管道機(jī)器人的發(fā)展與展望

邵琦　謝哲東

摘 要：本文介紹管道機(jī)器人的發(fā)展歷程，并從國(guó)內(nèi)國(guó)外2個(gè)角度進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。全文按行進(jìn)裝置的不同介紹了不同類型的管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)特性及其應(yīng)用領(lǐng)域。展望管道機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：管道機(jī)器人；國(guó)內(nèi)外發(fā)展；應(yīng)用領(lǐng)域；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160332072

引言

管道機(jī)器人是一類集多類傳感器及操作裝置（錄像機(jī)、清理裝置、焊接裝置、防腐噴漆裝置、機(jī)械手、位姿傳感器、超聲波傳感器等）一身的機(jī)器人。管道機(jī)器人作業(yè)時(shí)通過(guò)操作員遠(yuǎn)距離的遙控來(lái)控制完成管道下一系列的清理維系等工作，是一種新型的自動(dòng)化在水下管道中的自動(dòng)化作業(yè)裝置。

管道運(yùn)輸有運(yùn)輸效率高、制造方便、運(yùn)輸手段簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活中的各個(gè)領(lǐng)域。目前，我國(guó)輸送汽油等燃料的管道已建達(dá)500000km，而且在以每年1500km的速度快速增長(zhǎng)。如圖1為工業(yè)冷卻水管道，圖2為電站蒸汽輸送管道。

然而隨著使用時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，管道老化日益嚴(yán)重，管道內(nèi)壁或外壁不斷受到輸送介質(zhì)、外部力的沖擊等各種因素的影響，很可能會(huì)出現(xiàn)管道的泄露、裂紋、輸送介質(zhì)泄露或截留面積減小等問題。所以就需要對(duì)管道的情況進(jìn)行定期的排查、維護(hù)和維修。然而有些管道通常輸送的介質(zhì)多是對(duì)人體有害的并且管道的空間狹小，使得工作人員無(wú)法直接人工對(duì)管道進(jìn)行維修和檢測(cè)。

由于管道的掩埋性，目前采用最多的維修方式就是挖掘法、抽樣檢測(cè)維修法等。這些方法需要大量的人力物力財(cái)力，并且無(wú)法保證管道的正常使用。還有的方法隨機(jī)性很強(qiáng)，準(zhǔn)確率很低，無(wú)法做到對(duì)管道進(jìn)行徹底、高效的排查，造成了管道運(yùn)輸?shù)陌踩[患。

基于以上不盡如人意的管道排查、檢測(cè)和維修方式，所以迫切需要一種新的管道維修的方式。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一種由機(jī)器人代替人員進(jìn)入到管道中對(duì)管道進(jìn)行日常維護(hù)、檢測(cè)的新想法，并對(duì)其進(jìn)行深入的研究。自1978年提出了腿足式的管道機(jī)器人以來(lái)，管道機(jī)器人開始了迅猛的發(fā)展，其中一部分管道機(jī)器人已進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用階段，在管道的日常檢查、排查、維修中起到了發(fā)揮了重要的作用。

1 管道類機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

歐洲對(duì)管道機(jī)器人的研究起步相對(duì)較早。伴隨著電子技術(shù)以及通訊技術(shù)的發(fā)展，管道機(jī)器人已達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用水平。

日本電子行業(yè)的發(fā)展也刺激著管道機(jī)器人的不斷革新。例如從1990年，東京大學(xué)就開始了管道機(jī)器人的研究，并提出了THES系列管道機(jī)器人，如圖3。

“月球車”是早期俄羅斯提出的配備有9個(gè)驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)器人。采用并聯(lián)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，攝像頭翻轉(zhuǎn)可進(jìn)行多角度的拍攝，對(duì)維修部件進(jìn)行了多角度的找位，管道氣人利用自身的設(shè)備對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)、維修作業(yè)，如圖4。

MRINSPECT系列管道機(jī)器人由韓國(guó)Sungkyunkwan大學(xué)提出的，如圖5所示。此類機(jī)器人的能源傳送相對(duì)于傳統(tǒng)的電機(jī)傳送動(dòng)力而言，該系列機(jī)器人采用的是有纜的方式進(jìn)行能源和信息的傳送。各個(gè)部件間采用的是萬(wàn)向鉸相連，采用彈簧支撐使其能夠針對(duì)不同的管道具有自適應(yīng)能力。由于支撐點(diǎn)采用2個(gè)主動(dòng)輪作為支撐，穩(wěn)定性好，可以外帶其它設(shè)備完成其它工作。

國(guó)內(nèi)對(duì)于管道機(jī)器人的研發(fā)相對(duì)起步較晚，雖然如此，國(guó)內(nèi)也不乏有典型的并聯(lián)機(jī)器人研究成果。例如上海交通大學(xué)提出了煤氣管道檢測(cè)機(jī)器人。該機(jī)器人具有特殊的四邊形結(jié)構(gòu)，具有很好的自適應(yīng)，采用輪腿的行進(jìn)方式。

Pipesbot是由清華大學(xué)提出的一種結(jié)構(gòu)緊湊的蠕動(dòng)式機(jī)器人如圖6，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與前部結(jié)構(gòu)連接，通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行外部能源的輸入供給。自適應(yīng)性的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)四邊形連接點(diǎn)的位移變化實(shí)現(xiàn)的，使機(jī)構(gòu)能夠形成不同的轉(zhuǎn)彎半徑來(lái)適應(yīng)管道半徑的變化。

2 管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)類型

管道機(jī)器人按照運(yùn)動(dòng)部件分為輪式、履帶式、關(guān)節(jié)式、壓差介質(zhì)式等

2.1 車輪式管道機(jī)器人

輪式機(jī)器人如圖7，具有速度快，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，拖動(dòng)力大等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用石油、汽油輸送管的日常清理和維護(hù)中。該類機(jī)器人行進(jìn)特點(diǎn)是需使驅(qū)動(dòng)輪與管道內(nèi)壁有一定的封閉的正壓力才能產(chǎn)生一定的供其行走的摩擦力。該正壓力主要來(lái)源于機(jī)器人的自身重力、彈簧力等等。

2.2 履帶式管道機(jī)器人

履帶的結(jié)構(gòu)使得該類機(jī)器人具有非常好的附著性，所以對(duì)于泥濘或有較厚油污的管道也能可靠的行進(jìn)，如圖8。但履帶式管道機(jī)器人由于是履帶這種較為復(fù)雜的行進(jìn)方式，不易控制，也不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

2.3 關(guān)節(jié)式管道機(jī)器人

關(guān)節(jié)式機(jī)器人是仿生學(xué)在機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用的典型例子。此類機(jī)器人一般具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，機(jī)器人尺寸相對(duì)較大。應(yīng)用于管道機(jī)器人領(lǐng)域中，由于管道空間有限，必須對(duì)其機(jī)構(gòu)尺寸進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)。

3 展望

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者多年來(lái)的潛心研究，使管道機(jī)器人已經(jīng)形成了較為成熟的體系，并且在實(shí)際應(yīng)用中也取得了預(yù)計(jì)的成果，特別是在焊接、清理、檢測(cè)、修補(bǔ)等方向，但也主要是針對(duì)于管徑較大的管道。而對(duì)于小管徑的管道機(jī)器人還有許多需要解決的問題：

如何提供較大去污力；限制空間內(nèi)的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；能源供給方式；管道內(nèi)外的信號(hào)傳送。

參考文獻(xiàn)

[1] 王殿君，李潤(rùn)平，黃光明等.管道機(jī)器人的研究進(jìn)展[J].機(jī)床與液壓，2008， 36（4） ：185-187.

[2] 韓毛毛.管道內(nèi)壁減阻結(jié)構(gòu)加工機(jī)器人控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué)（碩士論文）， 2012：8-10.

[3] 王耀華，左仁貴.國(guó)內(nèi)外微型管道機(jī)器人研究現(xiàn)狀[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2010，27（12）： 1-5.

作者簡(jiǎn)介：邵琦（1991-），男，碩士研究生，研究方向：管道機(jī)器人。