管道机器人的发展现状及其趋势

摘 要：管道机器人是一种新型机器人能沿着管壁行走并携带传感器和操作设备。文章通过对管道机器人的研究，对管道机器人的发展现状及趋势做出分析。

关键词：管道机器人；发展；现状

前言

随着社会的进步机器人的使用愈来愈普及。管道机器人是一种新型机器人，可沿着管道内外行走，还能携带传感器来进行完成管道内外作业的机电一体化系统，由行走机构、信号传递、动力传输系统、内部识别检测系统、控制系统等组成[1]。

1 管道机器人的分类

1.1 按能源供给方式分类

管道机器人的分类很多可以按其能源供的给方式分：有缆以及无缆。两者的特点如表1所示。

1.2 按行走机构分类

按行走机构划分管道机器人主要有以下几种：（1）活塞移动式，原理是活塞在汽缸内的移动运动。管道机器人的外径略大于管道内径，当其经过的流体形成压力差时，形成的压力差可以克服阻力而运动，根据需要可以加上传感器。（2）蠕动移动式，其原理设计是模仿昆虫移动。在行走时，分别使左右支撑足上面与管壁接触下面通过管壁接触滚轮使蠕动丝杠左转和右转，使螺母在丝杠上左右移动。（3）履带移动式，根据履带式车辆行走的原理，采用带齿轮减速箱的直流电机驱动而形成的移动。（4）足腿移动式，是足腿压着管壁支撑主体，采用多腿在各种形状的弯管内移动，可在各种类型的管道里移动，其运动较为方便灵活。（5）滚轮移动式，行走结构是依靠滚轮驱动电机驱动，一般轮径较小会有限制，并且其越障能力也有限[2]。

随着科技的进步发展会有越来越多的类型的管道机器人设计开发使用。

2 管道机器人在国内外的发展

2.1 管道机器人在国内发展

国内在管道机器人方面的研究起步较晚。哈尔滨工业大学的邓宗全教授最先研究轮式行走的管道机器人，主要用于大口径管道的自动化检测。上海大学最先研制了细小工业管道机器人的移动探测器及集成系统可实现20毫米管道内探测。

近几年，管道机器人的形式样式与应用场合更加灵活与常见。如北京顺义区最近投入使用的智能管道机器人不仅可以自动报警与定位还可以进行监测，与人工方式比较能够提高了有限空间作业以及安全保障能力，效率也大大的提高了很多。管道机器人不但为人类生活提供了便利与方便，在重大场合也可以进行实验模拟。苏州大学五名学生发明出一种微型管道机器人，头部有摄像监测设备可深入到核电蒸汽管道检查管道的安全避免事故的发生。随着现代科技的飞速发展，许多单位开始研究管道机器人，管道机器人也是应用在许多领域并逐步完善与发展。

2.2 管道机器人在国外发展

国外开始研究管道机器人较早，1978年法国的J1VERTUT最早提出轮式管道机器人的行走机构模型。日本东京工业大学早在1993年开始研究管道机器人，他们成功研制出适用微小管道机器人。美国的工业制造业一直处于国际先列，前后有很多公司及大学制造出管道机器人。在2001年，纽约煤气集团和卡内基梅隆大学机器人学院研制出了无缆式长距离的管道机器人，这种管道机器人能够检测地下煤气管道的状况。加拿大最先成功制造出完整的双履带式管内机器人系统，履带采用刚性支承结构，其结构连接紧凑，刚性好。但这种刚性支承的履带在行走过程中会使两个履带之间的夹角无法改变，因此只适用于管径没有变化的普通作业场合[2]。

3 管道机器人的应用及发展趋势

3.1 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。

3.2 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得轻松检测与监控稳定。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，油气管道机器人的水平能够提高逐渐完善不足。

3.3 管道机器人在飞行器的应用

在航天技术的发展下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。

3.4 管道机器人在城市排水

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，减轻了危害。

4 管道机器人发展存在的问题

4.1 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，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。

4.2 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际的经济效益。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。

4.3 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。

4.4 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等。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）.

作者简介：陈奕颖（1991-），女，汉族，吉林长春，硕士研究生，机械制造技术。