工業(yè)管道內(nèi)檢測機器人及其變徑技術(shù)的研究進展*

凌張偉，繆存堅，唐 萍，杜興吉，孔 帥

（1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院，杭州 310020；2.浙江省特種設(shè)備安全檢測技術(shù)研究重點實驗室，杭州 310020）

0 前 言

隨著石油、 化工、 天然氣及核工業(yè)等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，管道作為一種重要的物料輸送設(shè)施，得到了廣泛應(yīng)用。 管網(wǎng)在長期服役過程中容易因腐蝕、 磨損、 拉裂等因素引起爆炸事故，存在安全隱患。 如何解決管道在長期使用過程中因受到管內(nèi)外介質(zhì)作用而產(chǎn)生腐蝕、 結(jié)垢、 裂紋、 穿孔等導(dǎo)致的管道失效問題，變得越來越重要。 因此，管道的檢測和維護成了工業(yè)生產(chǎn)中的一道難題。傳統(tǒng)的管道檢測方法有全面挖掘法、 隨機抽樣法等，這些方法均存在工程量大、 準確率低等缺點。

管道檢測機器人是針對油氣輸送工業(yè)管道的檢測、 噴涂、 接口焊接、 異物清理等維護檢修作業(yè)而研制的一種特種機器人，它綜合了智能移動載體技術(shù)和管道缺陷檢測技術(shù)[1-3]。 這類機器人能進入人所不及、 人力所限的復(fù)雜結(jié)構(gòu)管道環(huán)境中，攜帶一種或多種傳感器及操作裝置，如CCD 攝像機、 位置和姿態(tài)傳感器、 超聲傳感器、渦流傳感器、 管道清理裝置、 管道裂紋及管道接口焊接裝置、 防腐噴涂裝置、 機械手等，在操作人員的遠距離控制下完成缺陷檢測、 防腐涂層涂敷、 異物清除、 管內(nèi)加工等管道內(nèi)作業(yè)任務(wù)。

變徑機器人是一種特殊的管道機器人，其能夠針對彎管、 變徑管、 “T” 形管道及管內(nèi)焊縫等復(fù)雜環(huán)境做出適應(yīng)判斷與對策，從而順利通過這些復(fù)雜環(huán)境[4-7]。 變徑機器人是管道檢測機器人領(lǐng)域的一大創(chuàng)新，利用機器人攜帶各類作業(yè)裝置，在管道內(nèi)完成預(yù)定的作業(yè)任務(wù)，是提升管道內(nèi)作業(yè)自動化水平的重要手段，也是國內(nèi)外該領(lǐng)域一個重要的發(fā)展方向。 本研究介紹了工業(yè)焊管內(nèi)檢測機器人及其變徑技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，分析了變徑技術(shù)的難點，探討了工業(yè)焊管機器人的發(fā)展前景。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

管道檢測機器人是集無損檢測技術(shù)、 機器人控制技術(shù)、 計算機技術(shù)、 數(shù)據(jù)分析和處理等多項技術(shù)于一體的實用化工程。 國外關(guān)于管道檢測機器人的研究始于20 世紀40 年代，由于70 年代微電子技術(shù)、 計算機技術(shù)、 自動化技術(shù)的發(fā)展和進步，國外的管道檢測機器人技術(shù)于90 年代初得到了迅猛發(fā)展，研制了許多實驗樣機，取得了大量的研究成果，正逐漸接近于應(yīng)用水平。 管道機器人按運動方式一般可將其分為介質(zhì)壓差式、 輪式、 螺旋驅(qū)動式、 履帶式、 蛇行式、 蠕動式、 多足爬行式等。

德國REBER K 和BELLER M[8]等研制了用于長輸油氣管道壁厚檢測、 缺陷定位的高分辨率超聲在線檢測裝置，如圖1 所示。 整個裝置由供電單元、 數(shù)據(jù)存儲單元和檢測單元構(gòu)成，單元之間由萬向節(jié)連接，可通過曲率半徑為1.5D 的彎管。該裝置進行在線檢測時，通過240 個直探頭進行管道壁厚的測量，360 個與管壁呈一定角度的斜探頭進行管道裂縫缺陷的檢測，并在線存儲管道壁厚和缺陷的特征信息。 同時，該裝置采用計程輪對缺陷特征位置進行定位。

圖1 高分辨率超聲管道在線檢測設(shè)備

羅馬尼亞TATAR O[9]等研制了一種具有管徑適應(yīng)能力的管內(nèi)行走機器人，如圖2 所示。 機器人安裝有三個雙排行走輪，其中一個為主動輪，兩個為從動輪，通過兩并行的四桿機構(gòu)和預(yù)緊彈簧實現(xiàn)機器人的預(yù)緊。 日本LIM H[10]等研制了如圖3 所示的管內(nèi)檢測機器人，機器人的六組驅(qū)動輪由獨立電機驅(qū)動，前后兩單元由轉(zhuǎn)向角度可控的關(guān)節(jié)連接，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動輪的速度和關(guān)節(jié)角度使機器人能夠順利通過彎管和“T” 形管。

美國紐約煤氣集團公司DAPHNE D’ ZURKO和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)HAGEN SCHEMPF[11]開發(fā)了用于地下煤氣管道檢測的管道機器人系統(tǒng)Explorer，如圖4 所示。 機器人自攜電池，采用無線通訊方式，一次作業(yè)距離可達500 m，可通過90°彎管和 “T” 形管道，利用機器人前端的 “魚眼” 攝像頭對煤氣管道的內(nèi)部狀態(tài) （如阻塞、 積水等現(xiàn)象） 進行觀察。

圖2 具有管徑適應(yīng)能力的管內(nèi)機器人

圖3 LIM H 等研制的管內(nèi)機器人

圖4 Explorer 管道檢測機器人

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐從啟[12]等基于尺蠖、 蚯蚓等腔腸類動物的運動原理，研制了適用于管道內(nèi)徑為15～20 mm 的一種新型蠕動式微小管道機器人，如圖5 所示。 機器人前、 后部分為支撐單元，實現(xiàn)與管壁的自主鎖止，中間部分為驅(qū)動單元，實現(xiàn)機器人的蠕動爬行，單元之間用微型十字換向節(jié)連接。 該機器人具有大牽引力、 快速、長距離運動等特點。

中國科學(xué)院沈陽自動化研究所李鵬[13]等研制了一種采用螺旋驅(qū)動，具有管徑自適應(yīng)和速度自適應(yīng)功能的管內(nèi)探測機器人，如圖6 所示。 機器人長 226 mm，最大外徑 205 mm，最小外徑175 mm，質(zhì)量為1.95 kg，該機器人采用單電機驅(qū)動，在管徑變化時可通過管徑自適應(yīng)機構(gòu)越過障礙；當(dāng)負載變化時，可通過速度自適應(yīng)機構(gòu)使機器人能夠在一定范圍內(nèi)適應(yīng)環(huán)境變化。同時，為避免機器人遭遇故障而無法前進，研制了相配套的自救機器人系統(tǒng)對機器人進行救援。

圖5 自主鎖止蠕動式微小管道機器人

圖6 具有環(huán)境自適應(yīng)能力的管道機器人

2 變徑機器人技術(shù)難點分析

經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，國內(nèi)外在管道機器人尤其是變徑機器人領(lǐng)域取得了較多的技術(shù)成果，研制了一系列不同驅(qū)動形式的管道機器人產(chǎn)品或樣機。 管道機器人被多數(shù)大中型油氣輸送管道作業(yè)所采用。 在實際應(yīng)用中，管線中還存在大量的如結(jié)膠凸起、 凹陷等多種非圓形狀的不規(guī)則管道，均要求管道機器人驅(qū)動單元能夠?qū)崟r地進行變徑調(diào)節(jié)。

在國內(nèi)外管道機器人研究的基礎(chǔ)上，針對工業(yè)管道內(nèi)檢測的應(yīng)用特點，提出了可變徑內(nèi)檢測管道機器人在變徑技術(shù)方面存在的技術(shù)難點：

（1） 變徑技術(shù)。 變徑技術(shù)有多種形式，當(dāng)采用彈簧復(fù)位變徑時，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、 設(shè)計方便，但各驅(qū)動模塊牽引力難以保持一致；采用主動變徑方式，則機器人在未知管道參數(shù)的環(huán)境中實行變徑還不夠理想，且控制系統(tǒng)復(fù)雜。 如果研制出一種具有機械自適應(yīng)功能的管道機器人驅(qū)動單元，其能夠根據(jù)管內(nèi)的幾何信息就可實時自動調(diào)整各驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速，這將對提高管道機器人驅(qū)動單元的驅(qū)動效率具有重要意義。

（2） 越障技術(shù)。 在變徑管道機器人通過管路時，由于工業(yè)管道的內(nèi)壁光潔度不高，帶有一定高度焊縫和一些凹槽缺陷，由于焊縫及腐蝕缺陷區(qū)的出現(xiàn)，使得管道的內(nèi)徑會有小范圍的變動，因此，變徑管道機器人必須有一定的調(diào)節(jié)能力，能自動適應(yīng)管徑內(nèi)因不確定雜物導(dǎo)致的管徑變化。 基于彈簧的柔性變形能力開發(fā)的柔性滑動機構(gòu)能夠允許平行四邊形機構(gòu)在小范圍內(nèi)擺動，進而調(diào)高機器人的越障能力。

（3） 控制技術(shù)。 變徑管道機器人在管道內(nèi)壁的爬行是一個動態(tài)過程，機器人對管道內(nèi)壁的壓力也在動態(tài)變化。 可通過采集3 個履帶模塊對管壁的壓力，確定機器人處于何種姿態(tài)和位置，例如壓力同時增大，表明機器人正在從大徑管道向小經(jīng)管道過渡，反之說明機器人正在從小徑管道向大徑管道過渡；在通過彎管時，外側(cè)的壓力會大于內(nèi)測的壓力。 可以以此來設(shè)計機器人的姿態(tài)位置閉環(huán)控制系統(tǒng)、 驅(qū)動差速機構(gòu)以及變徑機構(gòu)。

（4） 系統(tǒng)集成。 系統(tǒng)的總體集成需要將變徑、 越障、 控制技術(shù)等集成于一體，形成管道內(nèi)檢測機器人技術(shù)，因此，對系統(tǒng)內(nèi)部件、 通信之間的聯(lián)系要求較高。 建立后的機器人技術(shù)，能夠使機器人在多種不同管徑的管道內(nèi)自由行走，具有良好的運動性能。

3 結(jié) 論

（1） 研究變徑機器人在內(nèi)的管道檢測機器人，對壓力管道內(nèi)檢驗檢測與作業(yè)的自動化水平提升、 效率提高有著重要的意義，是當(dāng)前壓力管道檢驗檢測的重要發(fā)展方向。

（2） 從總體技術(shù)水平來看，管道機器人尤其是變徑機器人的研制和開發(fā)在國內(nèi)外都得到了長足發(fā)展，但距離大規(guī)模實用化和產(chǎn)業(yè)化還有一定距離，特別是針對彎管、 變徑管、 “T” 形管道等復(fù)雜情況下的檢測需求。

（3） 變徑機器人除了要解決結(jié)構(gòu)設(shè)計、 變徑方法、 動力學(xué)分析等方面的問題外，還需要在越障能力、 運動控制以及系統(tǒng)集成等方面開展研究，才能更好地應(yīng)用到工程實際中，最終體現(xiàn)其重要的產(chǎn)業(yè)化與社會經(jīng)濟效益。