王　毅，邵　磊

(天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　天津　300384)

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·綜述·

管道檢測(cè)機(jī)器人最新發(fā)展概況

王毅，邵磊

(天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300384)

論述了管道檢測(cè)機(jī)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(jī)器人的常規(guī)類(lèi)型及其性能特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹和分析了最近五年世界各國(guó)針對(duì)制約管道機(jī)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(jìn)和研究成果，最后提出了對(duì)管道機(jī)器人的當(dāng)前發(fā)展觀(guān)點(diǎn)和未來(lái)研究展望。

管道機(jī)器人；垂直管道；變徑；螺旋驅(qū)動(dòng)；輪式

0　引　言

近幾十年，隨著自動(dòng)化技術(shù)的極大進(jìn)步和國(guó)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(lài)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(shì)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有越來(lái)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(xué)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(dǎo)致的，如環(huán)境污染、易燃物爆炸、能源浪費(fèi)等嚴(yán)重事故。所以需要定期對(duì)管道內(nèi)部進(jìn)行檢查、維護(hù)和清潔保養(yǎng)。傳統(tǒng)管道檢測(cè)都是由相關(guān)人員實(shí)施，工作量大，效率低下。而且有些管道位置人員無(wú)法到達(dá)實(shí)施監(jiān)測(cè)，比如輸送有毒化學(xué)品或內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜狹小的管道。由此，管道機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。管道機(jī)器人是一種可沿細(xì)小管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機(jī)械，在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下，進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)、電、儀一體化系統(tǒng)[1]。依靠快速運(yùn)動(dòng)、靈活操縱、準(zhǔn)確判斷和低成本等優(yōu)點(diǎn)，管道檢測(cè)機(jī)器人已成為當(dāng)下國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

自上世紀(jì)50年代以來(lái)，隨著計(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)和機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)的進(jìn)步，管道機(jī)器人得到了空前的發(fā)展。但除了部分功能簡(jiǎn)單的管道機(jī)器人實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化生產(chǎn)以外，大部分還處在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)階段。傳統(tǒng)管道機(jī)器人面對(duì)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(xì)介紹管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成、分類(lèi)、性能比較外，還將重點(diǎn)介紹當(dāng)前國(guó)內(nèi)外管道檢測(cè)機(jī)器人在面對(duì)復(fù)雜管道結(jié)構(gòu)時(shí)的最新設(shè)計(jì)理念和解決方案。

1　管道機(jī)器人的構(gòu)成與分類(lèi)

1.1管道機(jī)器人的構(gòu)成

總體上講，管道機(jī)器人是由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制模塊、信號(hào)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(jī)器人的核心，它決定了管道機(jī)器人的整體性能[2]。

1.2管道機(jī)器人的分類(lèi)

根據(jù)管道機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源及運(yùn)動(dòng)可控性的不同，可將其運(yùn)動(dòng)方式劃分為被動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式和主動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式兩大類(lèi)。其中主動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式主要包括輪式、履帶式和無(wú)輪式；被動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式的典型代表為管道豬(PIG)。詳細(xì)劃分參見(jiàn)表1。

表1　管道機(jī)器人的分類(lèi)

所謂主動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式，是指管道機(jī)器人憑借自身攜帶的驅(qū)動(dòng)源，具備了自主行走能力，運(yùn)動(dòng)速度和方向都可控。并且可以裝配儀器和工具，進(jìn)行檢測(cè)、維修作業(yè)，是目前管道機(jī)器人研究的主要方向[3]。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，且能源供給有限，不適合長(zhǎng)距離作業(yè)。

所謂被動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式，是指管道機(jī)器人依靠管內(nèi)流體的壓力差產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，隨著管內(nèi)流體的流動(dòng)方向移動(dòng)，并可攜帶多種傳感器【4】。但其自身沒(méi)有行走能力，移動(dòng)速度、范圍不易精確控制。

1.2.1輪式管道機(jī)器人

普通構(gòu)造型的輪式管道機(jī)器人的車(chē)輪直接與馬達(dá)相連，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，類(lèi)似小汽車(chē)，可以得到較好的速度控制和方向控制[5]；壓壁型的車(chē)輪通常安裝在成120°對(duì)稱(chēng)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(dòng)型的車(chē)輪安裝在轉(zhuǎn)子和靜子兩個(gè)模塊上。轉(zhuǎn)子的徑向螺旋運(yùn)動(dòng)通過(guò)換向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成定子的軸向運(yùn)動(dòng)。

1.2.2履帶式管道機(jī)器人

普通構(gòu)造型的履帶和與驅(qū)動(dòng)器直接相連的車(chē)輪相配合，為機(jī)器人提供更多的摩擦力[6]。與輪式管道機(jī)器人相比，有良好的平面越障能力和運(yùn)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(dòng)。

1.2.3無(wú)輪式管道機(jī)器人

腿足型管道機(jī)器人動(dòng)作靈活，可以攀爬帶有L、T、Y型節(jié)點(diǎn)的垂直管道和水平管道。但缺點(diǎn)是，為使腿部協(xié)調(diào)而穩(wěn)定動(dòng)作，從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到控制系統(tǒng)算法都比較復(fù)雜[7]；仿生蠕動(dòng)式管道機(jī)器人通過(guò)前后支撐部分徑向伸縮而運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗能少、驅(qū)動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn)，但行動(dòng)比較緩慢[8]；蛇行管道機(jī)器人模仿生物界蛇的行進(jìn)，由若干個(gè)可以彎曲扭動(dòng)的連接模塊組成。由于自由度較多，該類(lèi)型機(jī)器人不易控制，但在復(fù)雜環(huán)境下的通行能力，要超過(guò)其他類(lèi)型的管道機(jī)器人[9]。

2　管道機(jī)器人的性能比較

為了針對(duì)不同的作業(yè)環(huán)境和需求，設(shè)計(jì)出理想的管道機(jī)器人，我們有必要對(duì)各種類(lèi)型的管道機(jī)器人的性能指標(biāo)做一個(gè)深入的比較，如垂直移動(dòng)能力、可操控性、管道尺寸適應(yīng)能力、靈活性、穩(wěn)定性、移動(dòng)效率、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)量和無(wú)線(xiàn)控制等,見(jiàn)表2。

表2　不同類(lèi)型管道機(jī)器人的性能比較

從表2中我們可以看到，螺旋驅(qū)動(dòng)輪式和壓壁輪式管道機(jī)器人在各個(gè)性能指標(biāo)方面表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)管道機(jī)器人發(fā)展的趨勢(shì)，值得今后全球的機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)投入更多的科研精力。

3　國(guó)內(nèi)外管道機(jī)器人的最新研究成果

傳統(tǒng)機(jī)器人在面對(duì)垂直、微小、復(fù)雜管道時(shí)，存在諸多實(shí)際困難，如通行性差、穩(wěn)定性弱、牽引力小等。為此，世界各國(guó)研究學(xué)者根據(jù)不同類(lèi)型的管道機(jī)器人性能特征，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、行走方式、驅(qū)動(dòng)能力等方面，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出很多改良型專(zhuān)用機(jī)器人。

3.1針對(duì)管道變徑問(wèn)題開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用型管道機(jī)器人

韓國(guó)大邱慶北科技學(xué)院開(kāi)發(fā)了一種履帶式壓壁型管道機(jī)器人，可應(yīng)用于管道清潔、檢測(cè)作業(yè)[10]。該機(jī)器人采用一種改進(jìn)的剪刀梁式升降機(jī)構(gòu)，由氣缸驅(qū)動(dòng)，見(jiàn)圖1。履帶可以沿著管道徑向移動(dòng)來(lái)適應(yīng)不同的管道內(nèi)經(jīng)，同時(shí)行進(jìn)過(guò)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(fù)載能力為20 kg，目前還處在開(kāi)發(fā)和校準(zhǔn)階段，未來(lái)目標(biāo)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(jī)器人

該設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了履帶式機(jī)器人優(yōu)秀的越障能力，而壓壁式機(jī)械結(jié)構(gòu)又保證了機(jī)器人在變徑管道內(nèi)有足夠的支撐能力來(lái)維持移動(dòng)的穩(wěn)定性。但是利用氣缸驅(qū)動(dòng)，對(duì)氣源供給提出了要求。無(wú)論是拖帶氣管還是自備氣泵，都限制了機(jī)器人在管道內(nèi)的靈活移動(dòng)。僅適用于某些特殊管況，通用性不高。

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)研制了一臺(tái)輪式壓壁型管道機(jī)器人，可應(yīng)用于變徑管道內(nèi)清淤和檢測(cè)工作[11]。該機(jī)器人采用連桿機(jī)構(gòu)原理，滿(mǎn)足在變徑管道(96～180 mm)內(nèi)的行進(jìn)要求，見(jiàn)圖2。具體地說(shuō)，在360°舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，絲桿會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，可動(dòng)螺母隨絲桿螺紋進(jìn)行上下移動(dòng)，帶動(dòng)傘狀伸張結(jié)構(gòu)像雨傘一樣收齊或張開(kāi)，改變?nèi)M輪胎的距離，從而改變機(jī)器人的徑向尺寸。而尾架部件則起到輔助支撐作用，使機(jī)器人本體保持平衡，見(jiàn)圖3。以Atmega128單片機(jī)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(jī)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。

圖2　機(jī)械實(shí)物圖

該機(jī)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(guò)管道較大變徑處，有可能造成機(jī)器人運(yùn)行不穩(wěn)或是本體卡住以致驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)載。

圖3　機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

3.2針對(duì)垂直管道問(wèn)題開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用型管道機(jī)器人

馬來(lái)西亞國(guó)家能源大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種電磁吸附式車(chē)輪型管道機(jī)器人，見(jiàn)圖4，可應(yīng)用于小型管道內(nèi)的檢測(cè)作業(yè)[12]。該機(jī)器人采用電磁吸附原理來(lái)保證對(duì)垂直管道的適應(yīng)性，見(jiàn)圖5。工作原理是在由導(dǎo)磁合金制成的車(chē)輪輪緣內(nèi)嵌入磁盤(pán)，電機(jī)通過(guò)同步帶驅(qū)動(dòng)車(chē)輪滾動(dòng)。其中磁盤(pán)由高強(qiáng)度永磁材料(NdFeB)制成。經(jīng)力學(xué)分析，強(qiáng)大的磁吸力足以支撐攜帶檢測(cè)設(shè)備的機(jī)器人在導(dǎo)磁管道內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，無(wú)論是垂直面還是傾斜面。同時(shí)也具備良好的越障能力和移動(dòng)性。其適用的管道變徑范圍為80～180 mm。

但管道和車(chē)輪輪緣的材質(zhì)必須是導(dǎo)磁的，存在長(zhǎng)期使用腐蝕、氧化的風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)疑限制了該機(jī)器人的廣泛性使用。

圖4　機(jī)器人外觀(guān)

圖5　垂直方向運(yùn)行

印度NITTTR學(xué)院研制了一臺(tái)螺旋驅(qū)動(dòng)型輪式管道機(jī)器人，可應(yīng)用于垂直管道內(nèi)檢測(cè)工作[13]。該機(jī)器人采用螺旋驅(qū)動(dòng)原理，包括轉(zhuǎn)子和定子兩個(gè)主要機(jī)械結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖6。其中轉(zhuǎn)子有三個(gè)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(lái)提供所需的壓壁力，并通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連，可以在垂直、傾斜管道內(nèi)行走，從而保證機(jī)器人具備一定的管道適應(yīng)能力。此外，定子連接三個(gè)直線(xiàn)行走輪，提高機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性；輪胎使用橡膠材質(zhì)，增加摩擦力，確保機(jī)器人運(yùn)行時(shí)不會(huì)滑脫。適用管徑范圍為127～152 mm。

圖6　螺旋驅(qū)動(dòng)型管道機(jī)器人

該機(jī)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(jìn)速度要求，調(diào)整轉(zhuǎn)子輪的傾斜角度即可滿(mǎn)足。由于車(chē)輪與管道壁接觸面積小，在不平坦的管道內(nèi)表面行走時(shí)，有可能會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)、停機(jī)現(xiàn)象。

3.3針對(duì)復(fù)雜管道問(wèn)題開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用型管道機(jī)器人

日本神奈川大學(xué)研發(fā)了一種新式螺旋驅(qū)動(dòng)型管道機(jī)器人，可應(yīng)用于復(fù)雜管道內(nèi)的檢測(cè)作業(yè)[14]。該機(jī)器人本體與傳統(tǒng)螺旋驅(qū)動(dòng)機(jī)器人相類(lèi)似，見(jiàn)圖7。創(chuàng)新點(diǎn)為增加了連接單元，可以連接兩個(gè)以上的機(jī)器人本體組成一個(gè)系統(tǒng)。其中，連接單元包括三個(gè)伺服電機(jī)。一個(gè)電機(jī)用于改變本體運(yùn)行方向，同時(shí)另兩臺(tái)電機(jī)用于彎曲機(jī)器人本體，見(jiàn)圖8。組合機(jī)器人可在復(fù)雜管道內(nèi)行進(jìn)。

圖7　單個(gè)機(jī)器人本體

圖8　由連接單元串聯(lián)一起的組合機(jī)器人

實(shí)驗(yàn)證明該機(jī)器人具有很強(qiáng)的管道適應(yīng)性，無(wú)論是面對(duì)垂直、水平管道，還是彎管、支管。同時(shí)其適用的管道變徑范圍為180～220 mm。但是組合機(jī)器人如何自動(dòng)識(shí)別管道支路位置，連接單元內(nèi)的三個(gè)伺服電機(jī)如何協(xié)調(diào)工作都需要復(fù)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(jī)器人在復(fù)雜管道內(nèi)的適應(yīng)性，各國(guó)科研學(xué)者的最新研究成果。但總的來(lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)外管道機(jī)器人的研究還處在發(fā)展改進(jìn)階段，距離成熟的市場(chǎng)化應(yīng)用還存在很大距離。大多數(shù)開(kāi)發(fā)出的管道機(jī)器人僅適用于特定的作業(yè)環(huán)境，通用性不強(qiáng)。

隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)和自動(dòng)控制水平的提高，管道機(jī)器人將會(huì)更廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)，同時(shí)也面對(duì)更多的挑戰(zhàn)。除了上文提到的垂直管道、復(fù)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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式中，螺旋驅(qū)動(dòng)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(fù)載能力低、越障性差等。因此，未來(lái)仍需要我們研究新式的行走機(jī)構(gòu)來(lái)滿(mǎn)足不同的實(shí)際要求。如北京信息科技大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種輪腿配合式管道機(jī)器人[15]，結(jié)合了輪式和腿式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)管道內(nèi)部無(wú)障礙物時(shí)，選擇驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的輪式移動(dòng)方式，使機(jī)器人快速進(jìn)行管道內(nèi)作業(yè)；當(dāng)機(jī)器人遇到障礙物時(shí)，選用靈活性、越障性更好的腿式移動(dòng)方式，跨越障礙。

2)能量供給。管道機(jī)器人以電能驅(qū)動(dòng)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(shí)間短，要么負(fù)載過(guò)重，都不適宜長(zhǎng)距離復(fù)雜構(gòu)造管道內(nèi)的行進(jìn)。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(yáng)能、流體自發(fā)電的系統(tǒng)會(huì)是未來(lái)研究重點(diǎn)。

3)通信方式。常規(guī)的線(xiàn)纜通信不適用于長(zhǎng)距離或是復(fù)雜管道內(nèi)。而能夠做到有效克服金屬管道屏蔽影響的無(wú)線(xiàn)通信將會(huì)是未來(lái)管道機(jī)器人通訊的發(fā)展趨勢(shì)。

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

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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?yàn)楣艿罊C(jī)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)