工業管道內檢測機器人及其變徑技術的研究進展*

凌張偉，繆存堅，唐 萍，杜興吉，孔 帥

（1.浙江省特種設備科學研究院，杭州 310020；2.浙江省特種設備安全檢測技術研究重點實驗室，杭州 310020）

0 前 言

隨著石油、 化工、 天然氣及核工業等產業的迅速發展，管道作為一種重要的物料輸送設施，得到了廣泛應用。 管網在長期服役過程中容易因腐蝕、 磨損、 拉裂等因素引起爆炸事故，存在安全隱患。 如何解決管道在長期使用過程中因受到管內外介質作用而產生腐蝕、 結垢、 裂紋、 穿孔等導致的管道失效問題，變得越來越重要。 因此，管道的檢測和維護成了工業生產中的一道難題。傳統的管道檢測方法有全面挖掘法、 隨機抽樣法等，這些方法均存在工程量大、 準確率低等缺點。

管道檢測機器人是針對油氣輸送工業管道的檢測、 噴涂、 接口焊接、 異物清理等維護檢修作業而研制的一種特種機器人，它綜合了智能移動載體技術和管道缺陷檢測技術[1-3]。 這類機器人能進入人所不及、 人力所限的復雜結構管道環境中，攜帶一種或多種傳感器及操作裝置，如CCD 攝像機、 位置和姿態傳感器、 超聲傳感器、渦流傳感器、 管道清理裝置、 管道裂紋及管道接口焊接裝置、 防腐噴涂裝置、 機械手等，在操作人員的遠距離控制下完成缺陷檢測、 防腐涂層涂敷、 異物清除、 管內加工等管道內作業任務。

變徑機器人是一種特殊的管道機器人，其能夠針對彎管、 變徑管、 “T” 形管道及管內焊縫等復雜環境做出適應判斷與對策，從而順利通過這些復雜環境[4-7]。 變徑機器人是管道檢測機器人領域的一大創新，利用機器人攜帶各類作業裝置，在管道內完成預定的作業任務，是提升管道內作業自動化水平的重要手段，也是國內外該領域一個重要的發展方向。 本研究介紹了工業焊管內檢測機器人及其變徑技術的發展與應用，分析了變徑技術的難點，探討了工業焊管機器人的發展前景。

1 國內外研究現狀和發展趨勢

管道檢測機器人是集無損檢測技術、 機器人控制技術、 計算機技術、 數據分析和處理等多項技術于一體的實用化工程。 國外關于管道檢測機器人的研究始于20 世紀40 年代，由于70 年代微電子技術、 計算機技術、 自動化技術的發展和進步，國外的管道檢測機器人技術于90 年代初得到了迅猛發展，研制了許多實驗樣機，取得了大量的研究成果，正逐漸接近于應用水平。 管道機器人按運動方式一般可將其分為介質壓差式、 輪式、 螺旋驅動式、 履帶式、 蛇行式、 蠕動式、 多足爬行式等。

德國REBER K 和BELLER M[8]等研制了用于長輸油氣管道壁厚檢測、 缺陷定位的高分辨率超聲在線檢測裝置，如圖1 所示。 整個裝置由供電單元、 數據存儲單元和檢測單元構成，單元之間由萬向節連接，可通過曲率半徑為1.5D 的彎管。該裝置進行在線檢測時，通過240 個直探頭進行管道壁厚的測量，360 個與管壁呈一定角度的斜探頭進行管道裂縫缺陷的檢測，并在線存儲管道壁厚和缺陷的特征信息。 同時，該裝置采用計程輪對缺陷特征位置進行定位。

圖1 高分辨率超聲管道在線檢測設備

羅馬尼亞TATAR O[9]等研制了一種具有管徑適應能力的管內行走機器人，如圖2 所示。 機器人安裝有三個雙排行走輪，其中一個為主動輪，兩個為從動輪，通過兩并行的四桿機構和預緊彈簧實現機器人的預緊。 日本LIM H[10]等研制了如圖3 所示的管內檢測機器人，機器人的六組驅動輪由獨立電機驅動，前后兩單元由轉向角度可控的關節連接，通過調節驅動輪的速度和關節角度使機器人能夠順利通過彎管和“T” 形管。

美國紐約煤氣集團公司DAPHNE D’ ZURKO和卡內基梅隆大學HAGEN SCHEMPF[11]開發了用于地下煤氣管道檢測的管道機器人系統Explorer，如圖4 所示。 機器人自攜電池，采用無線通訊方式，一次作業距離可達500 m，可通過90°彎管和 “T” 形管道，利用機器人前端的 “魚眼” 攝像頭對煤氣管道的內部狀態 （如阻塞、 積水等現象） 進行觀察。

圖2 具有管徑適應能力的管內機器人

圖3 LIM H 等研制的管內機器人

圖4 Explorer 管道檢測機器人

國防科學技術大學徐從啟[12]等基于尺蠖、 蚯蚓等腔腸類動物的運動原理，研制了適用于管道內徑為15～20 mm 的一種新型蠕動式微小管道機器人，如圖5 所示。 機器人前、 后部分為支撐單元，實現與管壁的自主鎖止，中間部分為驅動單元，實現機器人的蠕動爬行，單元之間用微型十字換向節連接。 該機器人具有大牽引力、 快速、長距離運動等特點。

中國科學院沈陽自動化研究所李鵬[13]等研制了一種采用螺旋驅動，具有管徑自適應和速度自適應功能的管內探測機器人，如圖6 所示。 機器人長 226 mm，最大外徑 205 mm，最小外徑175 mm，質量為1.95 kg，該機器人采用單電機驅動，在管徑變化時可通過管徑自適應機構越過障礙；當負載變化時，可通過速度自適應機構使機器人能夠在一定范圍內適應環境變化。同時，為避免機器人遭遇故障而無法前進，研制了相配套的自救機器人系統對機器人進行救援。

圖5 自主鎖止蠕動式微小管道機器人

圖6 具有環境自適應能力的管道機器人

2 變徑機器人技術難點分析

經過多年的研究和發展，國內外在管道機器人尤其是變徑機器人領域取得了較多的技術成果，研制了一系列不同驅動形式的管道機器人產品或樣機。 管道機器人被多數大中型油氣輸送管道作業所采用。 在實際應用中，管線中還存在大量的如結膠凸起、 凹陷等多種非圓形狀的不規則管道，均要求管道機器人驅動單元能夠實時地進行變徑調節。

在國內外管道機器人研究的基礎上，針對工業管道內檢測的應用特點，提出了可變徑內檢測管道機器人在變徑技術方面存在的技術難點：

（1） 變徑技術。 變徑技術有多種形式，當采用彈簧復位變徑時，其優點是結構簡單、 設計方便，但各驅動模塊牽引力難以保持一致；采用主動變徑方式，則機器人在未知管道參數的環境中實行變徑還不夠理想，且控制系統復雜。 如果研制出一種具有機械自適應功能的管道機器人驅動單元，其能夠根據管內的幾何信息就可實時自動調整各驅動輪的轉速，這將對提高管道機器人驅動單元的驅動效率具有重要意義。

（2） 越障技術。 在變徑管道機器人通過管路時，由于工業管道的內壁光潔度不高，帶有一定高度焊縫和一些凹槽缺陷，由于焊縫及腐蝕缺陷區的出現，使得管道的內徑會有小范圍的變動，因此，變徑管道機器人必須有一定的調節能力，能自動適應管徑內因不確定雜物導致的管徑變化。 基于彈簧的柔性變形能力開發的柔性滑動機構能夠允許平行四邊形機構在小范圍內擺動，進而調高機器人的越障能力。

（3） 控制技術。 變徑管道機器人在管道內壁的爬行是一個動態過程，機器人對管道內壁的壓力也在動態變化。 可通過采集3 個履帶模塊對管壁的壓力，確定機器人處于何種姿態和位置，例如壓力同時增大，表明機器人正在從大徑管道向小經管道過渡，反之說明機器人正在從小徑管道向大徑管道過渡；在通過彎管時，外側的壓力會大于內測的壓力。 可以以此來設計機器人的姿態位置閉環控制系統、 驅動差速機構以及變徑機構。

（4） 系統集成。 系統的總體集成需要將變徑、 越障、 控制技術等集成于一體，形成管道內檢測機器人技術，因此，對系統內部件、 通信之間的聯系要求較高。 建立后的機器人技術，能夠使機器人在多種不同管徑的管道內自由行走，具有良好的運動性能。

3 結 論

（1） 研究變徑機器人在內的管道檢測機器人，對壓力管道內檢驗檢測與作業的自動化水平提升、 效率提高有著重要的意義，是當前壓力管道檢驗檢測的重要發展方向。

（2） 從總體技術水平來看，管道機器人尤其是變徑機器人的研制和開發在國內外都得到了長足發展，但距離大規模實用化和產業化還有一定距離，特別是針對彎管、 變徑管、 “T” 形管道等復雜情況下的檢測需求。

（3） 變徑機器人除了要解決結構設計、 變徑方法、 動力學分析等方面的問題外，還需要在越障能力、 運動控制以及系統集成等方面開展研究，才能更好地應用到工程實際中，最終體現其重要的產業化與社會經濟效益。