前言：本站為你精心整理了管內機器人的探究與發展態勢范文，希望能為你的創作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

摘要：近年來管道在人們生活以及工業生產中被使用的越來越廣泛，與此同時，管道故障所帶來的問題日益突顯，對國內外關于管道機器人的研究進行介紹，敘述了管道機器人的發展歷程，以及近年來國內外管道機器人的發展方向和成果。通過國內外的研究成果對各種類型的管道機器人的結構特性以及其應用領域作了介紹，并對管道機器人的未來發展進行了展望。

關鍵詞：管內機器人；行走方式；檢測與維修

近些年來，為保障國家的能源消費，我國油氣管網建設快速發展，先后開辟多條油氣戰略通道。然而，隨著使用時間的增加，管道逐漸老化或腐蝕就會產生裂紋、穿孔、截面積減小等問題。而管道的檢測、運維和安全對我國經濟建設發展和人民生活質量的影響也日益明顯。因此，管道機器人的檢測和維護技術的研究就顯得尤為迫切。管道機器人的研究早在上世紀50代就已經開始了，而得益于快速發展的自動控制技術和計算機技術，管道機器人的研究很快進入了快車道并迅速投入生產和實際應用。目前，無論是在石油、天然氣、化工、核設施等傳統工業領域，還是城市水管道、油煙管道以及生物醫藥領域都出現了管道機器人的應用場景，管道機器人可以說是無處不在。在滿足了檢測、建設、維護維修等方面對管道機器人的需求的同時，也推動了管道機器人的理論研究快速發展。由此可見，管道機器人的發展必將越來越快。

1管道機器人發展概況

西方國家對管道機器人的研究起步最早，其中發達國家在該領域內研究最早，處于世界領先地位，相關研究工作成果較多，且已經有了很高的實際應用水平。而國內對于管道機器人的研究發展起步雖然較晚，但在上海交通大學、清華大學、哈爾濱工業大學等一批國內頂尖大學和研發機構的努力下，我國在管道機器人領域的技術研究發展迅速［1－2］。

1．1國外研究現況

國外對于管道機器人的研究在上世紀50年代已經開始。隨著西方發達國家工業化的發展，由于石油、天然氣管道的檢測和維護需求增加，對管內機器人的需求也飛速增加。法國的J．VERTUT于1978年研制的輪腿式管內行走機構模型IPRIV，雖然結構簡單、功能單一，但卻實現了管內的自主行走，對管道機器人的發展產生了深遠影響［3］。隨著計算機技術、傳感器技術、通信技術以及控制理論的快速發展，從20世紀70年代到90年代初期，國外管道檢測機器人的研究發展迅速，并逐漸開始投入實際應用［4］。進入21世紀，微機電系統和微驅動器的出現以及材料技術研究的進步，導致微小管道機器人的研究熱潮逐漸興起［5］。19世紀70年代，美國管道運輸發展迅速，極大提升了美國對管道檢測設備的研究需求。1962年，美國Knapp公司和Girard公司研制出了用于管道清洗的機器人“管道豬”———PIG［6］。PIG是早期最具代表性的管內清理檢測設備，它沒有自主驅動能力，其在管內前進的動力均來源于其頭部和末端流體的壓力差，也無需拖帶電纜或攜帶蓄電池來進行驅動，一次可以行走幾百公里。隨著技術的不斷進步，該類型機器人逐漸發展為集管道腐蝕、變形、裂紋檢測與定位以及管道測繪于一體的智能管道豬。美國Tuboscope公司研制的漏磁檢測智能清管器，開啟了管道智能檢測的新時代。20世紀80年代，超聲波檢測智能清管器出現。圖1智能管道豬世界上第一臺工業機器人在1962年由美國首先研制出來。美國的研究基礎雄厚，技術先進，已經擁有了包括智能管道豬在內的眾多成熟管道機器人產品，是世界上機器人技術最強的幾個國家之一。2001年，美國卡內基梅隆大學的HagenSchempf博士與紐約煤氣集團公司的DaphneD’Zurko合作研發了一款用于遠距離工作的無纜線管道機器人EXLORER，該管道機器人專門用于煤氣管道的檢測，能通過90°彎管和“T”形管的復雜管道。1998年，德國H－B．Kuntze等人研制出了一款采用四輪獨立伺服驅動的管道檢測機器人。該機器人可以采用拖纜來進行系統供電和控制，單次檢測作業的距離在400m以上。適用于排水管道和燃氣管道的檢測評估。2000年，德國的BemhardKlaassen、HermannStreich與FrankKirchner完成了MAKRO系列模塊化多關節管道檢測機器人的研制。機器人采用了模塊化設計，各個模塊采用輪式驅動，而頭部與尾部模塊完全相同，各個模塊之間用萬向鉸鏈連接，通過3個電機來驅動，從而實現機器人各個關節的運動，來完成越障以及轉向的任務。該管道機器人的難點在于整機的控制，作為一個擁有21個自由度的機器人，每個自由度的協調控制都會影響到運行的可靠性。MAKRO可以適應直徑300～600mm的管道MAKRO適用于直徑300～600mm的管道［11］。加拿大Inuktun公司研制出的Versatrax系列管道機器人，是國外現有的成型管道機器人中十分成功的一款機器人。目前已經推出了Versatrax150TM的下一代機型MarkII。Mark繼承了Versatrax150的履帶式布局，同時擴展了Versatrax150的性能。MarkII可檢測管道最小管道直徑為150mm，電纜范圍增加到1000米，并且支持更換更長的電纜［12］。

1．2國內研究現況

國內在管道機器人方面的技術研究起步較晚，我國的管道機器人的發展水平與國際水平仍存在一定的差距。但隨著我國工業的飛速發展，對各類特種機器人的需求不斷增加，國家對特種機器人也日益重視，目前已經有了長足的進步。在國內一批高校和科研院所的共同努力下，我國在管道機器人領域的研究成果豐碩，發展迅速。在管道機器人領域有較多的研究成果的有上海交通大學、哈爾濱工業大學、上海大學等一大批院校和科研機構。哈爾濱工業大學的鄧宗全教授及其團隊在管道機器人領域的研究成績尤其突出。該團隊最早于1987年就開始了對管道機器人的研究，在國家“863”計劃的支持下，在1996年成功開發出適用于660mm管徑，用于進行對接焊縫野外工業X射線檢測的管道機器人［13－14］。2000年開始，針對輪式管道機器人的機械結構、管內作業適應性以及控制算法等方面進行了系統的研究，并開發設計了一種三軸差速器，可用于三臂支撐式的管道機器人。從2000年至今，該團隊在管道機器人的結構、驅動、控制、通訊方面產出了大量研究成果，為我國管道機器人領域的研究發展做出了突出貢獻［15－16］。上海交通大學的顏國正教授及其團隊最早開始關于管道機器人的系統研究，成果也最多。該團隊自1998年開始研制一種由電磁驅動的微小型管道機器人。該機器人結構簡單、尺寸較小，僅7mm。通過激勵脈沖的時序和頻率來進行控制，控制簡便且較靈活。十分適合在類似人體腸道、食道的狹小管道中作業［17］。自2003年起，顏國正教授的團隊對煤氣管道機器人進行了一系列的研究，完成了幾代煤氣管道機器人樣機［18］。從2010年開始，該團隊又進行了對關節履帶式檢測機器人的模塊化研究［19］。2005年，上海交通大學研發出一款基于SMA驅動的正方體型的微小型蠕動式管道機器人，該機器人由12組SMA直線驅動蠕動單元構成，外形為正方形，如圖5所示。該管道機器人的結構尺寸為35mm×35mm×35mm，可在直徑2英寸的管道內實現蠕動行進，最大速度是10mm／min，用12個由SMA和偏置彈簧構成的驅動源進行驅動，利用電阻反饋進行控制。該管道機器人通過模仿肛腸動物的行走方式運動，使其可在直管、直角彎管還有大曲率半徑等復雜管道中爬行［20］。上海大學在微小型管道機器人方面的研究成果較多，其中孫麟治團隊和章亞男團隊成績斐然。孫麟治團隊研制出了一種壓電式電磁驅動微型管道機器人，并對對該機器人的結構特點和運動特性進行了分析研究。該機器人具有體積小、結構簡單、控制方便的優點。該機器人可以在直徑20mm金屬管內爬行，具有垂直爬坡能力和一定的管徑適應能力，但機器人的運動速度和運動穩定性有待提高［21］；章亞男團隊研發了一種以適應管徑變化為目標的新型管道機器人，闡述了該管道機器人的機械結構與工作運行的原理，然后對該機器人進行了運動學與靜力學研究分析。該機器人使用沿圓周均布的三個行星輪系來實現爬行與調控徑向尺寸的功能。其特點是對于不同管徑變化的管道可以自動調控徑向尺寸，因此能在直徑發生變化的管道中爬行。經過試驗驗證，該管道機器人完全能夠實現自適應管徑的目標。

2存在的問題

1）能源供給問題。傳統管內機器人常用拖纜作為能源供應方式，而拖纜摩擦機器人對于長距離輸送或管道不平整時，管道機器人帶纜行走顯然存在問題。因此能源的長距離供應是管道機器人開發應首先解決的問題。

2）可靠性問題。石油、天然氣管道是國家國民經濟的重要能源命脈，而各類城市管道也早已深入人們的生活中。管道一旦出現問題與事故，將直接威脅到人民的生命財產安全，乃至影響國計民生。但能源輸送管道線路長，城市管道復雜，都不易于檢測與監控。因此，管道機器人在管道內工作時的穩定可靠性必須得到充分保證。

3）定位與越障能力。常規管道機器人一般使用光電碼盤與驅動輪連接來進行控制，從而實現檢測。但在復雜管道內，管內信號受電磁屏蔽或管壁光滑程度影響，會在輸送反饋信號時形成阻礙，有時甚至會導致管道機器人宕機。這對管道機器人工作的時效性和安全性帶來了極大的隱患。因此，管道機器人設計中，管道機器人的感應識別與越障能力是十分必要的。由于管內可能存在凸臺、碎石、沉積物、管溝等障礙，因此需要機器人能夠裝備攝像機、感應器等檢測設備或清潔設備，以在管內實現進退、轉彎、越障、定位、導航等功能。

4）檢測、修復一體化。管道機器人的研究與使用還存在局限，即工程中的運動、檢測、修復的一體化還沒有完善，管道機器人控制系統的自制完善和自我修復功能也還有待加強開發。

3展望

1）自主行走能力。不斷成熟的人工智能技術，推動了智能機器人的飛速發展，而智能管道機器人已成為當前的研究熱點。智能機器人是以智能控制算法作為運作核心的，因此合適的智能控制算法是智能機器人研究的關鍵技術。智能管道機器人的自主性可以得到飛躍性的提升，從而提高檢測效率和檢測質量。

2）智能圖像處理。快速發展的圖像處理技術使得管道機器人的檢測能力進一步提高，而該項技術的廣泛應用可以使管道機器人適應更廣泛多樣的應用場景，如管內缺陷可通過對拍攝圖像的處理，可以獲得管內缺陷更為具體清晰的數據，并進行針對性的修復處理。在機器人的行進過程中，圖像信息的智能處理可為機器人的管內操作提供便利。通過智能圖像處理，機器人能快速識別前方障礙、破損等，為其行進路線的規劃、管內檢測作業提供良好的條件。

參考文獻

［1］王耀華，左仁貴．國內外微小管道機器人的研究現狀［J］．機械設計，2010，27（12）：1－5，17

［2］李龍輝，張體剛，高慧，等．管道機器人發展研究［J］．機械制造，2020，58（10）：5－7

［3］楊國量，清葛瓊，向忠祥，等．城市排水管道自動清淤檢測機器人設想方案［J］．中國市政工程，1998，83（4）：43－45

［4］凌張偉，繆存堅，唐萍，等．工業管道內檢測機器人及其變徑技術的研究進展［J］．焊管，2020，43（3）：31－34，40

［5］上海大學精密機械工程系．微機器人技術發展現狀［J］．機器人技術與應用，1997（6）：4－7

［6］朱喜平．天然氣長輸管道清管技術［J］．石油工程建設，2005（3）：12－16，3

［7］常玉連，邵守君，高勝．石油工業中管道機器人技術的發展與應用前景［C］∥2006年石油裝備學術研討會論文集．2006年石油裝備學術研討會論文集，2006：126－130，153

［8］陳登豐．管道豬技術在管道檢測中的應用［J］．中國鍋爐壓力容器安全，1993（5）：3－9

作者： 秦德昭  單位：上海電力大學能源與機械工程學院