一款智能管道機器人的設計與應用 *

王子昊，董 卉

(德州學院，山東 德州 253023)

0 引 言

當今世界運輸大抵分為鐵路、公路、水運、航空、管道五種方式，而管道運輸在全世界運輸方式中占到1/5的份額。管道運輸主要包括原油管道運輸、成品油管道運輸、天然氣和石油管道運輸、煤炭管道運輸等[1]。我國是世界上最早使用管道運輸天然氣的國家。我國輸送管道長度占全世界輸送管道總長的1/100，我國投資384億元建設“西氣東輸”工程的主管道總長約為4 200 km，整個“西氣東輸”的項目總投資突破1 000億元。

運輸管道大多深埋地下或海底，這對管道的使用壽命要求非常高。但由于各種自然損傷和人為損傷，導致管道出現不同程度的損壞，至今我國發生的管道災難不下千次。美國也由于管道事故造成的損失達2.5億美元，其中還造成了55人死亡[2]。為了確保管道運輸的安全，減少運輸事故，需研究更可靠、更高效的檢測技術，實現更智能的管道管理。

筆者通過市場調研得出各種管道機器人的分類及其優缺點并通過查閱資料得知管道檢測技術現狀。綜合市場各類管道機器人的優點設計一款智能管道機器人，并給出總體設計方案、結構設計及技術分析，成功制作出產品三維圖及三維模型。此款智能管道機器人的制作解決了傳統傳到機器人難以適應復雜管道、結構復雜、不易轉向、不易操作的缺點。

1 智能管道機器人分類及管道檢測技術現狀

1.1 輪式管道機器人

因為機器人結構簡單，可在平坦管道內提供更多機動性，所以此類機器人的應用范圍較大。并且此類機器人行進方式多樣，有正常行進的，也有旋轉行進的。但在內面復雜管道內有較大的局限性，車輪易卡住，影響前進。

1.2 履帶式管道機器人

履帶式機器人抓地力強，動力大，足以在潮濕、發霉的管道中正常運動。但由于此類機器人具有復雜的結構、體型大、難以切換方向等缺點，導致此類機器人未被廣泛應用。

1.3 其他類型管道機器人

管道機器人還有其他移動形式如：蠕動式、步行式等。

1.4 管內檢測技術現狀

較成熟的管內檢測技術主要有泄漏噪聲探測法、系纜式漏磁探測法和放射性示蹤劑檢漏法。

泄漏噪聲探測法：將探測器放入密閉管道中發出35 kHz的聲音信號，濾波后頻率為0.1～4 kHz。若管道外能收到聲音信號則為漏磁，錄音磁帶長度反應泄漏位置。此方式適合埋藏較淺的管道檢測工作。

系纜式漏磁探測法：將探測器送入管道內然后退出并通過纜線連接探測裝置，可得到管內腐蝕情況并可分析出具體破損位置。此方式操作繁瑣，需多人合作。

放射性示蹤劑檢漏法：將放射性物質摻入管道介質內，若在管道外發現放射性物質則說明管道有破損。此方式工作量大，耗費時間長。

2 總體方案的設計

2.1 管道機器人的技術要求

機器人可以在不同條件下(彎曲、T形三通、管道直徑突變)自由地在管道內移動，以免由于管道內部變形和機器人的設計缺陷而導致機器人工作時突然出現故障，甚至是側傾或墜毀。此外，還應具有測量管道內壁的涂層厚度并可遠程傳輸收集到的信息的能力。該機器人主要分為三部分:移動機構部分、實測部分和控制部分，技術要求需要實現管道內管道機器人自由運動，管道厚度測量和信號遠距離傳輸。

2.2 總體方案的分析與確定

整個管道機器人分為三個部分，移動機構部分、實測部分和控制部分。移動機構部分和實測部分由控制區內的PIC16F685控制，通過控制部分控制機器人的移動和檢測，并將數據進行簡單處理傳送到總控計算機中。

移動機構部分由四個馬達控制，以確保機器人的自由運動。該機器人的實測部分采用超聲波測量，根據超聲波反射原理計算超聲波反射所需的總時間，由此計算管道表面涂層厚度，并可通過攝像頭觀察管壁破損情況。

管道機器人安裝有計程裝置，以確定管道中機器人的確切位置以及它移動的距離。此裝置由霍爾組件組成，它通過記錄霍爾組件的脈沖數來確定輪子的轉數，以確定機器人行走的距離，并配合GPS定位確定其在管道中的確切位置，減小誤差。

控制段部分我們以PIC16F685單片機為核心，控制管道機器人的基本功能，包括其運動、測量、信號處理和傳輸，簡單處理測量數據，將數據發送到總控計算機，并受計算機的控制。其演示圖如圖1所示。

圖1 作用原理圖

3 結構設計及技術分析

3.1 管道機器人的運動原理

為了確保機器人有更好的跨越障礙的能力，它安裝有四只可伸縮機械足。發動機將動力引導至機械足，過管道內壁和機械足之間的摩擦，帶動機器人的整體運動。如圖2所示。

圖2 管道機器人三維模型圖

3.2 管道機器人行走機構的設計

整個運動機構有四個均勻分布的機械足，電機通電并帶動四個機械足，以驅動整個管道機器人的運動。并且機器腳可以自由伸縮長度，既保證機器人的正常運行，又確保機器人在不同的環境中的穩定站立。管道機器人三維模型俯視圖如圖3所示。

圖3 管道機器人三維模型俯視圖

3.3 測量系統原理

常用的無損測厚法均有成型的儀器設備，使用起來簡單方便，且不會對表面涂層進行破壞，完善的保留涂層現狀[3]。

機器人的實測部分根據超聲波反射原理利用聲波進行測量，如圖4所示。超聲波探頭發出聲波接觸到管道后反彈到探頭。傳感器將反射波轉換成電信號，該信號將被儀器數碼化，數碼化反射波被分析后便得反射波所花的具體時間，從而得出涂層厚度[4]，得出涂層完好情況。

圖4 超聲波測量圖層厚度原理圖

3.4 產品規格及參數

檢測參數要求如下:內徑:520 mm；管道長度220 m；涂層測量范圍0～500 μm；誤差±(15) μm；工作環境溫度0～55 ℃；行走速度：550 mm/min。

3.5 元件參數及分析

(1) 蓄電池。采用48 V鋰電池，儲存足夠的能源用來保證機器人的正常工作,48V電壓可滿足機器人的各元件電壓需求。

(2) 穩壓電路。通過穩壓電路將48V電池電壓降低為3.3V、5V、12V電壓，保證機器人各元件的正常工作。電池規格如表1所列。

表1 機器人鋰電池規格及參數

(3) 測量裝置。測量裝置由超聲波探頭和攝像頭組成。攝像頭支持紅外攝像功能，與超聲波探頭配合有效提高檢測準確率。攝像頭規格及參數如表2所列。

表2 攝像頭規格及參數

4 設計應用情況

4.1 實際應用

實際工作時，只需將智能管道機器人放入管道入口，便可自主行進記錄管道內壁完好情況并將實時信息傳輸到總控計算機中。工作人員可通過總控計算機得到的數據記錄破損點位置準確報修，并通過總控計算機控制管道機器人的行進和返回。

4.2 應用成果

參加山東省大學生創新創業競賽獲得省級立項，在第六屆互聯網+全國大學生創新創業大賽中獲得校一等獎，在第十三屆iCAN國際創新創業大賽、第十一屆山東省物聯網創造力大賽中獲得省級獎。

4.3 應用范圍

此款機器人安裝有GPS定位裝置，定位更加精準，無纜傳輸操作更加簡便。伸縮足行走跨越障礙能力更強，可適應多種復雜管道環境。

本設計可應用于石油、天然氣運輸管道內壁探傷，以及大型超市、居民小區的地下管道的探查任務。

4.4 應用局限性

(1) 液體運輸管道需停止工作后進行檢測，此款管道機器人無法完成在液體中的管道檢測任務。

(2) 智能管道機器人需在傾斜角度小于等于60°直徑突變小于5cm的管道內可正常工作，否則管道機器人可能會發生側翻。

5 結 語

設計的智能管道機器人具有科學性、創新性、先進性，足以完成多種管道的探測任務。它是結合現代先進技術的一種機電一體化裝置。與其他同類型管道機器人相比，此設計的智能管道機器人具有以下優勢。超聲波測量和紅外成像技術可保證機器人在黑暗情況下也可準確檢測管道完好情況；GPS定位、霍爾脈沖計程配合，定位更加精準，減小誤差；伸縮足行走可曾強管道機器人跨越障礙的能力，環境適應力更強。解決了管道檢測操作復雜、不易定位、工作量大等問題。隨著現代制造、電信、控制、傳感器技術和智能技術的發展，必將推動機器人技術在油氣管道技術領域中的應用和發展。