多功能LNG管道行走機器人的結構設計和研究

林鐘衛，劉禎，羅準，朱邦杰，葛江宇，李小圣，周中華，付宗國

（1.浙江海洋大學 船舶與機電工程學院，浙江 舟山316022；2.太平洋海洋工程（舟山）有限公司，浙江 舟山316000）

0 引 言

管道像一個城市的血管，為城市的發展時刻更換著新鮮的血液，沒有管道，城市將陷入癱瘓，人們的生活物資將無從保障，尤其在工業生產制造方面，管道更是制造業的基礎，通過管道可以運輸水、油氣等物資，用以保障生產、生活的供應。

但是在現實情況下，由于管道受到外部環境的影響和自身性能的降低，產生了一些安全隱患，這些管道安全問題極易引起管道的腐蝕、磨損變薄和破裂現象，造成生命和財產損失。作為制造業大國，我國每年因為管道安全問題而投入大量的人力財力，但是由于不科學的管理模式和落后的檢測方式，導致成效甚微。因此，如何利用現代智能科技設備實現對管道的安全檢測和維修，已經成為目前管道機器人的研究方向。

自從LNG 管道應用于實際中，人們就不斷地探索新方法新模式用來維護LNG 管道的正常工作，從傳統的人工穿管到當今的機器人。目前管道機器人主要應用在管道的檢測和維修，檢測管道在使用過程中出現的堵塞、壁厚變薄和裂縫等現象，對管道內的污漬進行打掃以保持清潔和對存在的裂縫進行噴涂，防止水的滲入，對可能存在的危險區域進行記錄報備[1～3]，運用機器人進入狹小的管道勘察，可以保障生命安全。

本文將在現有管道機器人的研究基礎上，結合管道實際，設計一種自適應LNG 管道行走的機器人，實現對LNG 管道的實時記錄和檢測維修，通過模塊化功能集成，實現集多功能于一體。

1 國內外研究現狀

目前國內外對LNG 管道機器人的研究頗為豐富全面，提出了各種新穎的設計。針對管道的檢測，最早由德國科學家Forster 經過一系列的實驗模擬，提出了阻抗分析法理論，論證了外界干擾因素對渦流檢測的影響，為現代渦流檢測奠定了理論基礎[4]，后經過相關科學家的繼續研究補充，逐漸發展起來的非常規電渦流檢測技術和柔性電渦流技術[5]，成為目前最先進的管道渦流檢測技術。我國利用渦流檢測管道的研究比西方國家晚了數十年，但是我們迎難而上，打破了西方先進技術的封鎖。西安交通大學和南京航空航天大學的學者先后設計提出了陣列式脈沖渦流檢測方法和新型渦流檢測器[6～8]，使得我國的渦流檢測技術理論處于世界同類先進水平；除了對渦流檢測的研究，相關學者還研究了磁漏檢測技術[9]，但是由于磁漏檢測技術在小范圍內的檢測精度有待提高，因此適用范圍有限。除了上述檢測方法外，國內外學者還提出了超聲波檢測技術和射線檢測技術[10～12]，相比較前兩種檢測技術而言，超聲波與射線檢測技術精度更高，定位更準。除了檢測外，針對管道機器人在管道內的運動類型，相關機構學者也提出了自己的看法，清華大學研發出一種能在淤泥沉積的管道內行走的四輪驅動裝置；上海交通大學研發出履帶式行走機構；日本學者研發出一種可以通過L 形管道的機器人；RadioIocation 公司研發出輪式機器人[13]。隨著相關學者不斷提出新的創意，目前比較認可的有8 種行走方式（如圖1）：管道式、輪式、履帶式、支撐式、行走式、蠕動式、螺旋式和蛇形式[14～16]。不管是管道的檢測還是機器人的行走，目前管道機器人的研究成果已經廣泛應用到實際生產作業中。

圖1 管道機器人運動方式

2 管道機器人研究難點

雖然目前管道機器人的研究成果已經相當豐富了，但是針對管道的檢測維修清污、機器人的行走續航能力等問題仍然有較大的提升空間，管道機器人的研究難點主要集中在以下幾個方面：1）管道機器人對管道進行檢測時如何避免外部環境的干擾；2）管道機器人怎樣實現管道內自動行走，如何通過轉折回旋管道；3）管道機器人對管道的實時數據的記錄傳輸鑒定；4)管道機器人對管道中的裂縫等問題進行維修；5)管道機器人對管道內存在的異物進行清掃；6)管道機器人能否實現功能集成、模塊化組裝。

以上是管道機器人在設計過程中要充分考慮的問題，然而在現實工作情況下，上述眾多問題不能逐一解決。因此，管道機器人的研究有待深入探討。

3 LNG管道機器人結構組成

本文設計了一種多功能LNG 管道機器人，如圖2 所示，其主要包括行走部分、檢測部分、清掃部分、噴涂部分和主體結構，整個裝置的最前端為照明燈，為機器人前進和拍照提供亮度，各級主體筒之間通過萬向節或者螺栓螺母剛性連接，萬向節可以使得機構具有柔性移動的特點，可以有效地通過回轉轉折管道，剛性連接則可以保證機構的密封性能，其他部分的介紹將在下文進行展開。

圖2 LNG管道機器人組成

3.1 行走模塊

LNG 管道機器人在正常工作時，既要能夠在管道內正常行走，又要保證整個裝置的平衡，基于管道的弧形內壁面的構造，在設計管道機器人行走機構時，相關學者提出了自己的設計方案，胡嘯等[17]提出了一種變徑連桿伸縮機構（如圖4），通過自鎖螺母和壓縮彈簧控制連桿的伸縮，使得驅動模塊緊密貼合在管道內壁。孫奇珍等[13]設計提出了一種蛇形機器人，該設計根據仿生學原理，模擬蛇的移動過程，蛇形機器人在工作時可以完成纏繞、翻滾、伸縮等其他機器人不能實現的動作。

圖3 LNG 管道機器人工作過程

圖4 變徑機器人模型

圖5 蛇形機器人

圖6 行走模塊

本文在設計行走機構時采用自動伸縮雨傘的原理，伸縮桿的一端活動連接在筒體上，一端鉸接在伸開架上，伸開架與螺母盤鉸接在一起，在電動機的作用下，絲杠帶動螺母盤移動，進而伸開架呈現張開或縮閉狀態，于是便將整個裝置卡在管道中，采用六足結構主要是防止在越過障礙時，不會因為個別伸開架離開內壁面而導致整個裝置受力不均勻而側翻。

機器人在工作時要受到管道的內徑約束，不然就會導致卡死在管道不能向前移動，當機器人運動在直管部分時應滿足[18]：

式中：w 為機器人本體寬度；hmax為機器人本體最大長度；Φ為管道彎曲角度；R 為管道曲率半徑；D 為管道直徑。

LNG 管道機器人在管道內正常工作時，由于管道一般都是橫向布置，因此不管機器人以何種姿態，最多只有2 個伸開架支撐其重力（如圖7），根據受力平衡原理可以列平衡方程：

式中：N1、N2為機器人所受到管道對其的支撐力；β 為機器人的姿態角，-30°≤β≤30°。

3.2 檢測模塊

目前管道檢測已經是一項相當成熟的技術，對管道內部進行檢測主要有渦流、射線、超聲波和磁漏4 種方法[19]，但是,由于渦流檢測和磁漏檢測存在缺點，因此，設計將采用射線檢測。在筒體周圍布置一圈發射孔，360°無死角檢測管內狀況，檢測分為初次檢測和再次檢測，初次檢測為清掃提供指令，再次檢測確定管道是否存在裂縫等。

圖7 支撐受力圖

圖8 檢測發射頭布置

3.3 清掃模塊

管道清掃可以分為管道內壁清掃和管內污物堆積清掃。羅繼曼等[20]提出一種針對管道內污物堆積清理的方案設計（如圖9），該機器人通過旋轉頭部的刮刀將管道內堵住其前進的污物粉碎細化，然后再將粉碎的灰塵用水沖走，即可完成管道內堵塞物的清除。

圖9 管道清淤機器人整體機構

馬昭等[21]設計了一款利用離心原理的管道內壁清洗裝置（如圖10），在電動機的作用下，機械手離心向外伸展，鑲嵌在其上的毛刷將對管道內壁進行刷掃。

該文設計的清掃機構并不具備完全的管內除污的功能，只是能夠接受檢測裝置發出的信號，檢測裝置檢測出管道出現裂縫等隱患，清掃裝置將對存在缺陷的地方進行打掃，保持其表面的清潔，后續的噴涂裝置將會對裂縫等進行噴膠密封，修補缺陷。毛刷與伸縮桿相連，伸縮桿環形固定在齒圈上，在管內電動機的作用下，內外齒輪嚙合傳動，毛刷便繞著中心旋轉，掃除內壁的灰塵。

圖10 基于離心原理的清洗裝置結構示意圖

圖11 清掃裝置

3.4 縫隙噴涂模塊

管道噴涂作為管道的維修部分，其難度在于管道空間狹小，傳統的噴涂受限于設備的體積問題，導致內部管道維修成為難題，管外維修倒不是難題，崔國華等[22]就提出了一種管外噴涂的機器人（如圖12），該機器人能夠將自身固定在管外壁上，隨身攜帶的混凝土在噴槍的作用下涂抹在裂縫上，實現外部管道維修。由于內部維修應用研究不是很多，因此本論文對此做以簡單研究，清掃模塊完成了對管道的清掃工作，使得縫隙處清潔適合噴涂，噴涂部分固連在齒圈上，以實現圓周運動，轉動電動機裝在基座上，其上配合著轉動云臺，噴桿頂端設置有一個小型攝像頭，用以記錄縫隙縫合情況，同時還能監測噴涂是否正中位置，筒內存儲有縫合用的試劑，所以理想狀態下，可以實現管內維修。

圖12 噴涂機器人

圖13 噴涂模塊

4 結 語

針對LNG 管道日常使用過程中出現的問題，設計了一款LNG 管道內自行走檢測維修機器人，能在LNG 管道內進行作業，實現對LNG 管道的檢測和維修，運用攝像頭實時記錄管內情況，采用射線檢測管內隱患情況，通過清掃噴涂對LNG 管道進行維修，集多功能于一體，能夠為相關LNG 管道維修企業提供參考，為企業減少維護成本，提高LNG 管道安全性。