凌張偉，繆存堅(jiān)，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(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)期服役過(guò)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(zhǎng)期使用過(guò)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(wèn)題，變得越來(lái)越重要。 因此，管道的檢測(cè)和維護(hù)成了工業(yè)生產(chǎn)中的一道難題。傳統(tǒng)的管道檢測(cè)方法有全面挖掘法、 隨機(jī)抽樣法等，這些方法均存在工程量大、 準(zhǔn)確率低等缺點(diǎn)。

管道檢測(cè)機(jī)器人是針對(duì)油氣輸送工業(yè)管道的檢測(cè)、 噴涂、 接口焊接、 異物清理等維護(hù)檢修作業(yè)而研制的一種特種機(jī)器人，它綜合了智能移動(dòng)載體技術(shù)和管道缺陷檢測(cè)技術(shù)[1-3]。 這類(lèi)機(jī)器人能進(jìn)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(jī)、 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(jī)械手等，在操作人員的遠(yuǎn)距離控制下完成缺陷檢測(cè)、 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(jī)器人是一種特殊的管道機(jī)器人，其能夠針對(duì)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(duì)策，從而順利通過(guò)這些復(fù)雜環(huán)境[4-7]。 變徑機(jī)器人是管道檢測(cè)機(jī)器人領(lǐng)域的一大創(chuàng)新，利用機(jī)器人攜帶各類(lèi)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(dòng)化水平的重要手段，也是國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域一個(gè)重要的發(fā)展方向。 本研究介紹了工業(yè)焊管內(nèi)檢測(cè)機(jī)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(diǎn)，探討了工業(yè)焊管機(jī)器人的發(fā)展前景。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

管道檢測(cè)機(jī)器人是集無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、 機(jī)器人控制技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)、 數(shù)據(jù)分析和處理等多項(xiàng)技術(shù)于一體的實(shí)用化工程。 國(guó)外關(guān)于管道檢測(cè)機(jī)器人的研究始于20 世紀(jì)40 年代，由于70 年代微電子技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)、 自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，國(guó)外的管道檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)于90 年代初得到了迅猛發(fā)展，研制了許多實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，取得了大量的研究成果，正逐漸接近于應(yīng)用水平。 管道機(jī)器人按運(yùn)動(dòng)方式一般可將其分為介質(zhì)壓差式、 輪式、 螺旋驅(qū)動(dòng)式、 履帶式、 蛇行式、 蠕動(dòng)式、 多足爬行式等。

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

圖1 高分辨率超聲管道在線檢測(cè)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(jī)器人，如圖2 所示。 機(jī)器人安裝有三個(gè)雙排行走輪，其中一個(gè)為主動(dòng)輪，兩個(gè)為從動(dòng)輪，通過(guò)兩并行的四桿機(jī)構(gòu)和預(yù)緊彈簧實(shí)現(xiàn)機(jī)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(cè)機(jī)器人，機(jī)器人的六組驅(qū)動(dòng)輪由獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，前后兩單元由轉(zhuǎn)向角度可控的關(guān)節(jié)連接，通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪的速度和關(guān)節(jié)角度使機(jī)器人能夠順利通過(guò)彎管和“T” 形管。

美國(guó)紐約煤氣集團(tuán)公司DAPHNE D’ ZURKO和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)HAGEN SCHEMPF[11]開(kāi)發(fā)了用于地下煤氣管道檢測(cè)的管道機(jī)器人系統(tǒng)Explorer，如圖4 所示。 機(jī)器人自攜電池，采用無(wú)線通訊方式，一次作業(yè)距離可達(dá)500 m，可通過(guò)90°彎管和 “T” 形管道，利用機(jī)器人前端的 “魚(yú)眼” 攝像頭對(duì)煤氣管道的內(nèi)部狀態(tài) （如阻塞、 積水等現(xiàn)象） 進(jìn)行觀察。

圖2 具有管徑適應(yīng)能力的管內(nèi)機(jī)器人

圖3 LIM H 等研制的管內(nèi)機(jī)器人

圖4 Explorer 管道檢測(cè)機(jī)器人

國(guó)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(lèi)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)原理，研制了適用于管道內(nèi)徑為15～20 mm 的一種新型蠕動(dòng)式微小管道機(jī)器人，如圖5 所示。 機(jī)器人前、 后部分為支撐單元，實(shí)現(xiàn)與管壁的自主鎖止，中間部分為驅(qū)動(dòng)單元，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的蠕動(dòng)爬行，單元之間用微型十字換向節(jié)連接。 該機(jī)器人具有大牽引力、 快速、長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)等特點(diǎn)。

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所李鵬[13]等研制了一種采用螺旋驅(qū)動(dòng)，具有管徑自適應(yīng)和速度自適應(yīng)功能的管內(nèi)探測(cè)機(jī)器人，如圖6 所示。 機(jī)器人長(zhǎng) 226 mm，最大外徑 205 mm，最小外徑175 mm，質(zhì)量為1.95 kg，該機(jī)器人采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在管徑變化時(shí)可通過(guò)管徑自適應(yīng)機(jī)構(gòu)越過(guò)障礙；當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，可通過(guò)速度自適應(yīng)機(jī)構(gòu)使機(jī)器人能夠在一定范圍內(nèi)適應(yīng)環(huán)境變化。同時(shí)，為避免機(jī)器人遭遇故障而無(wú)法前進(jìn)，研制了相配套的自救機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行救援。

圖5 自主鎖止蠕動(dòng)式微小管道機(jī)器人

圖6 具有環(huán)境自適應(yīng)能力的管道機(jī)器人

2 變徑機(jī)器人技術(shù)難點(diǎn)分析

經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，國(guó)內(nèi)外在管道機(jī)器人尤其是變徑機(jī)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(dòng)形式的管道機(jī)器人產(chǎn)品或樣機(jī)。 管道機(jī)器人被多數(shù)大中型油氣輸送管道作業(yè)所采用。 在實(shí)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(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行變徑調(diào)節(jié)。

在國(guó)內(nèi)外管道機(jī)器人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)工業(yè)管道內(nèi)檢測(cè)的應(yīng)用特點(diǎn)，提出了可變徑內(nèi)檢測(cè)管道機(jī)器人在變徑技術(shù)方面存在的技術(shù)難點(diǎn)：

（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(shí)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 設(shè)計(jì)方便，但各驅(qū)動(dòng)模塊牽引力難以保持一致；采用主動(dòng)變徑方式，則機(jī)器人在未知管道參數(shù)的環(huán)境中實(shí)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(jī)械自適應(yīng)功能的管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元，其能夠根據(jù)管內(nèi)的幾何信息就可實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整各驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，這將對(duì)提高管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)效率具有重要意義。

（2） 越障技術(shù)。 在變徑管道機(jī)器人通過(guò)管路時(shí)，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(huì)有小范圍的變動(dòng)，因此，變徑管道機(jī)器人必須有一定的調(diào)節(jié)能力，能自動(dòng)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(kāi)發(fā)的柔性滑動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠允許平行四邊形機(jī)構(gòu)在小范圍內(nèi)擺動(dòng)，進(jìn)而調(diào)高機(jī)器人的越障能力。

（3） 控制技術(shù)。 變徑管道機(jī)器人在管道內(nèi)壁的爬行是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，機(jī)器人對(duì)管道內(nèi)壁的壓力也在動(dòng)態(tài)變化。 可通過(guò)采集3 個(gè)履帶模塊對(duì)管壁的壓力，確定機(jī)器人處于何種姿態(tài)和位置，例如壓力同時(shí)增大，表明機(jī)器人正在從大徑管道向小經(jīng)管道過(guò)渡，反之說(shuō)明機(jī)器人正在從小徑管道向大徑管道過(guò)渡；在通過(guò)彎管時(shí)，外側(cè)的壓力會(huì)大于內(nèi)測(cè)的壓力。 可以以此來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人的姿態(tài)位置閉環(huán)控制系統(tǒng)、 驅(qū)動(dòng)差速機(jī)構(gòu)以及變徑機(jī)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(cè)機(jī)器人技術(shù)，因此，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部件、 通信之間的聯(lián)系要求較高。 建立后的機(jī)器人技術(shù)，能夠使機(jī)器人在多種不同管徑的管道內(nèi)自由行走，具有良好的運(yùn)動(dòng)性能。

3 結(jié) 論

（1） 研究變徑機(jī)器人在內(nèi)的管道檢測(cè)機(jī)器人，對(duì)壓力管道內(nèi)檢驗(yàn)檢測(cè)與作業(yè)的自動(dòng)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(yàn)檢測(cè)的重要發(fā)展方向。

（2） 從總體技術(shù)水平來(lái)看，管道機(jī)器人尤其是變徑機(jī)器人的研制和開(kāi)發(fā)在國(guó)內(nèi)外都得到了長(zhǎng)足發(fā)展，但距離大規(guī)模實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化還有一定距離，特別是針對(duì)彎管、 變徑管、 “T” 形管道等復(fù)雜情況下的檢測(cè)需求。

（3） 變徑機(jī)器人除了要解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 變徑方法、 動(dòng)力學(xué)分析等方面的問(wèn)題外，還需要在越障能力、 運(yùn)動(dòng)控制以及系統(tǒng)集成等方面開(kāi)展研究，才能更好地應(yīng)用到工程實(shí)際中，最終體現(xiàn)其重要的產(chǎn)業(yè)化與社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。