管道檢測(cè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展*

□ 石紅梅 □ 侯 偉

1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造與信息工程學(xué)院 陜西咸陽 7120002.咸陽市特種設(shè)備檢驗(yàn)所 陜西咸陽 712000

1 管道檢測(cè)機(jī)器人概述

隨著石油、化工、電力、天然氣、核工業(yè)等產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,具有輸送量大、方便快捷、成本低等優(yōu)勢(shì)的管道輸送設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中占有越來越重要的地位。受輸送介質(zhì)、自身缺陷、自然災(zāi)害等因素的影響,管道內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生腐蝕、磨損、開裂、結(jié)垢等現(xiàn)象,在安全穩(wěn)定運(yùn)行方面存在隱患[1-3]。由此,管道的定期檢測(cè)和維護(hù)非常重要,這同時(shí)成為阻礙工業(yè)管道發(fā)展的一道難題。傳統(tǒng)的管道檢測(cè)依靠人工進(jìn)行,效率低,工作量大,管道中某些位置工作人員無法進(jìn)入,也就無法進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)。近幾十年來,具有操縱靈活、運(yùn)動(dòng)快速、判斷準(zhǔn)確、成本低等優(yōu)點(diǎn)的管道檢測(cè)機(jī)器人飛速發(fā)展,成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

管道檢測(cè)機(jī)器人是一種可以在管道內(nèi)部自由行走,攜帶一種或多種傳感器與操作機(jī)械的特種機(jī)器人。管道檢測(cè)機(jī)器人通常由工作人員遙控操作,或由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制行走,集成計(jì)算機(jī)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)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)等[4],能夠進(jìn)入復(fù)雜結(jié)構(gòu)管道環(huán)境中,完成缺陷檢測(cè)、防腐涂層涂敷、異物清除、加工等管道內(nèi)作業(yè)任務(wù)。經(jīng)過長年的研究和發(fā)展,國內(nèi)外學(xué)者在管道檢測(cè)機(jī)器人的研究中取得了較多技術(shù)成果。管道內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜,管道檢測(cè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)備受關(guān)注,這同時(shí)也是管道檢測(cè)機(jī)器人的難點(diǎn),筆者對(duì)管道檢測(cè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。

2 變徑技術(shù)

由于工業(yè)管道管徑大小不一,管道檢測(cè)機(jī)器人在工作時(shí)會(huì)遇到不同管徑的管道,這就要求管道檢測(cè)機(jī)器人能夠適應(yīng)一定范圍內(nèi)管徑的變化,這樣不僅可以提高工作效率,而且能夠降低使用成本。近年來,管道檢測(cè)機(jī)器人的變徑技術(shù)成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn),變徑技術(shù)是管道檢測(cè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前,較成熟的變徑技術(shù)主要有兩類。一類通過機(jī)械機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)變徑,如蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、升降機(jī)機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠螺母副機(jī)構(gòu)等[5]。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)和升降機(jī)機(jī)構(gòu)對(duì)電機(jī)的要求比較高,不易實(shí)現(xiàn),因此通常采用滾珠絲杠螺母副機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)管道檢測(cè)機(jī)器人的變徑。滾珠絲杠螺母副機(jī)構(gòu)對(duì)電機(jī)的要求不高,但是會(huì)增大管道檢測(cè)機(jī)器人的軸向尺寸,彎道通過性能不佳,不適合管徑小、彎道多的管道。另一類通過彈性元件[6]或氣壓元件[7]來達(dá)到變徑的目的,因彈性元件或氣壓元件性能有限,變徑能力受限,故不適合管徑較大的管道。

對(duì)管道檢測(cè)機(jī)器人變徑技術(shù)的研究,最具代表性的是韓國大邱慶北科技學(xué)院研發(fā)的一種呈120°夾角均勻分布的履帶式管道檢測(cè)機(jī)器人,采用剪刀梁式升降機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)變徑,變徑范圍為600～800 mm,主要用于管道的清潔和檢測(cè)工作[8]。由此衍生出相似結(jié)構(gòu)的管道檢測(cè)機(jī)器人,采用絲杠螺母副機(jī)構(gòu),變徑范圍為300～700 mm。此類管道檢測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,目前還沒有得到產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用[9-11]。國內(nèi)學(xué)者研發(fā)了輪式和足式變徑管道檢測(cè)機(jī)器人,行走方式不同,但變徑機(jī)構(gòu)基本都采用滾珠絲杠螺母副機(jī)構(gòu),機(jī)器人軸向尺寸大,使用范圍受限[12-13]。

從總體看,管道檢測(cè)機(jī)器人變徑技術(shù)在國內(nèi)外得到了長足發(fā)展和應(yīng)用,但還不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,實(shí)用性欠佳,尤其是對(duì)于特殊環(huán)境下的管道,如T型管道、彎管等,實(shí)用性不強(qiáng)。管道檢測(cè)機(jī)器人變徑技術(shù)還需要研究以下問題,才能得到更廣泛的應(yīng)用。第一,需要研制出變徑范圍廣、驅(qū)動(dòng)力大、體積小、具有機(jī)械自適應(yīng)功能的變徑機(jī)構(gòu),使管道檢測(cè)機(jī)器人能夠根據(jù)管內(nèi)幾何尺寸實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整變徑范圍和驅(qū)動(dòng)力。第二,管道檢測(cè)機(jī)器人變徑機(jī)構(gòu)還需要與驅(qū)動(dòng)裝置緊密配合,克服管道內(nèi)壁因焊縫、凹槽、腐蝕等造成的臺(tái)階、凹坑等不利因素,自動(dòng)適應(yīng)管道內(nèi)不利因素而導(dǎo)致的管徑變化。

3 供能技術(shù)

管道檢測(cè)機(jī)器人在管道內(nèi)的行走主要依靠驅(qū)動(dòng)裝置,驅(qū)動(dòng)裝置一般為伺服電機(jī),將電能或其它形式能轉(zhuǎn)換為供管道檢測(cè)機(jī)器人行走的機(jī)械能。由此可見,伺服電機(jī)的供能方式非常重要。目前,管道檢測(cè)機(jī)器人的供能方式主要通過電源線與電源可靠連接,稱為有纜方式。有纜方式可以持續(xù)穩(wěn)定地向管道檢測(cè)機(jī)器人供能,并且電源線內(nèi)部一般包含通信信號(hào)線,通信性能佳。當(dāng)管道檢測(cè)機(jī)器人因故障卡在管道內(nèi)部時(shí),電源線可以充當(dāng)拖纜工具,將管道檢測(cè)機(jī)器人拉出管道。有纜方式已非常成熟,得到廣泛應(yīng)用[14]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、微電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的高速發(fā)展,未來管道檢測(cè)機(jī)器人的供能方式將逐步轉(zhuǎn)向無纜方式。國內(nèi)對(duì)無纜管道檢測(cè)機(jī)器人的研究始于2003 年,張永順等[15]采用超磁致伸縮合金制成驅(qū)動(dòng)器,通過管道外部的磁場(chǎng)能量驅(qū)動(dòng)管道檢測(cè)機(jī)器人,僅限于體積非常小的微型管道檢測(cè)機(jī)器人。徐君書等[16]提出利用波導(dǎo)傳輸原理,將微波能量收集并轉(zhuǎn)換為直流電,為管道檢測(cè)機(jī)器人供能。鐘映春等[17]提出一種可充電式管道檢測(cè)機(jī)器人,將流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能,存儲(chǔ)在蓄電池內(nèi),為管道檢測(cè)機(jī)器人供能。

國外研制的無纜管道檢測(cè)機(jī)器人種類繁多,供能方式則與國內(nèi)類似,主要是攜帶蓄電池或燃油發(fā)電機(jī)組為管道檢測(cè)機(jī)器人供能,由此增大管道檢測(cè)機(jī)器人的體積和質(zhì)量。因動(dòng)力受限,管道檢測(cè)機(jī)器人的行走距離也受到限制,不適合在長距離的管道內(nèi)行走。因金屬管壁的電磁屏蔽作用,管道檢測(cè)機(jī)器人的定位、越障、通信及管徑自適應(yīng)性等性能大大降低,管道檢測(cè)機(jī)器人因故障卡在管道內(nèi)部的情況經(jīng)常發(fā)生,給管道檢測(cè)工作造成困難[14]。

由以上介紹可見,無纜管道檢測(cè)機(jī)器人要得到長足發(fā)展,還需要克服定位、越障、通信及管徑自適應(yīng)性等方面的問題。另一方面,充電式管道檢測(cè)機(jī)器人可以將其它形式的能量轉(zhuǎn)換為電能,供能可靠性高,是未來管道檢測(cè)機(jī)器人供能方式的首選。

4 系統(tǒng)集成技術(shù)

系統(tǒng)集成指利用通信、計(jì)算機(jī)、圖像識(shí)別等技術(shù),將管道檢測(cè)機(jī)器人的行走、變徑、轉(zhuǎn)彎、越障、定位、導(dǎo)航、檢測(cè)等功能集成在一起,是一項(xiàng)綜合性系統(tǒng)工程。目前,管道檢測(cè)機(jī)器人的系統(tǒng)集成主要利用安裝在管道檢測(cè)機(jī)器人本體上的芯片與管道外的控制主機(jī)來實(shí)現(xiàn),兩者之間通過電源線連接,電源線內(nèi)部包含通信信號(hào)線。管道檢測(cè)機(jī)器人本體上加裝傳感器和攝像機(jī)。管道檢測(cè)機(jī)器人在管道內(nèi)行走時(shí),加裝的攝像機(jī)對(duì)管壁和管道內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝,同時(shí)使用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行識(shí)別分析,將分析結(jié)果實(shí)時(shí)傳回操作端顯示屏,由工作人員判斷管道內(nèi)的缺陷情況,再通過控制主機(jī)發(fā)出控制信號(hào),操控管道檢測(cè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)動(dòng)作[18]。由于管道內(nèi)通信信號(hào)受外界因素的干擾,管道檢測(cè)機(jī)器人在輸送反饋信號(hào)時(shí)會(huì)受到阻礙,管道檢測(cè)機(jī)器人的工作會(huì)受到較大影響,嚴(yán)重時(shí)會(huì)宕機(jī),工作效率降低。

目前普遍應(yīng)用的管道檢測(cè)機(jī)器人功能單一,當(dāng)管道內(nèi)環(huán)境復(fù)雜,如存在凸臺(tái)、凹坑、溝槽、碎石、沉積物等時(shí),常常需要管道檢測(cè)機(jī)器人攜帶檢測(cè)設(shè)備和清潔設(shè)備進(jìn)入管道,這對(duì)管道檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)提出了更高的要求[19]。隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用,無線通信技術(shù)將廣泛應(yīng)用于管道檢測(cè)機(jī)器人,系統(tǒng)集成技術(shù)也將發(fā)生質(zhì)的飛躍,將運(yùn)動(dòng)、檢測(cè)、修復(fù)技術(shù)集成在一起,可以使管道檢測(cè)機(jī)器人更靈活、更智能。

5 展望

經(jīng)過長年的研究,管道檢測(cè)機(jī)器人取得了長足的發(fā)展與應(yīng)用,但同時(shí)存在一些關(guān)鍵技術(shù)問題,制約了自身的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。筆者對(duì)管道檢測(cè)機(jī)器人變徑技術(shù)、供能技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹,隨著人工智能、智能圖像識(shí)別等技術(shù)的快速發(fā)展,未來管道檢測(cè)機(jī)器人將朝被動(dòng)自適應(yīng)、模塊化設(shè)計(jì)、能量?jī)?yōu)化的方向發(fā)展?；诨旌现悄芗夹g(shù),將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、粒子群算法等人工智能方法應(yīng)用于管道檢測(cè)機(jī)器人,可以實(shí)現(xiàn)管道定位、檢測(cè)、修復(fù)一體化功能,更好服務(wù)于管道檢測(cè)。