国内外管道作业机器人技术综述

国内外管道作业机器人技术综述
管道机器人是特种机器人的重要分支之一，它是在现代石化、城市建设等管道施工技术推动下产生的。

管道机器人在管道所属的特定空间内工作，可以携带各种检测仪器或作业装置，在操作人员的遥控或自主控制下进入管内，完成诸如管道探伤、防腐涂层检测及涂敷、管内异物识别及清除、管内加工等任务。

早在二十世纪五六十年代，随着以油气管道为代表的大口径管道敷设工程的迅速发展，管道运行事故频繁发生，引起了人们对管道检测和维护的高度重视。

美、英、法、德、日等国家相继开展了以长距离管道的清理及检测为目的的自动机械研究。

最具代表性的是一种无动力的管内清理及检测设备，它靠设备首尾两端管内输送介质的压力差来提供行走动力，用相关仪器或装置完成管内清理或管况质量检测。

一般认为，PIG是管道机器人的最初萌芽。

二十世纪七十年代，核工业等部门的管道和罐状容器的维护及检测需求刺激了管道机器人技术的研究和发展。

同时，石油、天然气工业的发展也为其提供了广阔的应用背景。

二十世纪八十年代，计算机、传感器、控制理论及技术的发展又为管道机器人的研究提供了技术保证，用于管道检测、探伤、维护、管内加工等用途的机器人试验样机及商业化产品的种类和数量不断增加。

二十世纪末至本世纪初，随着医疗事业、微机电系统(Micro Electro Mechanical System，缩写为MEMS)以及各种微驱动元器件和相关材料等技术研究的进步，出现了微小管道机器人技术的研究热潮。

这种微小管机器人以进入人体微细管道进行诊疗和检查为目的，也同样适用于核电站等重要领域的细小管道的检测、探伤和维护。

图8 管内检测PIG典型样机
具有自主行走能力的管内移动机器人
在对管道进行各种施工作业过程中，一般都需要机器人具有自主位置控制能力，所以真正意义上的管道机器人必须具有自主行走能力。

按驱动形式可把此类管道机器人分成轮式管内移动机器人、履带式管内移动机器人、蠕动式管内移动机器人等类型l。

轮式管内移动机器人在汽车等轮式交通工具的启发下，人们很自然地想到管道机器人可以采用轮式驱动方案。

实际上，由于轮式行走具有结构简单、行走连续平稳、速度快、行走效率高、易于控制等诸多优点，使得目前已开发出的管道机器人大多数为轮式驱动方式，轮式管内移动机器人也是工程管道用机器人实用化程度最高、数量最多的一种。

由于轮式驱动管道机器人行走动力来源于驱动轮与管壁间的摩擦力，所
以潜在驱动能力的大小取决于驱动轮与管壁间的正压力。

为了获得较大的驱动力，一般采用弹簧力、液压或气动力、磁力、重力等将驱动轮紧压在管壁上，以获得较大的接触正压力。

在科技文献上常把驱动轮与管壁间的这种压力叫做封闭力，产生封闭力的机构叫做力封闭机构。

驱动轮子转动时，驱动轮与管壁间的附着力产生机器人行进的驱动力，从而实现了机器人的管内移动，这就是轮式管内作业机器人行走的基本原理。

履带式管内移动机器人为使管道机器人在油污、泥泞、障碍等恶劣条
件下达到良好的行走状态，人们研制了履带式管道机器人，履带式载体具有附着性能好，越障能力强，并能输出较大的拖动力等优点;但由于结构复杂，不易小型化，转向性能不如轮式载体，两轮机构稳定性差，容易发
生倾覆等原因，此类机器人在管道内应用较少。

蠕动式管内移动机器人参考蛆蚜、毛虫等动物的运动，人们研制了蠕
动式管道机器人。

机器人的运动是通过身体的伸缩(蠕动)实现的，其运动节拍是:首先，尾部支承，身体伸长带动头部向前运动，然后，头部支承，身体收缩带动尾部向前运动，如此循环实现机器人的行走。

此种机器人管道内移动速度慢且波动大，平稳性差。