管道機器人技術的發(fā)展研究國內(nèi)外文獻綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u2974管道機器人技術的發(fā)展研究國內(nèi)外文獻綜述 1240691國內(nèi)管道機器人 192062國外管道機器人 632356參考文獻 81國內(nèi)管道機器人（1）管道CCTV檢測機器人管道CCTV(ClosedCircuitTelevision)檢測,此于20世紀90年代中期引進國內(nèi)用于管道內(nèi)部狀況及排水管道健康檢測,它是國際上目前用于管道狀況檢測最為先進和有效的手段。對管道內(nèi)的銹層、結垢腐蝕、穿孔、裂紋等狀況進行探測和攝像,同時記錄管道內(nèi)的目前狀況,從而將地下隱蔽管線變?yōu)樵陔娔X上可見的內(nèi)部錄像,方便管理部門根據(jù)管道狀況作出最合理的管道處理方案,依據(jù)檢測技術規(guī)程再進行評估,為制定修復方案提供重要依據(jù)。整個機器人分三個部分組成，分別為：主控器，線纜車，爬行器。主控器控制整個設備的運行與操作,包括硬件控制和軟件控制，主控制器面板上裝有操作按鈕和旋鈕,用于控制攝像頭、燈光和爬行器，主控制器上的液晶顯示器及鼠標和鍵盤還便于顯示日期、時間、距離信息、標注字符。線纜車安裝有手搖柄,用于手動盤繞電纜于線纜盤上，裝有距離計數(shù)器,用于記錄爬行器行進距離,確定管道缺陷位置，電纜端部與爬行器相連。爬行器有輪胎式和履帶式，連接在電纜尾部的爬行器內(nèi)部裝有馬達,結構上為防水設計,可以在有水的管道內(nèi)進行，爬行器的頭部安裝了攝像頭和燈光，根據(jù)管徑的不同,可選配不同直徑大小的輪胎和爬行器相連[4]。這種管道機器人是我國第一種類型的管道機器人，通過長達30年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)有4，6，8輪式，氣動式履帶式等的檢測機器人，其主要是能夠通過控制爬行器的移動，來進行管內(nèi)的探測，在爬行器行走的過程中，頭部的攝像頭會將周邊的影像返回主控器，再由相關的工作人員對管內(nèi)的情況進行分析[5]。但是由于其基礎技術較為落后，對勘探要求和環(huán)境要求較為嚴苛，需要該管道的平面圖，使用材料，焊接技術，管內(nèi)水位等，一些詳細的資料，對于管道的水深工作溫度等，都有較高的要求，而且所返還的影響清晰度并不高，只能夠達到640×480的分辨率，其續(xù)航能力因為需要線纜連接的原因，只能夠達到80m，對于動輒上萬米的管道系統(tǒng)來說，實在是杯水車薪。圖1-1早期管道CCTV檢測機器人（2）X5-HS地下管網(wǎng)檢測機器人X5-HS型號的管道機器人，是武漢中儀公司于2017年，在早期CCTV檢測機器人的基礎上，對其進行開發(fā)研究創(chuàng)行的新式管道機器人，改進了早期管道機器人的大部分缺點，對機器人的防水能力，可適應溫度等等都做了極大的改善。驅(qū)動方式和工作原理基本沒有變化，還是最基礎的三部分組成，由最初的后置驅(qū)動變成了四輪驅(qū)動，爬坡能力和抗打滑能力得到了極大的增強，影像設備也得到了升級，可以及時反饋高達400萬像素的3D圖像，并且可以10倍對焦，還新增加了激光測量技術，用于測量裂縫寬度，可以精準找到管道內(nèi)部外表面的各種損傷[6]。圖1-2X5-HS地下管網(wǎng)檢測機器人可是其不足之處在于，一是依舊沒有拜托電纜的束縛，在管道內(nèi)可移動的距離依舊只有150m，并且在需要拐彎等的管道內(nèi)，電纜容易碰到管道內(nèi)壁，使得機器人無法行進或磨損電纜，二是只能夠探測到表面的損傷，管道內(nèi)部斷裂或者外表面磨損都是無法探測的。（3）超聲波管道檢測機器人西安石油大學的王兵于2018年綜合傳統(tǒng)人工超聲波探傷和行走機器人，研發(fā)出超聲波管道檢測機器人，以便于提高，檢測效率和準確率，也可以突破高空作業(yè)的限制[7]，目前還在理論技術階段。超聲波機器人對比傳統(tǒng)的CCTV探測機器人，它可以通過現(xiàn)代化設備的手段直接分析管道表層和內(nèi)部的損傷，避免了影像分析的諸多缺點，直接用超聲波對管道進行掃描。超聲波管道機器人在進行探傷前，首先需要在工件表面涂抹合適的耦合劑，超聲波通過耦合劑能夠順利射入被檢物體，當聲波遇到缺陷時，缺陷將被視為新的波源，發(fā)射出的聲波將被探頭接收，其波形將顯示在屏幕上。根據(jù)反射回來的聲波形狀或聲波在傳播過程中衰減特性，可以判斷工件內(nèi)部是否有缺陷存在[8]。機器人的移動采用AT89C52單片機為基本控制單元，驅(qū)動步進電機實現(xiàn)前進、停止、前進功能。并且伴隨有電磁鐵吸附系統(tǒng)，讓機器人在探測的時候，數(shù)據(jù)來源更加的穩(wěn)定。本系統(tǒng)主要由三個模塊組成：驅(qū)漏磁測量節(jié)、數(shù)據(jù)采集艙及電池艙[9]。圖1-3三軸高清漏磁內(nèi)檢測機器人驅(qū)漏磁測量節(jié)，這一模塊是整機的核心模塊，用于向檢測超聲波磁場的設備。數(shù)據(jù)采集艙用以記錄在管道檢測過程中的相關數(shù)據(jù)。電池艙，后期可以對電池艙進行升級，擴大電力的容量和縮小電池艙的大小，使得整機更加的輕巧，且續(xù)航能力提升，這一個產(chǎn)品相對于CCTV管道機器人做了很多創(chuàng)新，首先是擺脫了電纜，探索距離不再是一個較小的固定值，其次在探傷形式上，做了很大的改進，從單純的靠眼睛識別損傷，升級到了現(xiàn)在的超聲波感應。但是他的不足之處在于對管道大小要求較高，過大的管道用這個設備測量的數(shù)據(jù)往往不太準確，且需要在表面噴涂耦合劑，對于深埋地底的管道，設備的使用還是很麻煩的。（4）氣動式管道檢測機器人北京交通大學李文章Y結合機械與氣壓傳動研發(fā)出一種全氣動的管道機器人。機器人通過氣缸撐壁以及連桿變幅，實現(xiàn)了在不同直徑管道的撐壁行走。采用大減速比氣動馬達低速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)攝像頭沿壁面慢速移動，從而進行對管道壁面的圖像采集[10]。整個機器人的機械結構主要包括兩大部分，一是行走機構的設計，二是圖像采集機構的設計，通過行走機構下井，帶著圖像采集機構完成相應功能的工作任務。這兩大部分在設計的氣動邏輯下，協(xié)調(diào)完成檢測的功能，通過氣動調(diào)壓閥、節(jié)流閥等調(diào)節(jié)，實現(xiàn)機器人前進的速度與旋轉(zhuǎn)速度的變化[11]。氣動管道機器人的創(chuàng)新點在于氣動系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的輪式驅(qū)動，其抗障礙能力更強，有更好的管道爬行能力，其次是撐壁行走的設計，對于管徑的適應能力強，且不受地面雜物污泥等的影響。圖1-4氣動式管道檢測機器人整體設計圖（5）模塊化管道作業(yè)機器人天津大學聯(lián)合天津揚天科技有限公司于2021共同研發(fā)了一種模塊化的管道作業(yè)機器人，具有可根據(jù)不同的作業(yè)環(huán)境更換不同的組件，大大的增加機器人的適應性和延展性。并對機器人的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等等做了較大的改革創(chuàng)新。該管道機器人以驅(qū)動模塊為核心，相關作業(yè)工具可以安裝到驅(qū)動模塊或者以獨立模塊形式與驅(qū)動模塊連接，形成模塊化管道作業(yè)機器人整體，具備管道內(nèi)部檢測、清障、打磨等功能，由于對輪式管道機器人彎的創(chuàng)新，使的機器人可以順利通過最小曲率半徑1.5倍管徑的管道和T型管道。由于機器人以模塊化來設計的，各模塊之間可實現(xiàn)快速拆卸和安裝，提高工作效率的同時節(jié)約了大量成本[12]。在管道機器人過彎的創(chuàng)新中，集中對輪子和管道的接觸點做了研究，因為不同輪子與管道內(nèi)壁接觸點的曲率半徑不同，因此各輪子的速度不匹配會產(chǎn)生內(nèi)耗，這就必須要對機器人速度模型進行分析[13]。通過這一分析大大加強了機器人的過彎能力。機器人的機械結構主要分為3個模塊，分別為驅(qū)動模塊，作業(yè)模塊，轉(zhuǎn)向模塊。驅(qū)動模塊是整個機器人的核心，其主要包括驅(qū)動機構和變徑機構，驅(qū)動機構主要提供機器人的動力，而變徑機構可以伸縮驅(qū)動機構來適應管徑的變化。圖1-5驅(qū)動模塊作業(yè)模塊塊是由較小的驅(qū)動模塊直接安裝作業(yè)工具構成，或者以獨立模塊的形式通過萬向節(jié)、快換與驅(qū)動模塊連接，在驅(qū)動模塊的牽引下在管道內(nèi)部完成作業(yè)任務。因此其功能多樣靈活，在工作前直接將需要的模塊裝上即可。主要的創(chuàng)新在于打磨模塊，在需要進行打磨作業(yè)時，機器人兩端支撐機構的支撐桿撐開，打磨機構的砂輪伸出對準打磨點進行打磨，并且設置有防護措施，在焊縫打磨完畢后限制砂輪片的徑向移動防止管道損傷[14]。轉(zhuǎn)向模塊轉(zhuǎn)向模塊由轉(zhuǎn)向機構和較小的驅(qū)動模塊構成，轉(zhuǎn)向機構底部可以連接到驅(qū)動模塊，充當驅(qū)動模塊的“頭部”，輔助驅(qū)動模塊通過T型管道。轉(zhuǎn)向機構的設計，改變了以往傳統(tǒng)的機械機構，變成了長蛇式的管道機器人，對比之前的坦克式管道機器人，蛇式機器人更加適合在小管徑的工作環(huán)境下進行作業(yè)[15]。圖1-6轉(zhuǎn)向機構圖1-7模塊化管道作業(yè)機器人（6）油氣管道爬行機器人中國石油大學的彭鶴聯(lián)合英特爾（中國）和新疆石油管理局于2021年研發(fā)了油氣管道爬行機器人，針對性的解決了傳統(tǒng)介質(zhì)推動機器人在新建無流體管道、非常規(guī)流體管道、分支管道和逆流體流向管道等特殊工況下無法作業(yè)的問題。機器人的機械結構分三個板塊，分別為支撐模塊，伸縮模塊和行走模塊[16]。支撐模塊選擇小型氣缸作為支撐結構的動力源，在機器人的前后部分別布置三個呈120°周向均布的氣缸作為機器人的支撐結構，支撐結構的設立，使得機器人和傳統(tǒng)機器人有了很大的不同，這樣的形式的機器人有著更為強大的過障能力。圖1-8伸縮機構伸縮模塊不同于上述模塊化機器人，這款機器人使用的助腳式的，但是3只助腳會使得驅(qū)動氣缸在機器人運動過程中缸筒和活塞桿發(fā)生轉(zhuǎn)動，就會形成一個角度且不利于機器人繼續(xù)前進，所以需要加裝導向裝置，讓機器人能夠順暢的前行。行走模塊塊采用搖桿滑塊機構，滑桿傾斜安裝在機器人主體上，由兩塊相同結構的滑塊對稱安裝在滑桿上，搖桿的一端與橫桿鉸接，另一端安裝滾輪，在滑桿上安裝彈簧，行走機構能保持滾輪時刻與管道內(nèi)壁接觸。2國外管道機器人（1）德國ROVION管道機器人德國ROVION管道機器人也是屬于CCTV管道機器人的一種，其技術對比國內(nèi)并沒有太大的創(chuàng)新和突破。對比傳統(tǒng)的CCTV管道機器人，ROVION管道機器人新增加了無線遙控的技術，不再需要連接電纜的控制臺，線纜范圍也擴大至300m。在其他技術方面并無創(chuàng)新。圖1-9ROVION管道機器人（2）管內(nèi)檢測機器人莫赫德·扎姆祖里·阿布·拉希德于2020研究全新的技術，開發(fā)出了新式的管內(nèi)檢查機器人，屬于流體驅(qū)動的管內(nèi)檢測機器人，而流體驅(qū)動的管道內(nèi)檢測機器人系統(tǒng)由壓縮輸送液驅(qū)動。機器人背部和前部的流體壓力差異推動著機器人向前發(fā)展。推進機器人的速度可以調(diào)整使用靈活的密封元件和對機器人身體的支持，與輪式驅(qū)動的機器人大不相同[17]。機器人的機械結構主要研究了：流體驅(qū)動，輪式驅(qū)動，檢查機構。流體驅(qū)動通過一個和管壁緊密貼合的圓盤作為壓力分割器，再使用渦輪將液體吸入并擠壓到分割器后方，形成一定的壓力差推動機器人，這樣的驅(qū)動設計不同于船舶的原因在于，這種驅(qū)動模式可以通過步進電機準確的定位機器人的移動速度和移動舉例。輪式驅(qū)動，輪式驅(qū)動分為兩個部分一個驅(qū)動模塊和一個沖壓機構，沖壓機構將輪子壓在關閉上，以便驅(qū)動模塊有足夠的摩擦力驅(qū)動機器人。輪式驅(qū)動用于液面較低以及沒有液體的情況[18]。圖1-10輪式驅(qū)動機構參考文獻[1]賈興臣.埋地油氣管道外防腐層檢測及修復技術分析[J].全面腐蝕控制,2021,35(01):52-53.[2]李飛,劉凌西,滕乾林等.埋地管道外防腐蝕層檢測技術[J].石油化工腐蝕與防護,2019,50(14):161.[3]武亮亮.油氣集輸管道內(nèi)腐蝕及內(nèi)防腐技術探討[J].全面腐蝕控制,2021,35(01):122-123.[4]楊國勝,劉濤,王靜顯.管道機器人CCTV檢測系統(tǒng)設計探討[J].電子世界,2013(18):114.[5]Robotics;FindingsonRoboticsDetailedbyInvestigatorsatUniversityofSheffield(SimulationoftheBehaviorofBiologically-inspiredSwarmRobotsfortheAutonomousInspectionofBuriedPipes)[J].JournalofEngineering,2020:75[6]ChristopherParrottetal.Simulationofthebehaviorofbiologically-inspiredswarmrobotsfortheautonomousinspectionofburiedpipes[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnologyincorporatingTrenchlessTechnologyResearch,2020:101[7]王兵.基于超聲波的油氣管道缺陷智能檢測機器人設計[J].現(xiàn)代計算機(專業(yè)版),2018(28):68-70.[8]趙紫軍.超聲波檢測在焊縫中的應用[J].科技經(jīng)濟導刊,2017(13):56[9]郭曉婷,楊亮,宋云鵬等.油氣管道三軸高清漏磁內(nèi)檢測機器人設計驗證[J].儀表技術與傳感器,2020(12):53-57.[10]李文章,周明連.全氣動管道檢測機器人的研制[J].液壓與氣動,2020(08):161-166.[11]BenTzviPinhasandSaabWael.AHybridTracked-WheeledMulti-DirectionalMobileRobot[J].JournalofMechanismsandRobotics,2019,11(4):86[12]李清,謝同雨,楊海艦等.模塊化管道作業(yè)機器人的設計[J/OL].機械工程學報:1-11[13]KoutaroHayashietal.ImprovementofPipeHoldingMechanismandInchwormTypeFlexiblePipeInspectionRobot-Volume9,No.6,June2020-IJMERR[J].IJMERR,2020,9(6):894-899.[14]閆宏偉,汪洋,馬建強等.輪式管道機器人過彎動態(tài)特性分析[J].西安交通大學學報,2018,52(08):87-94.[15]李琴,賀一烜,黃志強等.管道機器人變徑機構設計及垂直管道內(nèi)移動可行性分析[J].制造業(yè)自動化,2021,43(01):104-108.[16]彭鶴,王