管道機器人發展研究*

□ 李龍輝 □ 張體剛 □ 高 慧 □ 郭 霆,2

1.黑龍江工程學院 機電工程學院 哈爾濱 150026 2.大連賽姆生物工程技術有限公司 遼寧大連 116620

1 研究背景

近年來,隨著科學技術和人民生活水平的提高,管道輸送憑借輸送量大、方便快捷、成本低等優勢,在國民經濟中占有越來越大的比重。管道輸送由于受到輸送介質化學性腐蝕、不可抗力自然災害及自身缺陷的影響,極有可能發生管道泄漏等嚴重事故。為了防止災害發生,需要定期對輸送管道內部進行檢查、維護和清潔保養。管道內部通徑狹窄,人工進入有很大局限性,對此,人們研發了管道機器人,管道機器人能夠代替人類進入管道內完成相應的工作。

管道機器人是一種可以在管道內行走的機電一體化裝置,能夠攜帶一種或多種傳感器及操作裝置,如電荷耦合器件攝像機、位置和姿態傳感器、管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置等,在操作人員的遠距離控制下,進行一系列管道檢測維修作業。管道機器人的出現極大彌補了人工作業的局限性。在管道排查和檢測方面,管道機器人拓展了人工管道檢測的距離、寬度和精度,增強了管道檢測的全面性和細致性,同時還減少和消除了作業的安全隱患。在對輸送管道進行維修、清洗和保養方面,管道機器人在輸送管道內部作業,避免了人工挖掘、隔斷作業方式對道路通行帶來的不利影響。 隨著民用、應急響應、災難控制、環境監測等場合對機器人的需求不斷增大,管道機器人與環境的交互成為機器人領域的又一研究熱點[1]。

2 研發現狀

歐洲對管道機器人的研究起步相對較早,伴隨著電子技術及通信技術的發展,管道機器人已達到了相當高的應用水平。

德國IPEK管道內窺檢測機器人采用雙伺服電機設計,六輪驅動,操作簡單。機身材料為電鍍鋁和不銹鋼,具有防腐防爆特性,可進行水下帶壓作業,深度可達10 m。機身內置壓力傳感器,可發出低壓報警,還配備傾斜補償感應器。機身結構緊湊[2]。

日本電子行業的發展刺激著管道機器人的不斷革新。東京大學于20世紀90年代開始了管道爬行機器人的研究,開發了THES系列管道爬行機器人,能利用自身配置的設備對管道進行檢測、維修作業。

國內對于管道機器人的研發起步相對較晚。上海交通大學研發了煤氣管道檢測機器人,這一機器人具有特殊的四邊形結構,自適應能力非常強。

目前對管道機器人的研究與使用還局限在輸送管道內行走和檢測,管道內行走、檢測、修復一體化設備還沒有實現開發。相信在科學技術飛速發展的背景下,管道機器人技術會越來越成熟,管道機器人一體化發展的步伐也會加快[3-4]。

3 應用實例

3.1 空調管道檢查

2006年,衛生部頒布了《公共場所集中空調通風系統清洗規范》,對公共場所集中空調通風系統的清洗提出了具體要求。空調通風管道距離長,彎道多,而且一般安裝在大樓隔層天花板的內部,拆卸較為困難,不便進行人工清洗。中央空調通風系統若長期得不到清洗,在風管中不僅會存積大量灰塵,而且會滋生各種致病微生物,引起嚴重的空氣污染,甚至引起各種傳染病。

酒店利用管道機器人檢查空調通風管道衛生情況如圖1所示。該管道機器人有六個輪子,前方可攜帶照明裝置與攝像頭。管道機器人后部通過可伸縮電纜線連接顯示屏。在檢查集中式空調管道時,管道機器人可以為工作人員探路,如果發現管道內部有灰塵堵塞情況,那么工作人員將進入管道進行清洗。如果存在工作人員無法立即解決的問題,可以由專業管道維修人員進行處理[5-6]。

▲圖1 空調管道檢查

3.2 管道打磨

適用于螺旋焊縫管內部焊縫打磨的管道打磨機器人如圖2所示。打磨進給機構安裝平臺由軸向進給步進電機驅動絲杠螺母副運動,平臺上安裝有徑向進給氣缸和線性導桿。整個回轉框架一體化封裝,兩端通過轉軸連接主機,動力端的扭矩由伺服電機和減速器組通過聯軸器傳遞。為了保證慢速回轉運動作業時的高精度,匹配了相應的二級行星減速器,不僅能提高轉角分辨率,而且能大幅增大扭矩。這一管道打磨機器人是一種分段式多工位打磨機構,打磨完一段后,需要移動到下一段。由于所適用的管徑范圍較窄,并且采用氣壓進給,因此進給量精度不能充分保證[7-8]。

▲圖2 管道打磨機器人

3.3 排水管網檢測

管道機器人進行排水管網檢測如圖3所示。管道機器人配置管道內窺攝像檢測系統,可以在管道內自動行走,實現全方位觀測,并將錄像傳輸至地面控制系統,便于地面工作人員了解管道內部情況,判斷管道損壞程度、范圍等。應用管道機器人進行排水管網檢測,可以提高管道有限空間內的作業安全性和工作效率。

▲圖3 排水管網檢測

4 存在的問題

近年來,我國管道機器人的研發應用得到了發展與完善,但是也存在一些問題。

(1) 能源供給。傳統管道機器人常用的能源供應為有纜方式,拖纜摩擦對機器人在管道內部短距離行走沒有太大影響,但長距離行走或管道不平整時,管道機器人帶纜行走問題較為突出。因此,開發管道機器人必須解決能源長距離供應的問題。

(2) 穩定性。石油、天然氣等能源輸送管道是國民經濟的重要命脈,現有大口徑管道一旦發生事故,會直接影響國計民生。能源輸送管道線路長,不容易檢測與監控。因此,管道機器人在管道內工作時,運行的穩定性一定要得到可靠保證。

(3) 位置識別與越障。常規管道機器人通常使用與驅動輪連接的光電碼盤構成閉環控制,由于管道內信號屏蔽或受管壁光滑程度的影響,在輸送反饋信號時形成阻礙,對管道機器人的工作造成較大影響,有時甚至會導致管道機器人停止工作。因此,設計管道機器人時必須考慮感應識別及越障能力。在管道內可能有臺階、管溝、碎石等,管道機器人需要能夠攜帶攝像機等檢測設備或清洗裝置在管道內實現進退、轉彎、越障、定位,并具備自主導航功能。

(4) 檢測、修復一體化。現有的管道機器人局限于管道內行走和檢測等,并不能實現檢測、修復一體化功能,因此檢測、修復一體化是今后管道機器人的研發方向。

5 新型管道機器人

新型管道機器人應用有纜方式進行電力傳輸與數據采集,由四個輪胎單元驅動,不必擔心纜線的摩擦對行走的影響等問題。在平緩的地形中,管道機器人通過輪胎驅動以達到高速行駛,提高工作效率。在復雜地形中,輪胎能實現抱死,此時輪胎為機器人的腳,單條足依次前伸跨過障礙。機器人每條足的四端外側裝備有橡膠外殼,可以提供較大的摩擦力,使機器人適應光滑的管道。通過在管道機器人的體內放置單片機、控制電路、傳感器、發光二極管等,實時傳輸管道內各種情況,便于專業人員及時了解。新型機器人具有獨特的清淤方式,集刮削、攪拌、過濾、推進于一體,清淤功能多樣靈活。具有過載保護功能,可適應管道復雜的淤積工況,完成復雜清淤作業任務[9-10]。

新型管道機器人基于混合智能技術,將人工神經網絡、專家系統、模糊理論、粒子群算法等人工智能方法應用于長距離輸送管道泄漏檢測中,能進行管道泄漏的檢測與定位。相信在科學技術飛速發展的背景下,新型管道機器人的研發將會取得更大的成果。