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油氣管道機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

油氣管道機(jī)器人是一種集機(jī)電一體化、檢測(cè)技術(shù)、智能移動(dòng)載體技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的綜合體。根據(jù)在輸油管道中實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、噴涂、焊接、清洗等功能的不同，或者根據(jù)工作環(huán)境與運(yùn)動(dòng)方式有不同的類型劃分方式。

結(jié)合其運(yùn)動(dòng)方式，主要考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同將管道機(jī)器人分為7大類：1）流體驅(qū)動(dòng)式管道機(jī)器人依靠流體獲得驅(qū)動(dòng)力，不需要額外增加任何動(dòng)力元件，只有在具有足夠壓力的大管徑管道內(nèi)才能得到有效驅(qū)動(dòng)。美國(guó)GE公司、BakerHughes公司、TDWilliamson公司、瑞士R0SEN公司生產(chǎn)了利用機(jī)械刮削、射流、泡沫和凝膠等清洗方式的清洗型管道機(jī)器人；2）輪式管道機(jī)器人類似于一輛平板小車，通常采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人輪子的方式，其動(dòng)力是由機(jī)器人上裝載的電纜或電池配送，因此其運(yùn)動(dòng)距離受到很大程度的限制，輪子與管壁的摩擦力有限，輪式機(jī)器人不適用于大流量的管道內(nèi)，同時(shí)無(wú)法在垂直管道內(nèi)使用；3）履帶式管道機(jī)器人是由輪式管道機(jī)器人將輪子改良為履帶演變而來(lái)，可以有效地提高機(jī)器人牽引力、越障能力，但控制難度加大、體積也有一定程度增大，靈活性受到影響；4）支撐式管道機(jī)器人是也輪式管道機(jī)器人的一種變形，周向均勻布置的支撐臂緊貼管壁，可以在垂直管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)；5）行走式管道機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)管內(nèi)爬行，擁有非常復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和多組驅(qū)動(dòng)器，其制造難度、控制難度都相當(dāng)大，除非十分精密的管道或者特殊作業(yè)要求，一般不采用行走式管道機(jī)器人；6）蠕動(dòng)式管道機(jī)器人通過(guò)不斷重復(fù)的收縮和伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)使機(jī)器人克服了輪式機(jī)器人對(duì)管壁磨損較嚴(yán)重的問(wèn)題，在越障方面也勝過(guò)輪式機(jī)器人，因而在小管徑、短距離任務(wù)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。Smartract公司和Omega公司生產(chǎn)的蠕動(dòng)式管道機(jī)器人牽引力大、性能好，在油氣井中進(jìn)行測(cè)井、修井等作業(yè)表現(xiàn)突出；7）螺旋式管道機(jī)器人是將驅(qū)動(dòng)輪軸線與管道軸線之間形成一定夾角，使驅(qū)動(dòng)輪沿管道壁的某一螺旋線行走，螺旋運(yùn)動(dòng)沿軸線的速度分量即為管道機(jī)器人的移動(dòng)速度。

管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和定位問(wèn)題，一直是管道機(jī)器人領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題。自驅(qū)動(dòng)式管道機(jī)器人常采用上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理、路徑規(guī)劃，下位機(jī)與電機(jī)、電磁閥等通信實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的方式。流體驅(qū)動(dòng)式管道機(jī)器人主要用于長(zhǎng)距離、大管徑管道的清管、檢測(cè)等作業(yè)。這類機(jī)器人的動(dòng)力來(lái)自于管道中的流體，機(jī)器人的速度與管道內(nèi)流體的速度相關(guān)，想要實(shí)現(xiàn)這類機(jī)器人穩(wěn)定適應(yīng)于作業(yè)需求的速度是十分困難的，第1種方法是通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)器人上下游加壓站壓力的方式來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)器人運(yùn)行速度；第2種方法是采用在流動(dòng)式機(jī)器人內(nèi)部開(kāi)設(shè)固定旁通孔的控速方式。

常用的定位方式有里程輪定位、GPS衛(wèi)星定位和CCD視覺(jué)定位。大多機(jī)器人采用里程輪定位的方式，其本質(zhì)是通過(guò)記錄里程輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)來(lái)得到當(dāng)前位置。GPS衛(wèi)星定位法的實(shí)現(xiàn)需要管內(nèi)機(jī)器人與外界保持實(shí)時(shí)通信，其定位精度高。CCD視覺(jué)定位的基本原理是利用視覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位。除了這3種主要方式外，在管道機(jī)器人定位問(wèn)題上還使用到測(cè)力定位法、多傳感器定位法、電磁波定位法和超聲波定位法等?？傊S著傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和圖像處理技術(shù)等不斷發(fā)展，管道機(jī)器人的定位精度、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性都得到了一定程度的發(fā)展，但是在環(huán)境惡劣、埋藏較深的情況下管道內(nèi)定位的精度和準(zhǔn)確性還有待提高。

未來(lái)對(duì)于油氣管道機(jī)器人的研究將主要集中在以下幾方面：靈活可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)；實(shí)時(shí)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)；能量供給。

李秋揚(yáng) 編輯自《西華大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年1期“油氣管道機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)”（原作者劉清友）