管道機器人的發展現狀及其趨勢

摘 要：管道機器人是一種新型機器人能沿著管壁行走并攜帶傳感器和操作設備。文章通過對管道機器人的研究，對管道機器人的發展現狀及趨勢做出分析。

關鍵詞：管道機器人；發展；現狀

前言

隨著社會的進步機器人的使用愈來愈普及。管道機器人是一種新型機器人，可沿著管道內外行走，還能攜帶傳感器來進行完成管道內外作業的機電一體化系統，由行走機構、信號傳遞、動力傳輸系統、內部識別檢測系統、控制系統等組成[1]。

1 管道機器人的分類

1.1 按能源供給方式分類

管道機器人的分類很多可以按其能源供的給方式分：有纜以及無纜。兩者的特點如表1所示。

1.2 按行走機構分類

按行走機構劃分管道機器人主要有以下幾種：（1）活塞移動式，原理是活塞在汽缸內的移動運動。管道機器人的外徑略大于管道內徑，當其經過的流體形成壓力差時，形成的壓力差可以克服阻力而運動，根據需要可以加上傳感器。（2）蠕動移動式，其原理設計是模仿昆蟲移動。在行走時，分別使左右支撐足上面與管壁接觸下面通過管壁接觸滾輪使蠕動絲杠左轉和右轉，使螺母在絲杠上左右移動。（3）履帶移動式，根據履帶式車輛行走的原理，采用帶齒輪減速箱的直流電機驅動而形成的移動。（4）足腿移動式，是足腿壓著管壁支撐主體，采用多腿在各種形狀的彎管內移動，可在各種類型的管道里移動，其運動較為方便靈活。（5）滾輪移動式，行走結構是依靠滾輪驅動電機驅動，一般輪徑較小會有限制，并且其越障能力也有限[2]。

隨著科技的進步發展會有越來越多的類型的管道機器人設計開發使用。

2 管道機器人在國內外的發展

2.1 管道機器人在國內發展

國內在管道機器人方面的研究起步較晚。哈爾濱工業大學的鄧宗全教授最先研究輪式行走的管道機器人，主要用于大口徑管道的自動化檢測。上海大學最先研制了細小工業管道機器人的移動探測器及集成系統可實現20毫米管道內探測。

近幾年，管道機器人的形式樣式與應用場合更加靈活與常見。如北京順義區最近投入使用的智能管道機器人不僅可以自動報警與定位還可以進行監測，與人工方式比較能夠提高了有限空間作業以及安全保障能力，效率也大大的提高了很多。管道機器人不但為人類生活提供了便利與方便，在重大場合也可以進行實驗模擬。蘇州大學五名學生發明出一種微型管道機器人，頭部有攝像監測設備可深入到核電蒸汽管道檢查管道的安全避免事故的發生。隨著現代科技的飛速發展，許多單位開始研究管道機器人，管道機器人也是應用在許多領域并逐步完善與發展。

2.2 管道機器人在國外發展

國外開始研究管道機器人較早，1978年法國的J1VERTUT最早提出輪式管道機器人的行走機構模型。日本東京工業大學早在1993年開始研究管道機器人，他們成功研制出適用微小管道機器人。美國的工業制造業一直處于國際先列，前后有很多公司及大學制造出管道機器人。在2001年，紐約煤氣集團和卡內基梅隆大學機器人學院研制出了無纜式長距離的管道機器人，這種管道機器人能夠檢測地下煤氣管道的狀況。加拿大最先成功制造出完整的雙履帶式管內機器人系統，履帶采用剛性支承結構，其結構連接緊湊，剛性好。但這種剛性支承的履帶在行走過程中會使兩個履帶之間的夾角無法改變，因此只適用于管徑沒有變化的普通作業場合[2]。

3 管道機器人的應用及發展趨勢

3.1 管道機器人在包裝領域中的應用

在各類包裝所用的管類產品對精度要求比較高，因此在加工和使用過程中需要精確檢測。管道機器人直線位移精度能達到幾微米，這樣可以及時檢測到管道的缺陷。有些管道形狀復雜或者長度較長，給檢測帶來了一定難度，現在可以使用微型管道機器人輕松解決問題。

3.2 管道機器人在石油工業中的應用

管道機器人技術在油氣管道技術中是長期以來研究的熱點。管道機器人技術是融合了多種先進技術的機電一體化裝置，給油氣運輸提供了便利。管道機器人在人類無法工作的環境工作，在運輸油氣中能夠方便快捷得輕松檢測與監控穩定。但我國幅員廣闊南北溫度跨度大，管道機器人的應用還處于上升期，仍然存在很多問題。隨著石油工業的發展，油氣管道機器人的水平能夠提高逐漸完善不足。

3.3 管道機器人在飛行器的應用

在航天技術的發展下可以利用管道機器人的運動使模擬實驗輕松簡化。球形飛行器主要是利用一定氣體的噴射使管道機器人浮在管道內移動。管道機器人在球形飛行器的運動模擬可以得到運動參數及狀態，為航天技術的實驗提供了便利。管道機器人在球型飛行器的應用與實踐能夠驗證球形管道機器人的可行性，為實驗模擬奠定了基礎。

3.4 管道機器人在城市排水

在城市排水管道的排水量逐漸變大，管道由于工業垃圾廢物進入排水管道中會形成堵塞或者腐蝕，因此應該及時進行清理、疏通管道。管道機器人可以進入地下管道完成一定的管理、養護、維修、疏通等任務，減輕了危害。

4 管道機器人發展存在的問題

4.1 能源供給問題

傳統管內機器人常用的能源供應為有纜方式，拖纜摩擦并沒有太多影響機器人行走。但對于距離遙遠且管道不平整時運輸石油和天然氣等，管道機器人顯然是存在問題的。所以開發管道機器人具有現實意義必須首先解決能源長距離供應的問題。

4.2 可靠性問題

石油天然氣管道是很重要的能源命脈，在一定程度上影響人們生活工作。對于現有的大口徑管道，管道一旦出現問題與事故會直接影響國際的經濟效益。但管道線路長不容易檢測與監控，因此，管道機器人在管道內工作時，管道機器人運行的可靠性一定要保證。

4.3 位置識別與越障能力

常規管道機器人通常使用與驅動輪連接的光電碼盤構成閉環控制，從而來實現檢測。但管道機器人在一些復雜的管道內，由于管內的信號的屏蔽或者管壁光滑程度的影響，在輸送反饋信號等一系列信號時形成的阻礙對于管道機器人的工作帶來極大的影響，有時候甚至導致管道機器人停止工作[3]。在管道內的管道一般不是光滑筆直的，因此需要管道機器人有一定的越障能力。因此，設計出能投入生產使用的管內機器人，必須考慮管道機器人感應識別與越障能力。

4.4 控制系統的自制

現有的管道機器人的研究與使用局限在管內運動和檢測等。而在工程中的運動、檢測、修復一體化的環節還沒有實現完善，因此還要考慮管道機器人控制系統自制完善自我修復功能，相信在科學技術飛速發展下，管道機器人自制一體化會逐漸完善與進步。

參考文獻

[1]張秀麗，一種小型管道檢測機器人[J].機器人，2001（10）：67-69.

[2]甘小明.管道機器人的發展現狀[J].機器人技術與應用，2003（5）：11-13.

[3]王永雄.管道機器人控制導航和管道檢測技術研究[D].上海：上海交通大學，2012（5）.

作者簡介：陳奕穎（1991-），女，漢族，吉林長春，碩士研究生，機械制造技術。