管道檢測機器人最新發展概況

王　毅，邵　磊

(天津理工大學自動化學院，天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室　天津　300384)

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·綜述·

管道檢測機器人最新發展概況

王毅，邵磊

(天津理工大學自動化學院，天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室天津300384)

論述了管道檢測機器人在現代工業，尤其是石油、天然氣、水資源輸送行業里廣泛應用的重要意義，概括了管道機器人的常規類型及其性能特點，重點介紹和分析了最近五年世界各國針對制約管道機器人發展的不利條件，如垂直管道、變徑、彎管、支管和狹小管等，所做的技術改進和研究成果，最后提出了對管道機器人的當前發展觀點和未來研究展望。

管道機器人；垂直管道；變徑；螺旋驅動；輪式

0　引　言

近幾十年，隨著自動化技術的極大進步和國民物質生活水平顯著提高，各行各業的發展更多地依賴于物料輸送。特別地，管道輸送憑借著輸送量大、方便快捷、低成本等優勢，在國民經濟中占有越來越大的比重，已廣泛應用于石油、化工、能源、食品加工、城市供排水、農業灌溉、核工業等領域。但由于受到輸送介質的化學性腐蝕、不可抗力的自然災害以及自身缺陷的影響，極有可能發生輸送物泄露導致的，如環境污染、易燃物爆炸、能源浪費等嚴重事故。所以需要定期對管道內部進行檢查、維護和清潔保養。傳統管道檢測都是由相關人員實施，工作量大，效率低下。而且有些管道位置人員無法到達實施監測，比如輸送有毒化學品或內部結構復雜狹小的管道。由此，管道機器人應運而生。管道機器人是一種可沿細小管道內部或外部自動行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機械，在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下，進行一系列管道作業的機、電、儀一體化系統[1]。依靠快速運動、靈活操縱、準確判斷和低成本等優點，管道檢測機器人已成為當下國內外研究的熱點。

自上世紀50年代以來，隨著計算機技術、通信技術、圖像處理技術、微電子技術、傳感器技術和機械設計制造技術的進步，管道機器人得到了空前的發展。但除了部分功能簡單的管道機器人實現市場化生產以外，大部分還處在實驗室開發階段。傳統管道機器人面對垂直管道、彎管、支管、變徑和微小管道等難題，仍存在很大的改善空間。

本論文在詳細介紹管道機器人的結構組成、分類、性能比較外，還將重點介紹當前國內外管道檢測機器人在面對復雜管道結構時的最新設計理念和解決方案。

1　管道機器人的構成與分類

1.1管道機器人的構成

總體上講，管道機器人是由運動機構、控制模塊、信號采集模塊、供能模塊和輔助模塊等組成。而行走方式是管道機器人的核心，它決定了管道機器人的整體性能[2]。

1.2管道機器人的分類

根據管道機器人行走機構的動力源及運動可控性的不同，可將其運動方式劃分為被動運動方式和主動運動方式兩大類。其中主動運動方式主要包括輪式、履帶式和無輪式；被動運動方式的典型代表為管道豬(PIG)。詳細劃分參見表1。

表1　管道機器人的分類

所謂主動運動方式，是指管道機器人憑借自身攜帶的驅動源，具備了自主行走能力，運動速度和方向都可控。并且可以裝配儀器和工具，進行檢測、維修作業，是目前管道機器人研究的主要方向[3]。但其結構復雜，成本較高，且能源供給有限，不適合長距離作業。

所謂被動運動方式，是指管道機器人依靠管內流體的壓力差產生驅動力，隨著管內流體的流動方向移動，并可攜帶多種傳感器【4】。但其自身沒有行走能力，移動速度、范圍不易精確控制。

1.2.1輪式管道機器人

普通構造型的輪式管道機器人的車輪直接與馬達相連，結構簡單，類似小汽車，可以得到較好的速度控制和方向控制[5]；壓壁型的車輪通常安裝在成120°對稱的彈性壁上，獲得的摩擦力足以適應垂直管道的變徑工況；螺旋驅動型的車輪安裝在轉子和靜子兩個模塊上。轉子的徑向螺旋運動通過換向機構轉變成定子的軸向運動。

1.2.2履帶式管道機器人

普通構造型的履帶和與驅動器直接相連的車輪相配合，為機器人提供更多的摩擦力[6]。與輪式管道機器人相比，有良好的平面越障能力和運行穩定性；壓壁型可以在內表面粗糙的垂直或是傾斜管道內移動。

1.2.3無輪式管道機器人

腿足型管道機器人動作靈活，可以攀爬帶有L、T、Y型節點的垂直管道和水平管道。但缺點是，為使腿部協調而穩定動作，從機械結構設計到控制系統算法都比較復雜[7]；仿生蠕動式管道機器人通過前后支撐部分徑向伸縮而運動，具有結構簡單、耗能少、驅動力大等優點，但行動比較緩慢[8]；蛇行管道機器人模仿生物界蛇的行進，由若干個可以彎曲扭動的連接模塊組成。由于自由度較多，該類型機器人不易控制，但在復雜環境下的通行能力，要超過其他類型的管道機器人[9]。

2　管道機器人的性能比較

為了針對不同的作業環境和需求，設計出理想的管道機器人，我們有必要對各種類型的管道機器人的性能指標做一個深入的比較，如垂直移動能力、可操控性、管道尺寸適應能力、靈活性、穩定性、移動效率、驅動機構數量和無線控制等,見表2。

表2　不同類型管道機器人的性能比較

從表2中我們可以看到，螺旋驅動輪式和壓壁輪式管道機器人在各個性能指標方面表現出很大的優勢，是未來管道機器人發展的趨勢，值得今后全球的機器人研究機構投入更多的科研精力。

3　國內外管道機器人的最新研究成果

傳統機器人在面對垂直、微小、復雜管道時，存在諸多實際困難，如通行性差、穩定性弱、牽引力小等。為此，世界各國研究學者根據不同類型的管道機器人性能特征，在機械結構、行走方式、驅動能力等方面，開發設計出很多改良型專用機器人。

3.1針對管道變徑問題開發的專用型管道機器人

韓國大邱慶北科技學院開發了一種履帶式壓壁型管道機器人，可應用于管道清潔、檢測作業[10]。該機器人采用一種改進的剪刀梁式升降機構，由氣缸驅動，見圖1。履帶可以沿著管道徑向移動來適應不同的管道內經，同時行進過程中又能夠獲得最小的扭力和最大的牽引力。適用的管道變徑范圍為600～800 mm，負載能力為20 kg，目前還處在開發和校準階段，未來目標是投向工業清潔領域。

圖1　具備適應不同管徑能力的管道機器人

該設計充分發揮了履帶式機器人優秀的越障能力，而壓壁式機械結構又保證了機器人在變徑管道內有足夠的支撐能力來維持移動的穩定性。但是利用氣缸驅動，對氣源供給提出了要求。無論是拖帶氣管還是自備氣泵，都限制了機器人在管道內的靈活移動。僅適用于某些特殊管況，通用性不高。

內蒙古工業大學研制了一臺輪式壓壁型管道機器人，可應用于變徑管道內清淤和檢測工作[11]。該機器人采用連桿機構原理，滿足在變徑管道(96～180 mm)內的行進要求，見圖2。具體地說，在360°舵機的驅動下，絲桿會隨之轉動，可動螺母隨絲桿螺紋進行上下移動，帶動傘狀伸張結構像雨傘一樣收齊或張開，改變三組輪胎的距離，從而改變機器人的徑向尺寸。而尾架部件則起到輔助支撐作用，使機器人本體保持平衡，見圖3。以Atmega128單片機為控制核心，輔以紅外、攝像頭等傳感器采集信息并依靠APC220模塊與上位機進行無線通信。

圖2　機械實物圖

該機器人具有一定的彎管通行性和變徑適應性。但傘狀伸張結構缺少柔性連接，在經過管道較大變徑處，有可能造成機器人運行不穩或是本體卡住以致驅動電機過載。

圖3　機械結構圖

3.2針對垂直管道問題開發的專用型管道機器人

馬來西亞國家能源大學開發了一種電磁吸附式車輪型管道機器人，見圖4，可應用于小型管道內的檢測作業[12]。該機器人采用電磁吸附原理來保證對垂直管道的適應性，見圖5。工作原理是在由導磁合金制成的車輪輪緣內嵌入磁盤，電機通過同步帶驅動車輪滾動。其中磁盤由高強度永磁材料(NdFeB)制成。經力學分析，強大的磁吸力足以支撐攜帶檢測設備的機器人在導磁管道內穩定運行，無論是垂直面還是傾斜面。同時也具備良好的越障能力和移動性。其適用的管道變徑范圍為80～180 mm。

但管道和車輪輪緣的材質必須是導磁的，存在長期使用腐蝕、氧化的風險，無疑限制了該機器人的廣泛性使用。

圖4　機器人外觀

圖5　垂直方向運行

印度NITTTR學院研制了一臺螺旋驅動型輪式管道機器人，可應用于垂直管道內檢測工作[13]。該機器人采用螺旋驅動原理，包括轉子和定子兩個主要機械結構，見圖6。其中轉子有三個傾斜18°的輪，分別安裝在彈性臂上。利用彈性系數為0.1 N/mm的彈簧來提供所需的壓壁力，并通過萬向節與驅動電機相連，可以在垂直、傾斜管道內行走，從而保證機器人具備一定的管道適應能力。此外，定子連接三個直線行走輪，提高機器人運行的穩定性；輪胎使用橡膠材質，增加摩擦力，確保機器人運行時不會滑脫。適用管徑范圍為127～152 mm。

圖6　螺旋驅動型管道機器人

該機器人具有較好的管道適應性，可以在帶有Y型或是L型彎曲結構的垂直、水平、傾斜管道內行走。如果有不同的行進速度要求，調整轉子輪的傾斜角度即可滿足。由于車輪與管道壁接觸面積小，在不平坦的管道內表面行走時，有可能會發生堵轉、停機現象。

3.3針對復雜管道問題開發的專用型管道機器人

日本神奈川大學研發了一種新式螺旋驅動型管道機器人，可應用于復雜管道內的檢測作業[14]。該機器人本體與傳統螺旋驅動機器人相類似，見圖7。創新點為增加了連接單元，可以連接兩個以上的機器人本體組成一個系統。其中，連接單元包括三個伺服電機。一個電機用于改變本體運行方向，同時另兩臺電機用于彎曲機器人本體，見圖8。組合機器人可在復雜管道內行進。

圖7　單個機器人本體

圖8　由連接單元串聯一起的組合機器人

實驗證明該機器人具有很強的管道適應性，無論是面對垂直、水平管道，還是彎管、支管。同時其適用的管道變徑范圍為180～220 mm。但是組合機器人如何自動識別管道支路位置，連接單元內的三個伺服電機如何協調工作都需要復雜的控制算法。

4　結　論

本篇論文著重闡述了近五年內為提高管道機器人在復雜管道內的適應性，各國科研學者的最新研究成果。但總的來說，目前國內外管道機器人的研究還處在發展改進階段，距離成熟的市場化應用還存在很大距離。大多數開發出的管道機器人僅適用于特定的作業環境，通用性不強。

隨著機械結構設計的改進和自動控制水平的提高，管道機器人將會更廣泛的應用于各行各業，同時也面對更多的挑戰。除了上文提到的垂直管道、復雜結構管道、變徑管道等不利因素，還需要在以下方面有所突破：

1)行走機構的設計。在傳統運動方式中，螺旋驅動型和壓壁型都顯示出較好的管道適應性，但也都有其局限性，如負載能力低、越障性差等。因此，未來仍需要我們研究新式的行走機構來滿足不同的實際要求。如北京信息科技大學開發的一種輪腿配合式管道機器人[15]，結合了輪式和腿式機器人的優點。當管道內部無障礙物時，選擇驅動能力強的輪式移動方式，使機器人快速進行管道內作業；當機器人遇到障礙物時，選用靈活性、越障性更好的腿式移動方式，跨越障礙。

2)能量供給。管道機器人以電能驅動為主，普遍采用攜帶蓄電池或是拖纜供電的方式，要么供電時間短，要么負載過重，都不適宜長距離復雜構造管道內的行進。因此方便持久的供電方式，如攜帶大容量輕型蓄電池或是能夠利用太陽能、流體自發電的系統會是未來研究重點。

3)通信方式。常規的線纜通信不適用于長距離或是復雜管道內。而能夠做到有效克服金屬管道屏蔽影響的無線通信將會是未來管道機器人通訊的發展趨勢。

4)圖像處理技術。大多數管道機器人都需要攜帶攝像頭來采集管道內的視頻信息以便進行探傷、清淤等作業，因此基于機器人的圖像采集、處理技術將會是一個極具吸引力的研究領域。

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Latest Development Status of In-pipe Inspection Robot

WANG Yi, SHAO Lei

(SchoolofElectricalEngineering,TianjinKeyLaboratoryforControlTheoryandApplicationsinComplicatedSystems,TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300384,China)

The importance of in-pipe inspection robot application to the modern industry is described, especially in the field of oil, gas and water supply. The regular types and characteristics of in-pipe robot are summed up. And the technologic improvement and research fruits are specifically introduced and analyzed to cope with different problems faced by robot, such as vertical pipe, changing diameters, elbow pipe, branch pipe, and mini pipe and so on. Lastly, the current development viewpoints and the future studying expectations of in-pipe robot are proposed.

in-pipe robot; vertical pipe; changing diameters; screw drive; wheel type

王毅，男，1981年生，目前攻讀碩士研究生，研究方向為管道機器人，E-mail：541759485@qq.com

TP242.2

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2096-0077(2016)04-0006-05

2016-01-27編輯：馬小芳)