油氣管道機器人技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

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油氣管道機器人技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

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

結(jié)合其運動方式，主要考慮機械結(jié)構(gòu)的不同將管道機器人分為7大類：1）流體驅(qū)動式管道機器人依靠流體獲得驅(qū)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(nèi)才能得到有效驅(qū)動。美國GE公司、BakerHughes公司、TDWilliamson公司、瑞士R0SEN公司生產(chǎn)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(qū)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(nèi)，同時無法在垂直管道內(nèi)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(nèi)的運動；5）行走式管道機器人可以實現(xiàn)管內(nèi)爬行，擁有非常復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)和多組驅(qū)動器，其制造難度、控制難度都相當(dāng)大，除非十分精密的管道或者特殊作業(yè)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(fù)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(yán)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(wù)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。Smartract公司和Omega公司生產(chǎn)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(yè)表現(xiàn)突出；7）螺旋式管道機器人是將驅(qū)動輪軸線與管道軸線之間形成一定夾角，使驅(qū)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(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題。自驅(qū)動式管道機器人常采用上位機進行運算處理、路徑規(guī)劃，下位機與電機、電磁閥等通信實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)動作的方式。流體驅(qū)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(yè)。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(nèi)流體的速度相關(guān)，想要實現(xiàn)這類機器人穩(wěn)定適應(yīng)于作業(yè)需求的速度是十分困難的，第1種方法是通過調(diào)節(jié)機器人上下游加壓站壓力的方式來調(diào)節(jié)機器人運行速度；第2種方法是采用在流動式機器人內(nèi)部開設(shè)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(wèi)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(zhì)是通過記錄里程輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)來得到當(dāng)前位置。GPS衛(wèi)星定位法的實現(xiàn)需要管內(nèi)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(xiàn)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(shù)、信號處理技術(shù)和圖像處理技術(shù)等不斷發(fā)展，管道機器人的定位精度、準(zhǔn)確性和實時性都得到了一定程度的發(fā)展，但是在環(huán)境惡劣、埋藏較深的情況下管道內(nèi)定位的精度和準(zhǔn)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(jié)構(gòu)；實時穩(wěn)定的控制系統(tǒng)；能量供給。

李秋揚 編輯自《西華大學(xué)學(xué)報》2016年1期“油氣管道機器人技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢”（原作者劉清友）