于工业现场的报道。
目前国际上唯一可在机坑内对水轮机进行修复 的机器人是加拿大魁北克水电局和魁北克大学高等 技术学院合作研制的Ｓｃｏｍｐｉ ３４５型机器人（如图２所 示）１７１。该机器人是轨道式的、６轴多功能机器人， 可进行焊接、打磨等作业。但是由于Ｓｃｏｍｐｉ机器人 是基于轨道的，在修复时需要根据受损位置不断拆 装轨道，这大大增加了修复的工作量，且在某些位 置由于空间过于狭小、曲面形状复杂无法安装轨 道，限制了其应用。另外，Ｓｃｏｍｐｉ机器人还存在手 臂刚度不足的问题，主要适用于破坏程度相对较低 的清水电站。
３ 水轮机叶片坑内修复机器人总体方 案
根据作业现场条件和功能要求，本文提出了一 种基于无导轨永磁吸附移动平台的修复机器人方案。
水轮机叶片坑内修复机器人系统具有图３所示 功能。功能可以概括为：能够在现场对水轮机转轮 叶片上的蚀面状况进行测量，并在监视状态下，对 叶片蚀面实施遥控操作气刨、打磨和补焊作业等。
（２）机器人作业臂各关节当前位置和姿态仿真， 以便于遥控作业臂运动；
‘（３）机器人作业臂末端加工区域附近的实时图 像，以便测量和修补该处。通过遥控盒（包括控制机 器人载体、作业臂运动、气刨、补焊、打磨的遥控 盒）控制机器人载体在叶片上移动，操纵作业臂运
ＣＨＥＮ Ｑｉａｎ９１
ＧＵＩ Ｚｈｏｎｇ－ｃｈｅｎ９２
（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｂｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，１０００８４。Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｏｎｇｆａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，６１００３６，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｃｈｉｎａ）
ｒ一一一一一…一一一…‘………………………一…～…！
｛
Βιβλιοθήκη Baidu电缆
机上部分 ｝
图４系统结构分布图 水轮机叶片坑内修复机器人系统的修复作业工
艺流程如图５所示。将安装好机器人作业臂、视觉 测量装置及作业装置的机器人本体放到转轮叶片的 某一面上。操作人员通过计算机屏幕可以观察到：
（１）机器人本体在整个叶片中的位置和姿态，以 便于遥控机器人载体遍历叶片；
收稿日期：２００７—０８—２０ 资助项目：高校博士点基金（２００６０００３０６９）资助项目 作者简介：陈强（１９５３一），男，教授、博士生导师，主要研究方向为信息传感与智能控涮和机器人技术与工程应用。
桂仲成（１９７９一），男，清华大学机械系毕业，工学博士。
·２·
第２ｌ卷第４期 ２００７年１２月
束扩它泰坪奢
ｇｒｅｅ—ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ．Ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｄｈｅｒｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｂｌａｄｅ’Ｓ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｏ ｂｅ ｒｅｐａｉｒｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｅｑｕｉｐｐｅｄ ｗｉｔｈ ｓｏｍｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｃｈａｎｇｅａｂｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｔｏｏｌｓ ｉｓ ｍｏｕｎｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ Ｃａｌｌ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｒｅｐａｉｒｉｎｇ ｔａｓｋｓ（ｓｕｃｈ ａｓ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ，ａｉｒ－ｇｏｕｇｉｎｇ ｃｌｅａｎｉｎｇ，ｗｅｌｄｉｎｇ，ｇｒｉｎｄｉｎｇ）ａｕｔｏ— ｍａｔｉｃａｌｌｙ ｗｉｔｈｏｕｔ ｄｉｓｍａｎｔｌｉｎｇ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ｔｏ ｂｅ ｒｅｐａｉｒｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｃａｎ ｓｕｐｅｒｖｉｓｅ ｔｈｅ
①能直接在机坑内对受损叶片进行修复； ②能在叶片表面全位置行走，负载能力强，移 动灵活； ③能实现受损区不规则蚀面的自主检测； ④能根据蚀面的具体情况自主选择合适的修复 工艺（如焊接、磨削等）参数； ⑤能在修复过程中实现对修复外形和内在质量 的控制。 （２）水轮机叶片坑内修复作业现场条件和要求其 具有的功能决定了其研制难点如下： ①全位置作业。以典型的轴流式和混流式水轮 机转轮叶片坑内修复为例，两者的结构形式不同， 修复工作的位置也不相同：轴流式水轮机的叶片修 复作业位置主要是平面和仰面；混流式水轮机叶片 修复作业位置主要是立面和斜面。另外，叶片曲面 型线复杂，这些均就要求在修复时须不断变换作业 的位姿以适应不同的作业位置，即要求修复机器人 具有全位置作业（运行）能力，特别是机器人在立面 上的负载能力要强。 ②作业种类多，难度大。水轮机叶片修复作业 包括检测、清理、补焊、打磨、喷涂等，这些作业 的工艺特点不同，这增加了修复的难度。如补焊时 要求机器人的灵活性要好，打磨时要求机器人刚度 好、承载能力强。 ③作业空间狭小，劳动环境恶劣。如某电站水 轮机转轮叶片间的最小间距只有３９０ ｍｍ左右，这要 求修复机器人的体积小。并且焊接打磨等修复作业 常伴有噪音、振动、烟尘、粉尘，环境潮湿，工作 环境恶劣，这要求机器人抗干扰能力强、安全可靠。
２ 水轮机叶片坑内修复机器人研制难
占
Ｊ’、、
图２ Ｓｃｏｍｐｉ机器人
第２ｌ卷第４期 ２００７年１２月
束矛审泰坪奢
Ｄｏｎｇｆａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒｅｖｉｅｗ
Ｖ０１．２１ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２００７
。，ｊ’ 。
（１）根据水轮机叶片坑内修复的实际需要，新一 代水轮机叶片坑内修复机器人应具备下列功能：
Ｄｏｎｇｆａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒｅｖｉｅｗ
Ｖ０１．２ｌ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２００７
我国水能资源理论蕴藏量为６．８８亿ｋＷ，年发 电量５．９２万亿ｋＷ时，其中可开发利用的水能资源 为４．４８亿ｋＷ，年发电量２．４７万亿ｋＷ·ｈｔ¨。水能 是我国最丰富的能源资源，也是中国现有能源中唯 一可以大规模开发的可再生能源。因此，大力开发 水能具有重要的经济和社会意义。
本文研究的关键技术及究成果。可组成水轮机叶片坑内修复机器人系统，为最终实现水轮机叶片坑内修复的自动化提供了技术 条件和基础。
关键词：机器人；水轮机叶片；坑内修复
中图分类号：ＴＰ２４２．３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１—９００６（２００７）０４～０００１—０６
Ｒａｉｌ—－ｆｒｅｅ Ｒｏｂｏｔ ｆｏｒ ｏｎ·－ｓｉｔｅ Ｒｅｐａｉｒ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｂｌａｄｅ
换的作业工具，机器人可以直接在机坑内对叶片受损情况进行自主检测和修复作业（如气刨清理、焊接、打磨等），操作人员也
可通过远端监控系统对机器人的运行状况进行监控，在出现紧急情况时可以直接对机器人进行手动控制。对水轮机叶片坑内修
复机器人系统涉及的关键技术进行了研究，仿真及试验结果表明本文提出的水轮机叶片坑内修复机器人方案是可行的，且利用
无轨道式水轮机叶片坑内修复机器人
陈强１ 桂仲成２
（Ｉ．清华大学机械工程系、教育部先进成形重点实验室。北京，１０００８４；２．中国东方电气集团公司科技发展部，Ｉ四）ｌｌ成都，６１００３６）
摘要：介绍了一种多功能的水轮机叶片坑内修复机器人方案和研究进展。机器人本体由可全位置行走的无导轨磁吸附移动平
台和多自由度作业机械臂组成，移动平台吸附于待修复的叶片表面，机械臂安装在移动平台上，机械臂可携带检测及各类可更
Ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｔｏ ｒｅｐａｉｒ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ ｏｎ ｓｉｔｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ
目前在对水轮机叶片进行修复时，大多采用人 工操作。特别是在对水轮机进行修复时，有时还须 将重达几百吨的水轮机叶轮从机坑内调出，费时费 力。以建在黄河上的刘家峡水电站为例，由于空蚀 磨损破坏，每年除安排１台机进行１个多月的大修 外，还要安排１台机进行４个多月的扩大性大修。 在扩大性大修中，补焊打磨面积最大的一次达４０ｍ２， 一般都要补焊打磨２０多ｍ２；堆焊的焊条最多的一
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ａ ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｆｏｒ ｏｎ－ｓｉｔｅ ｒｅｐａｉｒ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ．Ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ａ ｒａｉｌ·－ｆｒｅｅ ｍｏｂｉｌｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｗｉｔｈ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ａ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｄｅ－－
水轮机转轮叶片坑内修复机器人系统结构如图 ４所示。系统可以划分为水轮机叶片上和叶片下两
图３ 系统功能不意图
个部分。其中机上部分的机器人的移动平台吸附在 叶片上，其上安装作业臂（机械臂），作业臂末端安 装激光测距仪、摄像机和照明灯，同时还安装作业 系统（气刨、焊接或磨削系统之一）的加工工具与部 分附件。气刨、焊接或磨削系统分别与叶片下的操 作盒通过电缆连接，各部件与电源、主控制箱和主 计算机通过电缆连接。
次达７ｔ，一般都要堆焊３—４ｔ焊条。这种方法不仅 效率低、无法保证修复质量，而且维修周期长、工 作环境恶劣、劳动强度大，要花费很多人力、物 力。三峡水电站的水轮机转轮直径１０多ｍ，重达 ４００多ｔ，为世界最大、最重的不锈钢焊接转轮，无 疑对水轮机及其过流部件的修复在时间、效率、精 度等方面提出了更高的要求，因此迫切需要研制能 在机坑内直接对水轮机受损部位进行修复的、具有 较高智能的机器人，取代人工作业。
据初步统计，中国大中型电站水轮机有泥沙磨 蚀的约２００台，且逐年增多。并且，许多电站的水 轮机的气蚀、磨损已很严重，进入了高频维修期， 水轮机修复的工作量越来越大。但是，现有国内外 设备无法满足水轮机叶片坑内修复的需要。因此， 研制和开发自动化和智能化程度均较高的水轮机叶 片坑内修复设备，必将在我国甚至国际上具有广阔 的应用前景。
ｂ．空蚀破坏
图１ 水轮机叶片磨损、空蚀破坏
水轮机叶片受到磨蚀、空蚀破坏后，会使水轮 机的发电效率降低、出力减小、振动加剧，严重时 因泄漏流量太大而无法停机，这不仅威胁水电站的 安全运行，也严重威胁电网的安全运行。
１ 国内外水轮机叶片修复现状
为了保证水轮机的安全、稳定运行，水电站定 期要对水轮机叶片受损部位进行修复。水轮机叶片 修复的一般过程为１２＇，】：根据现场受损状况确定叶片 待修部位一用气刨或磨削等装置进行焊前清理一用 电弧焊进行修补一用磨削或其它装置对补焊后的叶 片表面进行焊后修形一叶片形面测量和探伤作业， 在有些场合还需进行表面喷涂处理。
ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ＳＵＣＣＥＳＳ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ．Ａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ ｉｎ·ｓｉｔｕ ｒｏｂｏｔ ｒｅｐａｉｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｔｈｅｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｂｒｉｎｇ ＣＯＩｌ一 ｖｅｎｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｂｅｎｅｆｉｔ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ ｏｎ—ｓｉｔｅ ｒｅｐａｉｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｂｏｔ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ；ｏｎ—ｓｉｔｅ ｒｅｐａｉｒ
水轮机作为动力机械，在水力发电中具有重要 作用。在运行过程中，当水流挟带悬移质泥沙和推 移质泥沙运动时，具有一定动能的硬质沙粒对水轮 机叶片表面反复冲刷和切削，与此同时高速水流在 沿程压强变化的场合形成的空泡在压强高的区域破 灭产生很大的冲击压强，都会对水轮机叶片表面造
成磨损和空蚀破坏（图１）。
ａ．蘑损破坏
国内兰州理工大学Ｈｌ、哈尔滨理工大学１５１及中 南大学№１在水轮机坑内修复机器人方面做了研究， 但是尚未见其应用于工业现场的报道。
目前国际上唯一可在机坑内对水轮机进行修复 的机器人是加拿大魁北克水电局和魁北克大学高等 技术学院合作研制的Ｓｃｏｍｐｉ ３４５型机器人（如图２所 示）１７１。该机器人是轨道式的、６轴多功能机器人， 可进行焊接、打磨等作业。但是由于Ｓｃｏｍｐｉ机器人 是基于轨道的，在修复时需要根据受损位置不断拆 装轨道，这大大增加了修复的工作量，且在某些位 置由于空间过于狭小、曲面形状复杂无法安装轨 道，限制了其应用。另外，Ｓｃｏｍｐｉ机器人还存在手 臂刚度不足的问题，主要适用于破坏程度相对较低 的清水电站。
３ 水轮机叶片坑内修复机器人总体方 案
根据作业现场条件和功能要求，本文提出了一 种基于无导轨永磁吸附移动平台的修复机器人方案。
水轮机叶片坑内修复机器人系统具有图３所示 功能。功能可以概括为：能够在现场对水轮机转轮 叶片上的蚀面状况进行测量，并在监视状态下，对 叶片蚀面实施遥控操作气刨、打磨和补焊作业等。
（２）机器人作业臂各关节当前位置和姿态仿真， 以便于遥控作业臂运动；
‘（３）机器人作业臂末端加工区域附近的实时图 像，以便测量和修补该处。通过遥控盒（包括控制机 器人载体、作业臂运动、气刨、补焊、打磨的遥控 盒）控制机器人载体在叶片上移动，操纵作业臂运
ＣＨＥＮ Ｑｉａｎ９１
ＧＵＩ Ｚｈｏｎｇ－ｃｈｅｎ９２
（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｂｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，１０００８４。Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｏｎｇｆａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，６１００３６，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｃｈｉｎａ）
ｒ一一一一一…一一一…‘………………………一…～…！
｛
Βιβλιοθήκη Baidu电缆
机上部分 ｝
图４系统结构分布图 水轮机叶片坑内修复机器人系统的修复作业工
艺流程如图５所示。将安装好机器人作业臂、视觉 测量装置及作业装置的机器人本体放到转轮叶片的 某一面上。操作人员通过计算机屏幕可以观察到：
（１）机器人本体在整个叶片中的位置和姿态，以 便于遥控机器人载体遍历叶片；
收稿日期：２００７—０８—２０ 资助项目：高校博士点基金（２００６０００３０６９）资助项目 作者简介：陈强（１９５３一），男，教授、博士生导师，主要研究方向为信息传感与智能控涮和机器人技术与工程应用。
桂仲成（１９７９一），男，清华大学机械系毕业，工学博士。
·２·
第２ｌ卷第４期 ２００７年１２月
束扩它泰坪奢
ｇｒｅｅ—ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ．Ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｄｈｅｒｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｂｌａｄｅ’Ｓ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｏ ｂｅ ｒｅｐａｉｒｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｅｑｕｉｐｐｅｄ ｗｉｔｈ ｓｏｍｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｃｈａｎｇｅａｂｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｔｏｏｌｓ ｉｓ ｍｏｕｎｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ Ｃａｌｌ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｒｅｐａｉｒｉｎｇ ｔａｓｋｓ（ｓｕｃｈ ａｓ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ，ａｉｒ－ｇｏｕｇｉｎｇ ｃｌｅａｎｉｎｇ，ｗｅｌｄｉｎｇ，ｇｒｉｎｄｉｎｇ）ａｕｔｏ— ｍａｔｉｃａｌｌｙ ｗｉｔｈｏｕｔ ｄｉｓｍａｎｔｌｉｎｇ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ｔｏ ｂｅ ｒｅｐａｉｒｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｃａｎ ｓｕｐｅｒｖｉｓｅ ｔｈｅ
①能直接在机坑内对受损叶片进行修复； ②能在叶片表面全位置行走，负载能力强，移 动灵活； ③能实现受损区不规则蚀面的自主检测； ④能根据蚀面的具体情况自主选择合适的修复 工艺（如焊接、磨削等）参数； ⑤能在修复过程中实现对修复外形和内在质量 的控制。 （２）水轮机叶片坑内修复作业现场条件和要求其 具有的功能决定了其研制难点如下： ①全位置作业。以典型的轴流式和混流式水轮 机转轮叶片坑内修复为例，两者的结构形式不同， 修复工作的位置也不相同：轴流式水轮机的叶片修 复作业位置主要是平面和仰面；混流式水轮机叶片 修复作业位置主要是立面和斜面。另外，叶片曲面 型线复杂，这些均就要求在修复时须不断变换作业 的位姿以适应不同的作业位置，即要求修复机器人 具有全位置作业（运行）能力，特别是机器人在立面 上的负载能力要强。 ②作业种类多，难度大。水轮机叶片修复作业 包括检测、清理、补焊、打磨、喷涂等，这些作业 的工艺特点不同，这增加了修复的难度。如补焊时 要求机器人的灵活性要好，打磨时要求机器人刚度 好、承载能力强。 ③作业空间狭小，劳动环境恶劣。如某电站水 轮机转轮叶片间的最小间距只有３９０ ｍｍ左右，这要 求修复机器人的体积小。并且焊接打磨等修复作业 常伴有噪音、振动、烟尘、粉尘，环境潮湿，工作 环境恶劣，这要求机器人抗干扰能力强、安全可靠。
２ 水轮机叶片坑内修复机器人研制难
占
Ｊ’、、
图２ Ｓｃｏｍｐｉ机器人
第２ｌ卷第４期 ２００７年１２月
束矛审泰坪奢
Ｄｏｎｇｆａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒｅｖｉｅｗ
Ｖ０１．２１ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２００７
。，ｊ’ 。
（１）根据水轮机叶片坑内修复的实际需要，新一 代水轮机叶片坑内修复机器人应具备下列功能：
Ｄｏｎｇｆａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒｅｖｉｅｗ
Ｖ０１．２ｌ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２００７
我国水能资源理论蕴藏量为６．８８亿ｋＷ，年发 电量５．９２万亿ｋＷ时，其中可开发利用的水能资源 为４．４８亿ｋＷ，年发电量２．４７万亿ｋＷ·ｈｔ¨。水能 是我国最丰富的能源资源，也是中国现有能源中唯 一可以大规模开发的可再生能源。因此，大力开发 水能具有重要的经济和社会意义。
本文研究的关键技术及究成果。可组成水轮机叶片坑内修复机器人系统，为最终实现水轮机叶片坑内修复的自动化提供了技术 条件和基础。
关键词：机器人；水轮机叶片；坑内修复
中图分类号：ＴＰ２４２．３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１—９００６（２００７）０４～０００１—０６
Ｒａｉｌ—－ｆｒｅｅ Ｒｏｂｏｔ ｆｏｒ ｏｎ·－ｓｉｔｅ Ｒｅｐａｉｒ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｂｌａｄｅ
换的作业工具，机器人可以直接在机坑内对叶片受损情况进行自主检测和修复作业（如气刨清理、焊接、打磨等），操作人员也
可通过远端监控系统对机器人的运行状况进行监控，在出现紧急情况时可以直接对机器人进行手动控制。对水轮机叶片坑内修
复机器人系统涉及的关键技术进行了研究，仿真及试验结果表明本文提出的水轮机叶片坑内修复机器人方案是可行的，且利用
无轨道式水轮机叶片坑内修复机器人
陈强１ 桂仲成２
（Ｉ．清华大学机械工程系、教育部先进成形重点实验室。北京，１０００８４；２．中国东方电气集团公司科技发展部，Ｉ四）ｌｌ成都，６１００３６）
摘要：介绍了一种多功能的水轮机叶片坑内修复机器人方案和研究进展。机器人本体由可全位置行走的无导轨磁吸附移动平
台和多自由度作业机械臂组成，移动平台吸附于待修复的叶片表面，机械臂安装在移动平台上，机械臂可携带检测及各类可更