管道机器人

1 管道机器人研究背景

“管道”被广泛使用在煤气输送、水流疏导、石油化工以及热电蒸气传输领域，是日常生活中不可缺少的一环。管道与陆路、水路、空路运输工具一道，构成了油料、燃气的主要传送方式。这一方式，在欧美及产油地区十分普遍。尽管，在我们周围，管道林立，但由于大多深埋地下，因此，许多人往往忽略了它们的存在。

管道机器人是管内检测成败的关键。机器人需要适应复杂的管线结构，不管是垂直管段，或是管道拐点，无论身处何地都应行动自如。眼下，除“检测功能”外，使机器人具备“维修功能”的呼声也在日趋高涨。

然而，除“清扫、检测、维修”之外，管道机器人的功能研发，仍具有一定的局限性。现有的检测方式有：摄像头观测、模拟成像、色差判定锈蚀程度，以及无损伤接触式传感器辨别管材质变情况。

管内行走机器人的类型，依其行进方式，可分为：行走式、轮动式、履带式和伸缩式。围绕“行走式机器人”的可行性存在较大争议，剩余方式的技术特点如下。“轮动式机器人”形如汽车，以轮轴驱动前行，易于操控，在直管中，具有很高的机动性。为实现更为灵活的变向及曲向运动，该型号机器人的实验形态正从“单体单动”逐步发展到“多体联动”。

管道机器人示意图

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2 管道机器人的运行条件

管道机器人的运行情形分为“有液体作业”和“无液体作业”两种情况。难点主要集中在后者操作，可能出现液体供给不畅。同时，液体流动产生的阻力，也会影响机器人行进的速度。因此，为防止液体输送中断，有效投送并回收机器人的特殊装备极其必要。

管道结构在机器人设计阶段中应被优先考量。管道结构的决定因素包括：管径、弯折、垂直、分叉、阀门等。机器人设计必须逐一应对这些因素。 影响管径变化的因素多种多样，其中最重要的因素在于阀门和异径管。通常情况下，阀门直径会小于管径，同时，两段管子衔接处也会出现管径变化。现有技术对于管径变化，具有一定的克服力，但针对其他复杂结构仍显乏力。尤其是拐点或螺旋结构，成为管道机器人的最大障碍。

机器人的长度不宜过长，否则，通过拐点时，会发生卡塞现象，因此，外形及尺寸，是设计者必须考虑的方面。报告显示，现有型号机器人通过直角管道时，若弧度半径为管径的1.5倍，则均可顺利通过拐点、正常进行检测。目前，利用“列车车厢式连体机器人”穿越直角弯的尝试正在进行当中。

分气管与主管连接并负责将流量分散到其他管道。分气管与主管连接处会出现开口。如图2-1a所示。若开口足够大，机器人可能会由主管进入分支管移动，并因此会出现像通过拐点时一样的卡塞现象。开口直径较小，机器人不会由主管道进入歧途。在此情形下，尽管机器人始终会沿主管行进，但很难避免机器人前端与分支管间的碰撞。一旦发生碰撞，会对机器人造成损伤，损伤严重的话，同样可能出现堵塞，甚至是造成断流现象。

直行和卡塞

3 管道机器人的移动方式

A 轮式驱动

“轮动式”沿用汽车的轮轴传动方式前行，“易于操控”是其最大亮点。通过机体袖珍化，可以应付各种狭窄管道，但面对斜角度大于30°或弯道密集的圆弧形管道时，则束手无策。因此，设计此款机器人时，应着重从这两点出发。Kawaguchi推出的“双磁铁轮式管道机器人”以及 visual inspection Technologies 生产的“Rovver 系列”都是这一家族中的代表作。

Screw-drive In-pipe Robot with Pathway Selection Mechanism

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B 履带式管道机器人

履带式管道机器人的应用也十分广泛，其结构示意图如图3-1所示，该机器人行走的推力来自履带。加拿大Inuktun Services 公司制造的 Min-Itracs 和 Micro Tracs，是最为常见的型号。二者均可实现“单体单行”和“多体联动”的混用，使用方式十分灵活。

履带式机器人的优势在于，无论管道内径是否均匀或凸凹不平，均可轻松通过。缺陷在于，单体无法变向操作，而连体作业时，受体积、长度的影响，无法应对狭小的作业空间。

superdroid pipe robot

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C 伸缩蠕动式

“轮式”也好，“履带式”也罢，无论哪款产品，都需要针对垂直管道，为克服自身重力，采用紧紧附着于管壁的方式，以获得足够的支撑和动力，“伸缩式机器人”是这一情况下最普遍使用的类型。它利用机械装置将轮子和履带紧贴管壁，以此产生对抗地球引力所需的摩擦力和前进力，实现自身移动。最具代表性的产品来自Okada和Fujiwara。

AIRO

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D 分节式

管道机器人需要搭载传感器和维修设备行进，因此，“体积小、动力足”是必备条件。为此，必须提高设计技术含量，并实现零部件的微型化和轻量化，然而，在短期内尚无法获得有效的解决方案，分节式管道机器人由此应运而生。

该型号机器人利用轮子、履带作为传动方式，机械关节多重组和，如长蛇或火车般，蜿蜒前进。代表作是Cosmoengineering特意为海底油管设计制造的产品。除传输数据所连接的外部光缆外，其他作业均通过其自身的模块系统进行。

E 绳索式

利用绳索牵引搭载感应器的检测方式，代表作为工业用内视镜。

F 紧贴式

紧贴管壁、占据大部分内径，并伴随管内流体前进的方式，Pipetronix出品的Pig系列最具象征性。此款设计的亮点在于，绝大多数机器人利用管内流体压力差行进，不需要外界动力源，全部能源均可用于探测设备。然而，当出现管径过大、无法紧贴的状况时，机器人便无法使用。

G步行式

采用多足机器人沿管壁爬行的方式。优点是在垂直管道中游刃有余，缺点是行进速度缓慢且结构过于复杂。以德国为代表的欧洲地区，一直着力研发此项技术

H 毛虫式

一部依托伸缩运动及附着管壁，像毛虫一样向前蠕动的机器。不难看出，其弱点在于缓慢的速度，而强项则是征服垂直的管道环境。