智能管道巡检机器人发展现状研究

智能管道巡检机器人发展现状研究

张庆彬 康梓烨 高源 赵明 王悦 魏文琪 郭乃寧 刘春宇 赵文恒 孙浩 孙继樊 改佳凝 徐飞（通讯作者）

沈阳工业大学

摘要:管道道智能巡检机器人在石油工业和城市水系统等领域的应用日益增加，本文对智能巡检机器人的应用和发展进行了简述，然后，对我国智能管道巡检机器人的应用现状进行分析，并对国外智能管道巡检机器人的应用现状进行分析，然后，对管道机器人的应用及发展趋势进行了研究和阐述，最后，对管道机器人发展存在的问题进行了探讨。本文对智能管道巡检机器人发展现状研究对智能管道巡检机器人的后续研究者提供了一定的理论参考。

引言

在现代社会，各种管道已经遍布我们生活环境的各个角落。作为能源和其他物质的运输通道，给我们的生活带来了极大的便利和巨大的经济效益。但同时也产生了一系列问题，管道在使用过程中总会存在老化、腐蚀、堵塞等问题，而且大量管道不是人可以直接接触的，这就给管道的检测和维护工作带来了很大的困难。为了进行管道的检测和维护，传统的挖掘方法和随机抽样的方法，存在工作量大和效率低等缺点。

管道机器人的研究与应用，有效的解决了这一问题。管道机器人综合了多种传感器、智能移动载体、作业装置和无损检测等技术,凭借其自身优势可以完成对管道的检测和维护。这极大地提高了管道检测和维护的工作效率。

国外对管道机器人的研究起步较早，20世纪四五十年代，国外就开展了对管道机器人的研究，已取得了一些成果。90年代后。国内也相继开展了对管道机器人的研究，已基本达到了实际应用的水平[1]。管道机器人按其行走方式主要可以分为轮式、履带式、蠕动式、多足式等。按能源供给方式可以分为拖缆管道机器人和无缆管道机器人。

本文将对已有智能巡检机器人应用现状进行综合分析，对智能管道巡检机器人的应用和发展现状进行分析，对智能管道巡检机器人在使用中存在的问题进行探讨。

一、智能巡检机器人简述

随着科技的不断发展，智能巡检机器人正逐渐成为各领域的得力助手。它们具备高度的智能化和自主化能力，能够在各种复杂环境中进行高效、精确的巡检任务，从而大大提升了工作效率和安全性。

智能巡检机器人是将多种现代传感设备融为一体的高科技巡检设备，它们是能够通过远程操控或是自主移动的智能化机器。智能巡检机器人是为了巡检特定 设备的运行状态所设计的具有针对性地可以编程与人工操控遥感的高科技智能机器[2]。为了满足不同类型工作的现实需求，目前出现了与之相匹配的不同类型智能巡检机器人，其中包含了管道巡检机器人、变电站巡检机器人、输煤巡检机器人、地面巡检机器人和线路巡检机器人等。这些机器人的工作职能是辅助或替代人工完成人工不方便巡检的场合，比如管道、发电厂、变电站及解压槽等用电或发电场所的巡视检测。而管道内智能巡检机器人的主要作用就是辅助或是替代人工完成并解决管道内重复、繁琐的工作以及存在的各种问题，降低人工劳动强度。目前，关于智能巡检机器人的大量实践研究也对智能机器人的应用效果与未来良好发展前景进行了验证。

在巡检机器人基础上研发的智能管道巡检机器人具有极高的智能化功能，其中包含了卫星导航定位技术功能，智能巡检机器人自身可以搭载包含红外热像仪、高清摄像头和超声传感器多种高科技设备及其他一些辅助功能的模块，还具备了定位、动力、安全防护、通信和控制等诸多机器模块单元，具有超长的工作续航能力和恶劣环境的适应能力。这些优势可以使巡检机器人更多代替人工开展特殊区域的管道巡检工作，有效降低了工作人员的巡检工作强度和安全。

大部分的智能巡检机器人在其设计上均采用四轮驱动模式，方便机器人地快速移动，另外，作为智能巡检机器人还具备较强的环境适应能力，可以实现恶劣地区线路的巡视工作，并对周围的环境进行360°无死角的检测，进一步提高了巡检工作质量。输煤廊道采用的无轨道巡检机器人，可以对输煤廊道的实际运输情况充分、全面的了解，对巡检轨道位置的合理设计与科学安装，保障了物料可以在规定时间能完成有效的运输。

二、智能管道巡检机器人的应用现状分析

1、我国智能管道巡检机器人的应用现状分析

我国智能管道巡检机器人的发展迅速。沈阳自动化研究所和日本立命馆大学联合研制了一种具有轴向和轴向探查功能的螺旋式管道机器人，提高了管道缺陷检测的准确率和探测效率，解决了螺旋式管道机器人携带电缆易发生缠绕的问题。该管道机器人采用了可变约束驱动机构，利用单台电机可以控制机器人的所有动作。同时其驱动机构采用了弹性元件，使其驱动轮可以在周向方向上压缩，具有一定的适应管径变化的能力。

哈尔滨工业大学邓宗全教授设计了一种三轮腿式的管道机器人。该管道机器人通过电机带动滚珠丝杠主动调节轮腿的开合，以达到在行走过程中适应管径变化的目的。这种调节方式可以使轮腿有较大范围的开合，适应管径的范围增大，但其主动调节存在一定的误动作。驱动系统方面，三轴差速器的设计可以自动分配驱动轮末端的转速，而不改变输出力矩的大小，使管道机器人可以适应管道在弯道处曲率的变化，减小功率损失

，提高了管道机器人的机械自适应能力。

上海交通大学利用SMA材料开发了一款管道蠕动机器人，该机器人整体呈正方形，边长为35mm，由12根蠕动元件组成，重量约19.5g。通过控制机器人的12根蠕动元件可以使机器人具有12个自由度，轻易的完成上、下、左、右全方位的运动，适合于L型和T型管道较多的场合。但依靠蠕动元件作为驱动机构，行走速度受到了很大的限制，该机器人的速度仅为15mm/min，且控制较复杂。

北京石油化工大学结合仿生学设计了一种类似于蝎子的管道机器人。该管道机器人模仿蝎子身体的结构和运动方式，可以轻松越过一定的障碍，而且具有蝎子独有的反射结构简单的特点，使得机器人的控制相对简单。这种多足的管道机器人增加了机器人的自由度，可以选择最佳的姿态在管道中行走，可以在不规则变化的管道内应用。这种管道机器人主要通过足的协调配合实现越障，随着行走足的增加，协调控制的难度也会增加。此外，行走速度较慢，驱动效率不高。

广东工业大学研制了一种能源自给式机器人，机器人既可以靠流体的推动力进行运动，也可以把流体的能量转化为电能储存起来。管道机器人的牵引部分像一把雨伞一样，流体介质作用在伞面上，提供推力。通过调节伞面在管道截面上投影面积的大小，可以调节管道机器人的速度。当机器人靠固定机构固定在管道内的某一位置时，流体会推动发电机工作，将流体的能量转化为电能储存起来。

2、国外智能管道巡检机器人的应用现状分析

美国早期研制的防水管道检测机器人 P350 Flexitrax采用轮子作为行走机构，具有一定的灵巧性。其采用模块化的设计思想，机器人的本体和驱动轮应用了独立设计的方法，驱动轮可以自由更换，通过更换不同的驱动轮可以实现适应不同的管径和工况。但其更换一种驱动轮只能适应一种工作环境，使用效率不高。该管道机器人主要用于水下管道的检测，通过前端携带的高清CCD摄像机和 LED灯可以清晰的检测管道内的情况。

加拿大Inuktun Services公司设计了 Versatrax系列管道机器人用于管道内部检测，其中有一款履带式管道机器人。该管道机器人采用履带作为行走机构，驱动力较大，两侧的履带成一定的夹角布置，通过调节夹角的角度可以改变管道机器人周身尺寸的大小，以适应不同的管径。缺点是不能实时的根据管径的变化调整行走机构夹角的大小，同时，履带式的管道机器人一般只能适应大管径的管道。

韩国的研究者设计了一种多体合作式的管道机器人collaboration-type。这种管道机器人采用周向均匀分布的三组履带作为行走机构，电机布置在一组履带中间直接通过齿轮驱动履带。每组履带通过可变形连杆机构与本体相连，在弹性元件的作用下保证了履带与管壁之间的压力。该管道机器人的另一个设计优点是采用多体组合的方式通过弹簧连接，可以提高管道机器人的拖动力。

2000年，德国成功研制了一种六关节管道机器人MAKRO。该管道机器人的头部和尾部是两个完全相同的单元体，中间由四个相同的单元体连接而成，每个单体之间由3个电机独立驱动，共具有21个自由度，可以轻易实现管道机器人的前进、后退、越障和转弯运动,适应较小的管道。该管道机器人依靠其多自由度的结构，以蠕动的方式运动，其运动速度较慢。

西班牙学者基于Gough-Stewart并联机构研制了一种攀爬式管道机器人机器人。该机器人主要由上下两个环形平台和6个连杆组成，以类似于6-UPS并联机器人的连接结构，增加了机器人的自由度，使其具有高强度、重量轻的优点，可以提高其运动效率。其通过环形平台上均匀布置的气动元件压紧管壁，实现在管道内的爬行运动。

德国慕尼黑大学开发了一种多足爬行管道机器人MORITZ。该机人是整体呈一个4自由度的杆状结构，对称的分布着8个爬行足。该机器人长为0.75m，宽为0.6m，高为0.6m，重为20kg。该机器人可以在复杂的管道内平稳行走，具有一定的越障能力，但对于弯道的通过性较差且存在移动速度缓慢，驱动效率低，控制复杂等不足。

日本设计了一种靠电池作为其动力的管道机器人KANTARO。该管道机器人结合了其它管道机器人的一些优点，四个驱动轮独立驱动增加了其运动的灵活性。机械结构与控制系统分开设计，实现了模块化的思想。通过其自身携带的摄像传感系统，可以捕捉周围的工况，实现自主化的导航运动，不仅能适应不同的管径，对于各种L型和十字型的管道也有良好的通过性，且不需要拖缆，减小了负载损失。

三、管道机器人的应用及发展趋势

1、管道机器人在包装领域中的应用

在各类包装所用的管类产品对精度要求比较高，因此在加工和使用过程中需要精确检测。管道机器人直线位移精度能达到几微米，这样可以及时检测到管道的缺陷。有些管道形状复杂或者长度较长，给检测带来了一定难度，现在可以

使用微型管道机器人轻松解决问题。

2、管道机器人在石油工业中的应用

管道机器人技术在油气管道技术中是长期以来研究的热点。管道机器人技术是融合了多种先进技术的机电一体化装置，给油气运输提供了便利。管道机器人在人类无法工作的环境工作，在运输油气中能够方便、快捷地轻松检测与监控。但我国幅员广阔南北温度跨度大，管道机器人的应用还处于上升期，仍然存在很多问题。随着石油工业的发展，油气管道机器人的技术水平正在提高，将逐渐改进技术上的不足。

3、管道机器人在飞行器领域的应用

航天技术领域可以利用管道机器人的运动使模拟实验轻松简化。球形飞行器主要是利用一定气体的喷射使管道机器人浮在管道内移动。管道机器人在球形飞行器的运动模拟可以得到运动参数及状态，为航天技术的实验提供了便利。管道机器人在球型飞行器的应用与实践能够验证球形管道机器人的可行性，为实验模拟奠定了基础。

4、管道机器人在城市排水领域的应用

在城市排水管道的排水量逐渐变大，管道由于工业垃圾废物进入排水管道中会形成堵塞或者腐蚀，因此应该及时进行清理、疏通管道。管道机器人可以进入地下管道完成一定的管理、养护、维修、疏通等任务。

四、管道机器人发展存在的问题

1、能源供给问题

传统管内机器人常用的能源供应为有缆方式，拖缆摩擦并没有太多影响机器人行走。但对于距离遥远且管道不平整时运输石油和天然气等场合，管道机器人显然是存在问题的。所以开发管道机器人具有现实意义必须首先解决能源长距离供应的问题。

2、可靠性问题

石油天然气管道是很重要的能源命脉，在一定程度上影响人们生活工作。对于现有的大口径管道，管道一旦出现问题与事故会直接影响国家的经济效益。但管道线路长不容易检测与监控，因此，管道机器人在管道内工作时，管道机器人运行的可靠性一定要保证。

3、位置识别与越障能力

常规管道机器人通常使用与驱动轮连接的光电码盘构成闭环控制，从而来实现检测。但管道机器人在一些复杂的管道内，由于管内的信号的屏蔽或者管壁光滑程度的影响，在输送反馈信号等一系列信号时形成的阻碍对于管道机器人的工作带来极大的影响，有时候甚至导致管道机器人停止工作[3]。在管道内的管道一般不是光滑笔直的，因此需要管道机器人有一定的越障能力。因此，设计出能投入生产使用的管内机器人必须考虑管道机器人感应识别与越障能力。

4、控制系统的自制

现有的管道机器人的研究与使用局限在管内运动和检测。而在工程中的运动、检测、修复一体化的环节还没有实现完善，因此还要考虑管道机器人控制系统自制完善自我修复功能，相信在科学技术飞速发展下，管道机器人自制一体化会逐渐完善与进步。

参考文献

[1]张秀丽，一种小型管道检测机器人[J].机器人，2001 （10）：67-69.

[2]甘小明.管道机器人的发展现状[J].机器人技术与应用，2003（5）：11-13.

[3]王永雄.管道机器人控制导航和管道检测技术研究[D]. 上海：上海交通大学，2012（5）.