油氣管道機器人技術現狀及發展趨勢

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油氣管道機器人技術現狀及發展趨勢

油氣管道機器人是一種集機電一體化、檢測技術、智能移動載體技術等先進技術的綜合體。根據在輸油管道中實現檢測、噴涂、焊接、清洗等功能的不同，或者根據工作環境與運動方式有不同的類型劃分方式。

結合其運動方式，主要考慮機械結構的不同將管道機器人分為7大類：1）流體驅動式管道機器人依靠流體獲得驅動力，不需要額外增加任何動力元件，只有在具有足夠壓力的大管徑管道內才能得到有效驅動。美國GE公司、BakerHughes公司、TDWilliamson公司、瑞士R0SEN公司生產了利用機械刮削、射流、泡沫和凝膠等清洗方式的清洗型管道機器人；2）輪式管道機器人類似于一輛平板小車，通常采用電機直接驅動機器人輪子的方式，其動力是由機器人上裝載的電纜或電池配送，因此其運動距離受到很大程度的限制，輪子與管壁的摩擦力有限，輪式機器人不適用于大流量的管道內，同時無法在垂直管道內使用；3）履帶式管道機器人是由輪式管道機器人將輪子改良為履帶演變而來，可以有效地提高機器人牽引力、越障能力，但控制難度加大、體積也有一定程度增大，靈活性受到影響；4）支撐式管道機器人是也輪式管道機器人的一種變形，周向均勻布置的支撐臂緊貼管壁，可以在垂直管道內的運動；5）行走式管道機器人可以實現管內爬行，擁有非常復雜的機械結構和多組驅動器，其制造難度、控制難度都相當大，除非十分精密的管道或者特殊作業要求，一般不采用行走式管道機器人；6）蠕動式管道機器人通過不斷重復的收縮和伸長運動使機器人克服了輪式機器人對管壁磨損較嚴重的問題，在越障方面也勝過輪式機器人，因而在小管徑、短距離任務中應用相當廣泛。Smartract公司和Omega公司生產的蠕動式管道機器人牽引力大、性能好，在油氣井中進行測井、修井等作業表現突出；7）螺旋式管道機器人是將驅動輪軸線與管道軸線之間形成一定夾角，使驅動輪沿管道壁的某一螺旋線行走，螺旋運動沿軸線的速度分量即為管道機器人的移動速度。

管道機器人的運動控制和定位問題，一直是管道機器人領域亟待解決的技術難題。自驅動式管道機器人常采用上位機進行運算處理、路徑規劃，下位機與電機、電磁閥等通信實現執行機構動作的方式。流體驅動式管道機器人主要用于長距離、大管徑管道的清管、檢測等作業。這類機器人的動力來自于管道中的流體，機器人的速度與管道內流體的速度相關，想要實現這類機器人穩定適應于作業需求的速度是十分困難的，第1種方法是通過調節機器人上下游加壓站壓力的方式來調節機器人運行速度；第2種方法是采用在流動式機器人內部開設固定旁通孔的控速方式。

常用的定位方式有里程輪定位、GPS衛星定位和CCD視覺定位。大多機器人采用里程輪定位的方式，其本質是通過記錄里程輪轉過的圈數來得到當前位置。GPS衛星定位法的實現需要管內機器人與外界保持實時通信，其定位精度高。CCD視覺定位的基本原理是利用視覺傳感器實現機器人定位。除了這3種主要方式外，在管道機器人定位問題上還使用到測力定位法、多傳感器定位法、電磁波定位法和超聲波定位法等。總之，隨著傳感器技術、信號處理技術和圖像處理技術等不斷發展，管道機器人的定位精度、準確性和實時性都得到了一定程度的發展，但是在環境惡劣、埋藏較深的情況下管道內定位的精度和準確性還有待提高。

未來對于油氣管道機器人的研究將主要集中在以下幾方面：靈活可靠的機械結構；實時穩定的控制系統；能量供給。

李秋揚 編輯自《西華大學學報》2016年1期“油氣管道機器人技術現狀及發展趨勢”（原作者劉清友）