邵琦　謝哲東

摘 要：本文介紹管道機器人的發(fā)展歷程，并從國內國外2個角度進行了詳細的介紹。全文按行進裝置的不同介紹了不同類型的管道機器人的機構特性及其應用領域。展望管道機器人未來的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：管道機器人；國內外發(fā)展；應用領域；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160332072

引言

管道機器人是一類集多類傳感器及操作裝置（錄像機、清理裝置、焊接裝置、防腐噴漆裝置、機械手、位姿傳感器、超聲波傳感器等）一身的機器人。管道機器人作業(yè)時通過操作員遠距離的遙控來控制完成管道下一系列的清理維系等工作，是一種新型的自動化在水下管道中的自動化作業(yè)裝置。

管道運輸有運輸效率高、制造方便、運輸手段簡便等優(yōu)點，所以被廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活中的各個領域。目前，我國輸送汽油等燃料的管道已建達500000km，而且在以每年1500km的速度快速增長。如圖1為工業(yè)冷卻水管道，圖2為電站蒸汽輸送管道。

然而隨著使用時間的不斷延長，管道老化日益嚴重，管道內壁或外壁不斷受到輸送介質、外部力的沖擊等各種因素的影響，很可能會出現(xiàn)管道的泄露、裂紋、輸送介質泄露或截留面積減小等問題。所以就需要對管道的情況進行定期的排查、維護和維修。然而有些管道通常輸送的介質多是對人體有害的并且管道的空間狹小，使得工作人員無法直接人工對管道進行維修和檢測。

由于管道的掩埋性，目前采用最多的維修方式就是挖掘法、抽樣檢測維修法等。這些方法需要大量的人力物力財力，并且無法保證管道的正常使用。還有的方法隨機性很強，準確率很低，無法做到對管道進行徹底、高效的排查，造成了管道運輸?shù)陌踩[患。

基于以上不盡如人意的管道排查、檢測和維修方式，所以迫切需要一種新的管道維修的方式。國內外學者提出了一種由機器人代替人員進入到管道中對管道進行日常維護、檢測的新想法，并對其進行深入的研究。自1978年提出了腿足式的管道機器人以來，管道機器人開始了迅猛的發(fā)展，其中一部分管道機器人已進入到實際應用階段，在管道的日常檢查、排查、維修中起到了發(fā)揮了重要的作用。

1 管道類機器人國內外發(fā)展現(xiàn)狀

歐洲對管道機器人的研究起步相對較早。伴隨著電子技術以及通訊技術的發(fā)展，管道機器人已達到了實際應用水平。

日本電子行業(yè)的發(fā)展也刺激著管道機器人的不斷革新。例如從1990年，東京大學就開始了管道機器人的研究，并提出了THES系列管道機器人，如圖3。

“月球車”是早期俄羅斯提出的配備有9個驅動的并聯(lián)機器人。采用并聯(lián)傳動機構，攝像頭翻轉可進行多角度的拍攝，對維修部件進行了多角度的找位，管道氣人利用自身的設備對管道進行檢測、維修作業(yè)，如圖4。

MRINSPECT系列管道機器人由韓國Sungkyunkwan大學提出的，如圖5所示。此類機器人的能源傳送相對于傳統(tǒng)的電機傳送動力而言，該系列機器人采用的是有纜的方式進行能源和信息的傳送。各個部件間采用的是萬向鉸相連，采用彈簧支撐使其能夠針對不同的管道具有自適應能力。由于支撐點采用2個主動輪作為支撐，穩(wěn)定性好，可以外帶其它設備完成其它工作。

國內對于管道機器人的研發(fā)相對起步較晚，雖然如此，國內也不乏有典型的并聯(lián)機器人研究成果。例如上海交通大學提出了煤氣管道檢測機器人。該機器人具有特殊的四邊形結構，具有很好的自適應，采用輪腿的行進方式。

Pipesbot是由清華大學提出的一種結構緊湊的蠕動式機器人如圖6，驅動電機與通過萬向節(jié)與前部結構連接，通過轉換模塊進行外部能源的輸入供給。自適應性的實現(xiàn)是通過四邊形連接點的位移變化實現(xiàn)的，使機構能夠形成不同的轉彎半徑來適應管道半徑的變化。

2 管道機器人的結構類型

管道機器人按照運動部件分為輪式、履帶式、關節(jié)式、壓差介質式等

2.1 車輪式管道機器人

輪式機器人如圖7，具有速度快，機構簡單，拖動力大等特點。廣泛應用石油、汽油輸送管的日常清理和維護中。該類機器人行進特點是需使驅動輪與管道內壁有一定的封閉的正壓力才能產(chǎn)生一定的供其行走的摩擦力。該正壓力主要來源于機器人的自身重力、彈簧力等等。

2.2 履帶式管道機器人

履帶的結構使得該類機器人具有非常好的附著性，所以對于泥濘或有較厚油污的管道也能可靠的行進，如圖8。但履帶式管道機器人由于是履帶這種較為復雜的行進方式，不易控制，也不易實現(xiàn)自動化。

2.3 關節(jié)式管道機器人

關節(jié)式機器人是仿生學在機器人行業(yè)應用的典型例子。此類機器人一般具有較為復雜的結構，機器人尺寸相對較大。應用于管道機器人領域中，由于管道空間有限，必須對其機構尺寸進行嚴格的設計。

3 展望

經(jīng)過國內外學者多年來的潛心研究，使管道機器人已經(jīng)形成了較為成熟的體系，并且在實際應用中也取得了預計的成果，特別是在焊接、清理、檢測、修補等方向，但也主要是針對于管徑較大的管道。而對于小管徑的管道機器人還有許多需要解決的問題：

如何提供較大去污力；限制空間內的機構結構的設計；能源供給方式；管道內外的信號傳送。

參考文獻

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[3] 王耀華，左仁貴.國內外微型管道機器人研究現(xiàn)狀[J].機械設計，2010，27（12）： 1-5.

作者簡介：邵琦（1991-），男，碩士研究生，研究方向：管道機器人。