管内机器人的探究与发展态势
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摘要：近年来管道在人们生活以及工业生产中被使用的越来越广泛，与此同时，管道故障所带来的问题日益突显，对国内外关于管道机器人的研究进行介绍，叙述了管道机器人的发展历程，以及近年来国内外管道机器人的发展方向和成果。通过国内外的研究成果对各种类型的管道机器人的结构特性以及其应用领域作了介绍，并对管道机器人的未来发展进行了展望。
近些年来，为保障国家的能源消费，我国油气管网建设快速发展，先后开辟多条油气战略通道。然而，随着使用时间的增加，管道逐渐老化或腐蚀就会产生裂纹、穿孔、截面积减小等问题。而管道的检测、运维和安全对我国经济建设发展和人民生活质量的影响也日益明显。因此，管道机器人的检测和维护技术的研究就显得尤为迫切。管道机器人的研究早在上世纪50代就已经开始了，而得益于快速发展的自动控制技术和计算机技术，管道机器人的研究很快进入了快车道并迅速投入生产和实际应用。目前，无论是在石油、天然气、化工、核设施等传统工业领域，还是城市水管道、油烟管道以及生物医药领域都出现了管道机器人的应用场景，管道机器人可以说是无处不在。在满足了检测、建设、维护维修等方面对管道机器人的需求的同时，也推动了管道机器人的理论研究快速发展。由此可见，管道机器人的发展必将越来越快。
1管道机器人发展概况
西方国家对管道机器人的研究起步最早，其中发达国家在该领域内研究最早，处于世界领先地位，相关研究工作成果较多，且已经有了很高的实际应用水平。而国内对于管道机器人的研究发展起步虽然较晚，但在上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等一批国内顶尖大学和研发机构的努力下，我国在管道机器人领域的技术研究发展迅速［1－2］。
1．1国外研究现况
国外对于管道机器人的研究在上世纪50年代已经开始。随着西方发达国家工业化的发展，由于石油、天然气管道的检测和维护需求增加，对管内机器人的需求也飞速增加。法国的J．VERTUT于1978年研制的轮腿式管内行走机构模型IPRIV，虽然结构简单、功能单一，但却实现了管内的自主行走，对管道机器人的发展产生了深远影响［3］。随着计算机技术、传感器技术、通信技术以及控制理论的快速发展，从20世纪70年代到90年代初期，国外管道检测机器人的研究发展迅速，并逐渐开始投入实际应用［4］。进入21世纪，微机电系统和微驱动器的出现以及材料技术研究的进步，导致微小管道机器人的研究热潮逐渐兴起［5］。19世纪70年代，美国管道运输发展迅速，极大提升了美国对管道检测设备的研究需求。1962年，美国Knapp公司和Girard公司研制出了用于管道清洗的机器人“管道猪”———PIG［6］。PIG是早期最具代表性的管内清理检测设备，它没有自主驱动能力，其在管内前进的动力均来源于其头部和末端流体的压力差，也无需拖带电缆或携带蓄电池来进行驱动，一次可以行走几百公里。随着技术的不断进步，该类型机器人逐渐发展为集管道腐蚀、变形、裂纹检测与定位以及管道测绘于一体的智能管道猪。美国Tuboscope公司研制的漏磁检测智能清管器，开启了管道智能检测的新时代。20世纪80年代，超声波检测智能清管器出现。图1智能管道猪世界上第一台工业机器人在1962年由美国首先研制出来。美国的研究基础雄厚，技术先进，已经拥有了包括智能管道猪在内的众多成熟管道机器人产品，是世界上机器人技术最强的几个国家之一。2001年，美国卡内基梅隆大学的HagenSchempf博士与纽约煤气集团公司的DaphneD’Zurko合作研发了一款用于远距离工作的无缆线管道机器人EXLORER，该管道机器人专门用于煤气管道的检测，能通过90°弯管和“T”形管的复杂管道。1998年，德国H－B．Kuntze等人研制出了一款采用四轮独立伺服驱动的管道检测机器人。该机器人可以采用拖缆来进行系统供电和控制，单次检测作业的距离在400m以上。适用于排水管道和燃气管道的检测评估。2000年，德国的BemhardKlaassen、HermannStreich与FrankKirchner完成了MAKRO系列模块化多关节管道检测机器人的研制。机器人采用了模块化设计，各个模块采用轮式驱动，而头部与尾部模块完全相同，各个模块之间用万向铰链连接，通过3个电机来驱动，从而实现机器人各个关节的运动，来完成越障以及转向的任务。该管道机器人的难点在于整机的控制，作为一个拥有21个自由度的机器人，每个自由度的协调控制都会影响到运行的可靠性。MAKRO可以适应直径300～600mm的管道MAKRO适用于直径300～600mm的管道［11］。加拿大Inuktun公司研制出的Versatrax系列管道机器人，是国外现有的成型管道机器人中十分成功的一款机器人。目前已经推出了Versatrax150TM的下一代机型MarkII。Mark继承了Versatrax150的履带式布局，同时扩展了Versatrax150的性能。MarkII可检测管道最小管道直径为150mm，电缆范围增加到1000米，并且支持更换更长的电缆［12］。
1．2国内研究现况
国内在管道机器人方面的技术研究起步较晚，我国的管道机器人的发展水平与国际水平仍存在一定的差距。但随着我国工业的飞速发展，对各类特种机器人的需求不断增加，国家对特种机器人也日益重视，目前已经有了长足的进步。在国内一批高校和科研院所的共同努力下，我国在管道机器人领域的研究成果丰硕，发展迅速。在管道机器人领域有较多的研究成果的有上海交通大学、哈尔滨工业大学、上海大学等一大批院校和科研机构。哈尔滨工业大学的邓宗全教授及其团队在管道机器人领域的研究成绩尤其突出。该团队最早于1987年就开始了对管道机器人的研究，在国家“863”计划的支持下，在1996年成功开发出适用于660mm管径，用于进行对接焊缝野外工业X射线检测的管道机器人［13－14］。2000年开始，针对轮式管道机器人的机械结构、管内作业适应性以及控制算法等方面进行了系统的研究，并开发设计了一种三轴差速器，可用于三臂支撑式的管道机器人。从2000年至今，该团队在管道机器人的结构、驱动、控制、通讯方面产出了大量研究成果，为我国管道机器人领域的研究发展做出了突出贡献［15－16］。上海交通大学的颜国正教授及其团队最早开始关于管道机器人的系统研究，成果也最多。该团队自1998年开始研制一种由电磁驱动的微小型管道机器人。该机器人结构简单、尺寸较小，仅7mm。通过激励脉冲的时序和频率来进行控制，控制简便且较灵活。十分适合在类似人体肠道、食道的狭小管道中作业［17］。自2003年起，颜国正教授的团队对煤气管道机器人进行了一系列的研究，完成了几代煤气管道机器人样机［18］。从2010年开始，该团队又进行了对关节履带式检测机器人的模块化研究［19］。2005年，上海交通大学研发出一款基于SMA驱动的正方体型的微小型蠕动式管道机器人，该机器人由12组SMA直线驱动蠕动单元构成，外形为正方形，如图5所示。该管道机器人的结构尺寸为35mm×35mm×35mm，可在直径2英寸的管道内实现蠕动行进，最大速度是10mm／min，用12个由SMA和偏置弹簧构成的驱动源进行驱动，利用电阻反馈进行控制。该管道机器人通过模仿肛肠动物的行走方式运动，使其可在直管、直角弯管还有大曲率半径等复杂管道中爬行［20］。上海大学在微小型管道机器人方面的研究成果较多，其中孙麟治团队和章亚男团队成绩斐然。孙麟治团队研制出了一种压电式电磁驱动微型管道机器人，并对对该机器人的结构特点和运动特性进行了分析研究。该机器人具有体积小、结构简单、控制方便的优点。该机器人可以在直径20mm金属管内爬行，具有垂直爬坡能力和一定的管径适应能力，但机器人的运动速度和运动稳定性有待提高［21］；章亚男团队研发了一种以适应管径变化为目标的新型管道机器人，阐述了该管道机器人的机械结构与工作运行的原理，然后对该机器人进行了运动学与静力学研究分析。该机器人使用沿圆周均布的三个行星轮系来实现爬行与调控径向尺寸的功能。其特点是对于不同管径变化的管道可以自动调控径向尺寸，因此能在直径发生变化的管道中爬行。经过试验验证，该管道机器人完全能够实现自适应管径的目标。
2存在的问题
1）能源供给问题。传统管内机器人常用拖缆作为能源供应方式，而拖缆摩擦机器人对于长距离输送或管道不平整时，管道机器人带缆行走显然存在问题。因此能源的长距离供应是管道机器人开发应首先解决的问题。
2）可靠性问题。石油、天然气管道是国家国民经济的重要能源命脉，而各类城市管道也早已深入人们的生活中。管道一旦出现问题与事故，将直接威胁到人民的生命财产安全，乃至影响国计民生。但能源输送管道线路长，城市管道复杂，都不易于检测与监控。因此，管道机器人在管道内工作时的稳定可靠性必须得到充分保证。
3）定位与越障能力。常规管道机器人一般使用光电码盘与驱动轮连接来进行控制，从而实现检测。但在复杂管道内，管内信号受电磁屏蔽或管壁光滑程度影响，会在输送反馈信号时形成阻碍，有时甚至会导致管道机器人宕机。这对管道机器人工作的时效性和安全性带来了极大的隐患。因此，管道机器人设计中，管道机器人的感应识别与越障能力是十分必要的。由于管内可能存在凸台、碎石、沉积物、管沟等障碍，因此需要机器人能够装备摄像机、感应器等检测设备或清洁设备，以在管内实现进退、转弯、越障、定位、导航等功能。
4）检测、修复一体化。管道机器人的研究与使用还存在局限，即工程中的运动、检测、修复的一体化还没有完善，管道机器人控制系统的自制完善和自我修复功能也还有待加强开发。
3展望
1）自主行走能力。不断成熟的人工智能技术，推动了智能机器人的飞速发展，而智能管道机器人已成为当前的研究热点。智能机器人是以智能控制算法作为运作核心的，因此合适的智能控制算法是智能机器人研究的关键技术。智能管道机器人的自主性可以得到飞跃性的提升，从而提高检测效率和检测质量。
2）智能图像处理。快速发展的图像处理技术使得管道机器人的检测能力进一步提高，而该项技术的广泛应用可以使管道机器人适应更广泛多样的应用场景，如管内缺陷可通过对拍摄图像的处理，可以获得管内缺陷更为具体清晰的数据，并进行针对性的修复处理。在机器人的行进过程中，图像信息的智能处理可为机器人的管内操作提供便利。通过智能图像处理，机器人能快速识别前方障碍、破损等，为其行进路线的规划、管内检测作业提供良好的条件。
参考文献
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［2］李龙辉，张体刚，高慧，等．管道机器人发展研究［J］．机械制造，2020，58（10）：5－7
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［8］陈登丰．管道猪技术在管道检测中的应用［J］．中国锅炉压力容器安全，1993（5）：3－9
作者： 秦德昭 单位：上海电力大学能源与机械工程学院
