摘 要：管道機(jī)器人是一種新型機(jī)器人能沿著管壁行走并攜帶傳感器和操作設(shè)備。文章通過對(duì)管道機(jī)器人的研究，對(duì)管道機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)做出分析。

關(guān)鍵詞：管道機(jī)器人；發(fā)展；現(xiàn)狀

前言

隨著社會(huì)的進(jìn)步機(jī)器人的使用愈來愈普及。管道機(jī)器人是一種新型機(jī)器人，可沿著管道內(nèi)外行走，還能攜帶傳感器來進(jìn)行完成管道內(nèi)外作業(yè)的機(jī)電一體化系統(tǒng)，由行走機(jī)構(gòu)、信號(hào)傳遞、動(dòng)力傳輸系統(tǒng)、內(nèi)部識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成[1]。

1 管道機(jī)器人的分類

1.1 按能源供給方式分類

管道機(jī)器人的分類很多可以按其能源供的給方式分：有纜以及無纜。兩者的特點(diǎn)如表1所示。

1.2 按行走機(jī)構(gòu)分類

按行走機(jī)構(gòu)劃分管道機(jī)器人主要有以下幾種：（1）活塞移動(dòng)式，原理是活塞在汽缸內(nèi)的移動(dòng)運(yùn)動(dòng)。管道機(jī)器人的外徑略大于管道內(nèi)徑，當(dāng)其經(jīng)過的流體形成壓力差時(shí)，形成的壓力差可以克服阻力而運(yùn)動(dòng)，根據(jù)需要可以加上傳感器。（2）蠕動(dòng)移動(dòng)式，其原理設(shè)計(jì)是模仿昆蟲移動(dòng)。在行走時(shí)，分別使左右支撐足上面與管壁接觸下面通過管壁接觸滾輪使蠕動(dòng)絲杠左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，使螺母在絲杠上左右移動(dòng)。（3）履帶移動(dòng)式，根據(jù)履帶式車輛行走的原理，采用帶齒輪減速箱的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)而形成的移動(dòng)。（4）足腿移動(dòng)式，是足腿壓著管壁支撐主體，采用多腿在各種形狀的彎管內(nèi)移動(dòng)，可在各種類型的管道里移動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)較為方便靈活。（5）滾輪移動(dòng)式，行走結(jié)構(gòu)是依靠滾輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，一般輪徑較小會(huì)有限制，并且其越障能力也有限[2]。

隨著科技的進(jìn)步發(fā)展會(huì)有越來越多的類型的管道機(jī)器人設(shè)計(jì)開發(fā)使用。

2 管道機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展

2.1 管道機(jī)器人在國(guó)內(nèi)發(fā)展

國(guó)內(nèi)在管道機(jī)器人方面的研究起步較晚。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鄧宗全教授最先研究輪式行走的管道機(jī)器人，主要用于大口徑管道的自動(dòng)化檢測(cè)。上海大學(xué)最先研制了細(xì)小工業(yè)管道機(jī)器人的移動(dòng)探測(cè)器及集成系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)20毫米管道內(nèi)探測(cè)。

近幾年，管道機(jī)器人的形式樣式與應(yīng)用場(chǎng)合更加靈活與常見。如北京順義區(qū)最近投入使用的智能管道機(jī)器人不僅可以自動(dòng)報(bào)警與定位還可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與人工方式比較能夠提高了有限空間作業(yè)以及安全保障能力，效率也大大的提高了很多。管道機(jī)器人不但為人類生活提供了便利與方便，在重大場(chǎng)合也可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M。蘇州大學(xué)五名學(xué)生發(fā)明出一種微型管道機(jī)器人，頭部有攝像監(jiān)測(cè)設(shè)備可深入到核電蒸汽管道檢查管道的安全避免事故的發(fā)生。隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，許多單位開始研究管道機(jī)器人，管道機(jī)器人也是應(yīng)用在許多領(lǐng)域并逐步完善與發(fā)展。

2.2 管道機(jī)器人在國(guó)外發(fā)展

國(guó)外開始研究管道機(jī)器人較早，1978年法國(guó)的J1VERTUT最早提出輪式管道機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)模型。日本東京工業(yè)大學(xué)早在1993年開始研究管道機(jī)器人，他們成功研制出適用微小管道機(jī)器人。美國(guó)的工業(yè)制造業(yè)一直處于國(guó)際先列，前后有很多公司及大學(xué)制造出管道機(jī)器人。在2001年，紐約煤氣集團(tuán)和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人學(xué)院研制出了無纜式長(zhǎng)距離的管道機(jī)器人，這種管道機(jī)器人能夠檢測(cè)地下煤氣管道的狀況。加拿大最先成功制造出完整的雙履帶式管內(nèi)機(jī)器人系統(tǒng)，履帶采用剛性支承結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)連接緊湊，剛性好。但這種剛性支承的履帶在行走過程中會(huì)使兩個(gè)履帶之間的夾角無法改變，因此只適用于管徑?jīng)]有變化的普通作業(yè)場(chǎng)合[2]。

3 管道機(jī)器人的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 管道機(jī)器人在包裝領(lǐng)域中的應(yīng)用

在各類包裝所用的管類產(chǎn)品對(duì)精度要求比較高，因此在加工和使用過程中需要精確檢測(cè)。管道機(jī)器人直線位移精度能達(dá)到幾微米，這樣可以及時(shí)檢測(cè)到管道的缺陷。有些管道形狀復(fù)雜或者長(zhǎng)度較長(zhǎng)，給檢測(cè)帶來了一定難度，現(xiàn)在可以使用微型管道機(jī)器人輕松解決問題。

3.2 管道機(jī)器人在石油工業(yè)中的應(yīng)用

管道機(jī)器人技術(shù)在油氣管道技術(shù)中是長(zhǎng)期以來研究的熱點(diǎn)。管道機(jī)器人技術(shù)是融合了多種先進(jìn)技術(shù)的機(jī)電一體化裝置，給油氣運(yùn)輸提供了便利。管道機(jī)器人在人類無法工作的環(huán)境工作，在運(yùn)輸油氣中能夠方便快捷得輕松檢測(cè)與監(jiān)控穩(wěn)定。但我國(guó)幅員廣闊南北溫度跨度大，管道機(jī)器人的應(yīng)用還處于上升期，仍然存在很多問題。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，油氣管道機(jī)器人的水平能夠提高逐漸完善不足。

3.3 管道機(jī)器人在飛行器的應(yīng)用

在航天技術(shù)的發(fā)展下可以利用管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)使模擬實(shí)驗(yàn)輕松簡(jiǎn)化。球形飛行器主要是利用一定氣體的噴射使管道機(jī)器人浮在管道內(nèi)移動(dòng)。管道機(jī)器人在球形飛行器的運(yùn)動(dòng)模擬可以得到運(yùn)動(dòng)參數(shù)及狀態(tài)，為航天技術(shù)的實(shí)驗(yàn)提供了便利。管道機(jī)器人在球型飛行器的應(yīng)用與實(shí)踐能夠驗(yàn)證球形管道機(jī)器人的可行性，為實(shí)驗(yàn)?zāi)M奠定了基礎(chǔ)。

3.4 管道機(jī)器人在城市排水

在城市排水管道的排水量逐漸變大，管道由于工業(yè)垃圾廢物進(jìn)入排水管道中會(huì)形成堵塞或者腐蝕，因此應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行清理、疏通管道。管道機(jī)器人可以進(jìn)入地下管道完成一定的管理、養(yǎng)護(hù)、維修、疏通等任務(wù)，減輕了危害。

4 管道機(jī)器人發(fā)展存在的問題

4.1 能源供給問題

傳統(tǒng)管內(nèi)機(jī)器人常用的能源供應(yīng)為有纜方式，拖纜摩擦并沒有太多影響機(jī)器人行走。但對(duì)于距離遙遠(yuǎn)且管道不平整時(shí)運(yùn)輸石油和天然氣等，管道機(jī)器人顯然是存在問題的。所以開發(fā)管道機(jī)器人具有現(xiàn)實(shí)意義必須首先解決能源長(zhǎng)距離供應(yīng)的問題。

4.2 可靠性問題

石油天然氣管道是很重要的能源命脈，在一定程度上影響人們生活工作。對(duì)于現(xiàn)有的大口徑管道，管道一旦出現(xiàn)問題與事故會(huì)直接影響國(guó)際的經(jīng)濟(jì)效益。但管道線路長(zhǎng)不容易檢測(cè)與監(jiān)控，因此，管道機(jī)器人在管道內(nèi)工作時(shí)，管道機(jī)器人運(yùn)行的可靠性一定要保證。

4.3 位置識(shí)別與越障能力

常規(guī)管道機(jī)器人通常使用與驅(qū)動(dòng)輪連接的光電碼盤構(gòu)成閉環(huán)控制，從而來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。但管道機(jī)器人在一些復(fù)雜的管道內(nèi)，由于管內(nèi)的信號(hào)的屏蔽或者管壁光滑程度的影響，在輸送反饋信號(hào)等一系列信號(hào)時(shí)形成的阻礙對(duì)于管道機(jī)器人的工作帶來極大的影響，有時(shí)候甚至導(dǎo)致管道機(jī)器人停止工作[3]。在管道內(nèi)的管道一般不是光滑筆直的，因此需要管道機(jī)器人有一定的越障能力。因此，設(shè)計(jì)出能投入生產(chǎn)使用的管內(nèi)機(jī)器人，必須考慮管道機(jī)器人感應(yīng)識(shí)別與越障能力。

4.4 控制系統(tǒng)的自制

現(xiàn)有的管道機(jī)器人的研究與使用局限在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)和檢測(cè)等。而在工程中的運(yùn)動(dòng)、檢測(cè)、修復(fù)一體化的環(huán)節(jié)還沒有實(shí)現(xiàn)完善，因此還要考慮管道機(jī)器人控制系統(tǒng)自制完善自我修復(fù)功能，相信在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展下，管道機(jī)器人自制一體化會(huì)逐漸完善與進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1]張秀麗，一種小型管道檢測(cè)機(jī)器人[J].機(jī)器人，2001（10）：67-69.

[2]甘小明.管道機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2003（5）：11-13.

[3]王永雄.管道機(jī)器人控制導(dǎo)航和管道檢測(cè)技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012（5）.

作者簡(jiǎn)介：陳奕穎（1991-），女，漢族，吉林長(zhǎng)春，碩士研究生，機(jī)械制造技術(shù)。