管道檢測機器人最新發(fā)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(tǒng)控制理論及應(yīng)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(fā)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(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室天津300384)

論述了管道檢測機器人在現(xiàn)代工業(yè)，尤其是石油、天然氣、水資源輸送行業(yè)里廣泛應(yīng)用的重要意義，概括了管道機器人的常規(guī)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(fā)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(shù)改進和研究成果，最后提出了對管道機器人的當前發(fā)展觀點和未來研究展望。

管道機器人；垂直管道；變徑；螺旋驅(qū)動；輪式

0　引　言

近幾十年，隨著自動化技術(shù)的極大進步和國民物質(zhì)生活水平顯著提高，各行各業(yè)的發(fā)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(yōu)勢，在國民經(jīng)濟中占有越來越大的比重，已廣泛應(yīng)用于石油、化工、能源、食品加工、城市供排水、農(nóng)業(yè)灌溉、核工業(yè)等領(lǐng)域。但由于受到輸送介質(zhì)的化學性腐蝕、不可抗力的自然災(zāi)害以及自身缺陷的影響，極有可能發(fā)生輸送物泄露導致的，如環(huán)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(nèi)部進行檢查、維護和清潔保養(yǎng)。傳統(tǒng)管道檢測都是由相關(guān)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(jiān)測，比如輸送有毒化學品或內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜狹小的管道。由此，管道機器人應(yīng)運而生。管道機器人是一種可沿細小管道內(nèi)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(yè)的機、電、儀一體化系統(tǒng)[1]。依靠快速運動、靈活操縱、準確判斷和低成本等優(yōu)點，管道檢測機器人已成為當下國內(nèi)外研究的熱點。

自上世紀50年代以來，隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和機械設(shè)計制造技術(shù)的進步，管道機器人得到了空前的發(fā)展。但除了部分功能簡單的管道機器人實現(xiàn)市場化生產(chǎn)以外，大部分還處在實驗室開發(fā)階段。傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)組成、分類、性能比較外，還將重點介紹當前國內(nèi)外管道檢測機器人在面對復雜管道結(jié)構(gòu)時的最新設(shè)計理念和解決方案。

1　管道機器人的構(gòu)成與分類

1.1管道機器人的構(gòu)成

總體上講，管道機器人是由運動機構(gòu)、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(jù)管道機器人行走機構(gòu)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(qū)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(yè)，是目前管道機器人研究的主要方向[3]。但其結(jié)構(gòu)復雜，成本較高，且能源供給有限，不適合長距離作業(yè)。

所謂被動運動方式，是指管道機器人依靠管內(nèi)流體的壓力差產(chǎn)生驅(qū)動力，隨著管內(nèi)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(gòu)造型的輪式管道機器人的車輪直接與馬達相連，結(jié)構(gòu)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(yīng)垂直管道的變徑工況；螺旋驅(qū)動型的車輪安裝在轉(zhuǎn)子和靜子兩個模塊上。轉(zhuǎn)子的徑向螺旋運動通過換向機構(gòu)轉(zhuǎn)變成定子的軸向運動。

1.2.2履帶式管道機器人

普通構(gòu)造型的履帶和與驅(qū)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(wěn)定性；壓壁型可以在內(nèi)表面粗糙的垂直或是傾斜管道內(nèi)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(jié)點的垂直管道和水平管道。但缺點是，為使腿部協(xié)調(diào)而穩(wěn)定動作，從機械結(jié)構(gòu)設(shè)計到控制系統(tǒng)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(jié)構(gòu)簡單、耗能少、驅(qū)動力大等優(yōu)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(huán)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(yè)環(huán)境和需求，設(shè)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(yīng)能力、靈活性、穩(wěn)定性、移動效率、驅(qū)動機構(gòu)數(shù)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(qū)動輪式和壓壁輪式管道機器人在各個性能指標方面表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢，是未來管道機器人發(fā)展的趨勢，值得今后全球的機器人研究機構(gòu)投入更多的科研精力。

3　國內(nèi)外管道機器人的最新研究成果

傳統(tǒng)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(wěn)定性弱、牽引力小等。為此，世界各國研究學者根據(jù)不同類型的管道機器人性能特征，在機械結(jié)構(gòu)、行走方式、驅(qū)動能力等方面，開發(fā)設(shè)計出很多改良型專用機器人。

3.1針對管道變徑問題開發(fā)的專用型管道機器人

韓國大邱慶北科技學院開發(fā)了一種履帶式壓壁型管道機器人，可應(yīng)用于管道清潔、檢測作業(yè)[10]。該機器人采用一種改進的剪刀梁式升降機構(gòu)，由氣缸驅(qū)動，見圖1。履帶可以沿著管道徑向移動來適應(yīng)不同的管道內(nèi)經(jīng)，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(fā)和校準階段，未來目標是投向工業(yè)清潔領(lǐng)域。

圖1　具備適應(yīng)不同管徑能力的管道機器人

該設(shè)計充分發(fā)揮了履帶式機器人優(yōu)秀的越障能力，而壓壁式機械結(jié)構(gòu)又保證了機器人在變徑管道內(nèi)有足夠的支撐能力來維持移動的穩(wěn)定性。但是利用氣缸驅(qū)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(nèi)的靈活移動。僅適用于某些特殊管況，通用性不高。

內(nèi)蒙古工業(yè)大學研制了一臺輪式壓壁型管道機器人，可應(yīng)用于變徑管道內(nèi)清淤和檢測工作[11]。該機器人采用連桿機構(gòu)原理，滿足在變徑管道(96～180 mm)內(nèi)的行進要求，見圖2。具體地說，在360°舵機的驅(qū)動下，絲桿會隨之轉(zhuǎn)動，可動螺母隨絲桿螺紋進行上下移動，帶動傘狀伸張結(jié)構(gòu)像雨傘一樣收齊或張開，改變?nèi)M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(yīng)性。但傘狀伸張結(jié)構(gòu)缺少柔性連接，在經(jīng)過管道較大變徑處，有可能造成機器人運行不穩(wěn)或是本體卡住以致驅(qū)動電機過載。

圖3　機械結(jié)構(gòu)圖

3.2針對垂直管道問題開發(fā)的專用型管道機器人

馬來西亞國家能源大學開發(fā)了一種電磁吸附式車輪型管道機器人，見圖4，可應(yīng)用于小型管道內(nèi)的檢測作業(yè)[12]。該機器人采用電磁吸附原理來保證對垂直管道的適應(yīng)性，見圖5。工作原理是在由導磁合金制成的車輪輪緣內(nèi)嵌入磁盤，電機通過同步帶驅(qū)動車輪滾動。其中磁盤由高強度永磁材料(NdFeB)制成。經(jīng)力學分析，強大的磁吸力足以支撐攜帶檢測設(shè)備的機器人在導磁管道內(nèi)穩(wěn)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(zhì)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(qū)動型輪式管道機器人，可應(yīng)用于垂直管道內(nèi)檢測工作[13]。該機器人采用螺旋驅(qū)動原理，包括轉(zhuǎn)子和定子兩個主要機械結(jié)構(gòu)，見圖6。其中轉(zhuǎn)子有三個傾斜18°的輪，分別安裝在彈性臂上。利用彈性系數(shù)為0.1 N/mm的彈簧來提供所需的壓壁力，并通過萬向節(jié)與驅(qū)動電機相連，可以在垂直、傾斜管道內(nèi)行走，從而保證機器人具備一定的管道適應(yīng)能力。此外，定子連接三個直線行走輪，提高機器人運行的穩(wěn)定性；輪胎使用橡膠材質(zhì)，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(qū)動型管道機器人

該機器人具有較好的管道適應(yīng)性，可以在帶有Y型或是L型彎曲結(jié)構(gòu)的垂直、水平、傾斜管道內(nèi)行走。如果有不同的行進速度要求，調(diào)整轉(zhuǎn)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(nèi)表面行走時，有可能會發(fā)生堵轉(zhuǎn)、停機現(xiàn)象。

3.3針對復雜管道問題開發(fā)的專用型管道機器人

日本神奈川大學研發(fā)了一種新式螺旋驅(qū)動型管道機器人，可應(yīng)用于復雜管道內(nèi)的檢測作業(yè)[14]。該機器人本體與傳統(tǒng)螺旋驅(qū)動機器人相類似，見圖7。創(chuàng)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(tǒng)。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(nèi)行進。

圖7　單個機器人本體

圖8　由連接單元串聯(lián)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(yīng)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(nèi)的三個伺服電機如何協(xié)調(diào)工作都需要復雜的控制算法。

4　結(jié)　論

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

隨著機械結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)用于各行各業(yè)，同時也面對更多的挑戰(zhàn)。除了上文提到的垂直管道、復雜結(jié)構(gòu)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(gòu)的設(shè)計。在傳統(tǒng)運動方式中，螺旋驅(qū)動型和壓壁型都顯示出較好的管道適應(yīng)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(gòu)來滿足不同的實際要求。如北京信息科技大學開發(fā)的一種輪腿配合式管道機器人[15]，結(jié)合了輪式和腿式機器人的優(yōu)點。當管道內(nèi)部無障礙物時，選擇驅(qū)動能力強的輪式移動方式，使機器人快速進行管道內(nèi)作業(yè)；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(qū)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(gòu)造管道內(nèi)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(fā)電的系統(tǒng)會是未來研究重點。

3)通信方式。常規(guī)的線纜通信不適用于長距離或是復雜管道內(nèi)。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(fā)展趨勢。

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

[1] 陳松，李天劍，王會香,等.排水管道機器人綜述[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2014,28(1):23-27.

[2]王殿君，李潤平，黃光明.管道機器人的研究進展[J].機床與液壓，2008,36(4)：185-187.

[3] 曹建樹，林立，李楊,等.油氣管道機器人技術(shù)研發(fā)進展[J].油氣儲運，2013,32(1)：1-8.

[4] 甘小明，徐濱士，董世運,等.管道機器人的發(fā)展現(xiàn)狀[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2003,16(6):5-10.

[5] 朱磊磊，陳軍.輪式移動機器人研究綜述[J].機床與液壓，2009,37(8)：242-247.

[6] 陳淑艷，陳文家.履帶式移動機器人研究綜述[J].機電工程，2007,24(12)：109-112.

[7] 劉靜，趙曉光，譚民.腿式機器人的研究綜述[J].機器人，2006,28(1)：81-88.

[8] 簡小剛，王葉鋒，楊鵬春.基于蚯蚓蠕動機理的仿生機器人研究進展[J].中國工程機械學報，2012,10(3)：359-363.

[9] P Liljeback, K Y Pettersen, Stavdahl, et al. A review on modeling, implementation, and control of snake robots, Robotics and Autonomous Systems 2012，60：29-40.

[10] Y G Kim,D H Shin,J I Moon. Design and implementation of an optimal in-pipe navigation mechanism for a steel pipe cleaning robot, in:8th int.conf.on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence,2011:772-773.

[11] 張建偉，齊詠生，王林.一種新型可變徑管道機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制實現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2014,33(10)：64-67.

[12] M R A M Zin,K S M Sahari,J M Saad. Development of a low cost small sized in-pipe robot, Proc.International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors,2012:1469-1475.

[13] A Nayak, S K Pradhan. Design of a new in-pipe inspection robot,Prof.12th Global Congress On Manufacturing and Management,2014:2081-2091.

[14] S Yabe,H Masuta,H Lim. New in-pipe robot capable of coping with various diameters, in:12th Int.conf.on Control,Automation and Systems,2012:151-156.

[15] 高宏，黃民，李天劍,等.一種新型輪腿配合式管道機器人設(shè)計[J].現(xiàn)代機械，2011,38(3)：52-54.

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)