管內(nèi)機(jī)器人的探究與發(fā)展態(tài)勢

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摘要：近年來管道在人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)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(nèi)外關(guān)于管道機(jī)器人的研究進(jìn)行介紹，敘述了管道機(jī)器人的發(fā)展歷程，以及近年來國內(nèi)外管道機(jī)器人的發(fā)展方向和成果。通過國內(nèi)外的研究成果對各種類型的管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特性以及其應(yīng)用領(lǐng)域作了介紹，并對管道機(jī)器人的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：管內(nèi)機(jī)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(wǎng)建設(shè)快速發(fā)展，先后開辟多條油氣戰(zhàn)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(chǎn)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(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展和人民生活質(zhì)量的影響也日益明顯。因此，管道機(jī)器人的檢測和維護(hù)技術(shù)的研究就顯得尤為迫切。管道機(jī)器人的研究早在上世紀(jì)50代就已經(jīng)開始了，而得益于快速發(fā)展的自動控制技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，管道機(jī)器人的研究很快進(jìn)入了快車道并迅速投入生產(chǎn)和實際應(yīng)用。目前，無論是在石油、天然氣、化工、核設(shè)施等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域，還是城市水管道、油煙管道以及生物醫(yī)藥領(lǐng)域都出現(xiàn)了管道機(jī)器人的應(yīng)用場景，管道機(jī)器人可以說是無處不在。在滿足了檢測、建設(shè)、維護(hù)維修等方面對管道機(jī)器人的需求的同時，也推動了管道機(jī)器人的理論研究快速發(fā)展。由此可見，管道機(jī)器人的發(fā)展必將越來越快。

1管道機(jī)器人發(fā)展概況

西方國家對管道機(jī)器人的研究起步最早，其中發(fā)達(dá)國家在該領(lǐng)域內(nèi)研究最早，處于世界領(lǐng)先地位，相關(guān)研究工作成果較多，且已經(jīng)有了很高的實際應(yīng)用水平。而國內(nèi)對于管道機(jī)器人的研究發(fā)展起步雖然較晚，但在上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等一批國內(nèi)頂尖大學(xué)和研發(fā)機(jī)構(gòu)的努力下，我國在管道機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)研究發(fā)展迅速［1－2］。

1．1國外研究現(xiàn)況

國外對于管道機(jī)器人的研究在上世紀(jì)50年代已經(jīng)開始。隨著西方發(fā)達(dá)國家工業(yè)化的發(fā)展，由于石油、天然氣管道的檢測和維護(hù)需求增加，對管內(nèi)機(jī)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(nèi)行走機(jī)構(gòu)模型IPRIV，雖然結(jié)構(gòu)簡單、功能單一，但卻實現(xiàn)了管內(nèi)的自主行走，對管道機(jī)器人的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響［3］。隨著計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)以及控制理論的快速發(fā)展，從20世紀(jì)70年代到90年代初期，國外管道檢測機(jī)器人的研究發(fā)展迅速，并逐漸開始投入實際應(yīng)用［4］。進(jìn)入21世紀(jì)，微機(jī)電系統(tǒng)和微驅(qū)動器的出現(xiàn)以及材料技術(shù)研究的進(jìn)步，導(dǎo)致微小管道機(jī)器人的研究熱潮逐漸興起［5］。19世紀(jì)70年代，美國管道運輸發(fā)展迅速，極大提升了美國對管道檢測設(shè)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(jī)器人“管道豬”———PIG［6］。PIG是早期最具代表性的管內(nèi)清理檢測設(shè)備，它沒有自主驅(qū)動能力，其在管內(nèi)前進(jìn)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(jìn)行驅(qū)動，一次可以行走幾百公里。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，該類型機(jī)器人逐漸發(fā)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(jì)80年代，超聲波檢測智能清管器出現(xiàn)。圖1智能管道豬世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人在1962年由美國首先研制出來。美國的研究基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)，已經(jīng)擁有了包括智能管道豬在內(nèi)的眾多成熟管道機(jī)器人產(chǎn)品，是世界上機(jī)器人技術(shù)最強(qiáng)的幾個國家之一。2001年，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的HagenSchempf博士與紐約煤氣集團(tuán)公司的DaphneD’Zurko合作研發(fā)了一款用于遠(yuǎn)距離工作的無纜線管道機(jī)器人EXLORER，該管道機(jī)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(fù)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(qū)動的管道檢測機(jī)器人。該機(jī)器人可以采用拖纜來進(jìn)行系統(tǒng)供電和控制，單次檢測作業(yè)的距離在400m以上。適用于排水管道和燃?xì)夤艿赖臋z測評估。2000年，德國的BemhardKlaassen、HermannStreich與FrankKirchner完成了MAKRO系列模塊化多關(guān)節(jié)管道檢測機(jī)器人的研制。機(jī)器人采用了模塊化設(shè)計，各個模塊采用輪式驅(qū)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(jī)來驅(qū)動，從而實現(xiàn)機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的運動，來完成越障以及轉(zhuǎn)向的任務(wù)。該管道機(jī)器人的難點在于整機(jī)的控制，作為一個擁有21個自由度的機(jī)器人，每個自由度的協(xié)調(diào)控制都會影響到運行的可靠性。MAKRO可以適應(yīng)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(jī)器人，是國外現(xiàn)有的成型管道機(jī)器人中十分成功的一款機(jī)器人。目前已經(jīng)推出了Versatrax150TM的下一代機(jī)型MarkII。Mark繼承了Versatrax150的履帶式布局，同時擴(kuò)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(nèi)研究現(xiàn)況

國內(nèi)在管道機(jī)器人方面的技術(shù)研究起步較晚，我國的管道機(jī)器人的發(fā)展水平與國際水平仍存在一定的差距。但隨著我國工業(yè)的飛速發(fā)展，對各類特種機(jī)器人的需求不斷增加，國家對特種機(jī)器人也日益重視，目前已經(jīng)有了長足的進(jìn)步。在國內(nèi)一批高校和科研院所的共同努力下，我國在管道機(jī)器人領(lǐng)域的研究成果豐碩，發(fā)展迅速。在管道機(jī)器人領(lǐng)域有較多的研究成果的有上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海大學(xué)等一大批院校和科研機(jī)構(gòu)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鄧宗全教授及其團(tuán)隊在管道機(jī)器人領(lǐng)域的研究成績尤其突出。該團(tuán)隊最早于1987年就開始了對管道機(jī)器人的研究，在國家“863”計劃的支持下，在1996年成功開發(fā)出適用于660mm管徑，用于進(jìn)行對接焊縫野外工業(yè)X射線檢測的管道機(jī)器人［13－14］。2000年開始，針對輪式管道機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、管內(nèi)作業(yè)適應(yīng)性以及控制算法等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并開發(fā)設(shè)計了一種三軸差速器，可用于三臂支撐式的管道機(jī)器人。從2000年至今，該團(tuán)隊在管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動、控制、通訊方面產(chǎn)出了大量研究成果，為我國管道機(jī)器人領(lǐng)域的研究發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)［15－16］。上海交通大學(xué)的顏國正教授及其團(tuán)隊最早開始關(guān)于管道機(jī)器人的系統(tǒng)研究，成果也最多。該團(tuán)隊自1998年開始研制一種由電磁驅(qū)動的微小型管道機(jī)器人。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、尺寸較小，僅7mm。通過激勵脈沖的時序和頻率來進(jìn)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(yè)［17］。自2003年起，顏國正教授的團(tuán)隊對煤氣管道機(jī)器人進(jìn)行了一系列的研究，完成了幾代煤氣管道機(jī)器人樣機(jī)［18］。從2010年開始，該團(tuán)隊又進(jìn)行了對關(guān)節(jié)履帶式檢測機(jī)器人的模塊化研究［19］。2005年，上海交通大學(xué)研發(fā)出一款基于SMA驅(qū)動的正方體型的微小型蠕動式管道機(jī)器人，該機(jī)器人由12組SMA直線驅(qū)動蠕動單元構(gòu)成，外形為正方形，如圖5所示。該管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸為35mm×35mm×35mm，可在直徑2英寸的管道內(nèi)實現(xiàn)蠕動行進(jìn)，最大速度是10mm／min，用12個由SMA和偏置彈簧構(gòu)成的驅(qū)動源進(jìn)行驅(qū)動，利用電阻反饋進(jìn)行控制。該管道機(jī)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(fù)雜管道中爬行［20］。上海大學(xué)在微小型管道機(jī)器人方面的研究成果較多，其中孫麟治團(tuán)隊和章亞男團(tuán)隊成績斐然。孫麟治團(tuán)隊研制出了一種壓電式電磁驅(qū)動微型管道機(jī)器人，并對對該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點和運動特性進(jìn)行了分析研究。該機(jī)器人具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便的優(yōu)點。該機(jī)器人可以在直徑20mm金屬管內(nèi)爬行，具有垂直爬坡能力和一定的管徑適應(yīng)能力，但機(jī)器人的運動速度和運動穩(wěn)定性有待提高［21］；章亞男團(tuán)隊研發(fā)了一種以適應(yīng)管徑變化為目標(biāo)的新型管道機(jī)器人，闡述了該管道機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作運行的原理，然后對該機(jī)器人進(jìn)行了運動學(xué)與靜力學(xué)研究分析。該機(jī)器人使用沿圓周均布的三個行星輪系來實現(xiàn)爬行與調(diào)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(diào)控徑向尺寸，因此能在直徑發(fā)生變化的管道中爬行。經(jīng)過試驗驗證，該管道機(jī)器人完全能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)管徑的目標(biāo)。

2存在的問題

1）能源供給問題。傳統(tǒng)管內(nèi)機(jī)器人常用拖纜作為能源供應(yīng)方式，而拖纜摩擦機(jī)器人對于長距離輸送或管道不平整時，管道機(jī)器人帶纜行走顯然存在問題。因此能源的長距離供應(yīng)是管道機(jī)器人開發(fā)應(yīng)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(jīng)濟(jì)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(xiàn)問題與事故，將直接威脅到人民的生命財產(chǎn)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(fù)雜，都不易于檢測與監(jiān)控。因此，管道機(jī)器人在管道內(nèi)工作時的穩(wěn)定可靠性必須得到充分保證。

3）定位與越障能力。常規(guī)管道機(jī)器人一般使用光電碼盤與驅(qū)動輪連接來進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)檢測。但在復(fù)雜管道內(nèi)，管內(nèi)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?xí)?dǎo)致管道機(jī)器人宕機(jī)。這對管道機(jī)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(jī)器人設(shè)計中，管道機(jī)器人的感應(yīng)識別與越障能力是十分必要的。由于管內(nèi)可能存在凸臺、碎石、沉積物、管溝等障礙，因此需要機(jī)器人能夠裝備攝像機(jī)、感應(yīng)器等檢測設(shè)備或清潔設(shè)備，以在管內(nèi)實現(xiàn)進(jìn)退、轉(zhuǎn)彎、越障、定位、導(dǎo)航等功能。

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

3展望

1）自主行走能力。不斷成熟的人工智能技術(shù)，推動了智能機(jī)器人的飛速發(fā)展，而智能管道機(jī)器人已成為當(dāng)前的研究熱點。智能機(jī)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(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)。智能管道機(jī)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(zhì)量。

2）智能圖像處理。快速發(fā)展的圖像處理技術(shù)使得管道機(jī)器人的檢測能力進(jìn)一步提高，而該項技術(shù)的廣泛應(yīng)用可以使管道機(jī)器人適應(yīng)更廣泛多樣的應(yīng)用場景，如管內(nèi)缺陷可通過對拍攝圖像的處理，可以獲得管內(nèi)缺陷更為具體清晰的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行針對性的修復(fù)處理。在機(jī)器人的行進(jìn)過程中，圖像信息的智能處理可為機(jī)器人的管內(nèi)操作提供便利。通過智能圖像處理，機(jī)器人能快速識別前方障礙、破損等，為其行進(jìn)路線的規(guī)劃、管內(nèi)檢測作業(yè)提供良好的條件。

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作者： 秦德昭  單位：上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院