韩国延世大学的履带式管道机器人_韩国延世大学全球人才学院

在现代社会，各种管道已经遍布我们生活环境的各个角落。作为能源和其他物质的运输通道，给我们的生活带来了极大的便利和巨大的经济效益。但同时也产生了一系列问题，管道在使用过程中总会存在老化、腐蚀、堵塞等问题，而且大量管道不是人可以直接接触的，这就给管道的检测和维护工作带来了很大的困难。为了进行管道的检测和维护，传统的挖掘方法和随机抽样的方法，存在工作量大和效率低等缺点。

管道机器人的研究与应用，有效的解决了这一问题。管道机器人综合了多种传感器、智能移动载体、作业装置和无损检测等技术,凭借其自身优势可以完成对管道的检测和维护。这极大地提高了管道检测和维护的工作效率。

国外对管道机器人的研究起步较早，20世纪四五十年代，国外就开展了对管道机器人的研究，已取得了一些成果。90年代后。国内也相继开展了对管道机器人的研究，已基本达到了实际应用的水平。管道机器人按其行走方式主要可以分为轮式、履带式、蠕动式、多足式等。按能源供给方式可以分为拖缆管道机器人和无缆管道机器人。

1国内外管道机器人研究现状

1.1 国外管道机器人研究现状

美国早期研制的防水管道检测机器人—P350 Flexitrax，采用轮子作为行走机构，具有一定的灵巧性。其采用模块化的设计思想，机器人的本体和驱动轮应用了独立设计的方法，驱动轮可以自由更换，通过更换不同的驱动轮可以实现适应不同的管径和工况的目的。但其更换一种驱动轮只能适应一种工作环境，使用效率不高。该管道机器人主要用于水下管道的检测，通过前端携带的高清CCD摄像机和LED灯可以清晰的检测管道内的情况。

加拿大Inuktun Services公司设计了Versatrax系列管道机器人用于管道内部检测，其中一款履带式管道机器人。该管道机器人采用履带作为行走机构，驱动力较大，两侧的履带成一定的夹角布置，通过调节夹角的角度可以改变管道机器人周身尺寸的大小，以适应不同的管径。缺点是不能实时的根据管径的变化调整行走机构夹角的大小，同时，履带式的管道机器人一般只能适应大管径的管道。

Flexitrax 管道机器人

Versatrax管道机器人

韩国的研究者设计了一种多体合作式的管道机器人collaboration-type。这种管道机器人采用周向均匀分布的三组履带作为行走机构，电机布置在一组履带中间直接通过齿轮驱动履带。每组履带通过可变形连杆机构与本体相连，在弹性元件的作用下保证了履带与管壁之间的压力。该管道机器人的另一个设计优点是采用多体组合的方式通过弹簧连接，可以提高管道机器人的拖动力。

collaboration-type系列管道机器人

2000年，德国成功研制了一种六关节管道机器人—MAKRO。该管道机器人的头部和尾部是两个完全相同的单元体，中间由四个相同的单元体连接而成，每个单体之间由3个电机独立驱动，共具有21个自由度，可以轻易实现管道机器人的前进、后退、越障和转弯运动,适应较小的管道。该管道机器人依靠其多自由度的结构，以蠕动的方式运动，其运动速度较慢。

MAKRO管道机器人

西班牙学者基于Gough-Stewart并联机构研制了一种攀爬式管道机器人机器人。该机器人主要由上下两个环形平台和6个连杆组成，以类似于6-UPS并联机器人的连接结构，增加了机器人的自由度，使其具有高强度、重量轻的优点，可以提高其运动效率。其通过环形平台上均匀布置的气动元件压紧管壁，实现在管道内的爬行运动。

德国慕尼黑大学开发了一种多足爬行管道机器人—MORITZ。该机人是整体呈一个4自由度的杆状结构，对称的分布着8个爬行足。该机器人长为0.75m，宽为0.6m，高为0.6m，重为20kg。该机器人可以在复杂的管道内平稳行走，具有一定的越障能力，但对于弯道的通过性较差 且存在移动速度缓慢，驱动效率低，控制复杂等不足。

MORITZ管道机器人

PIG-type 管道机器人

美国 Weatherford 公司开发了一种用于检测管道几何缺陷的管道机器人PIG -type。该管道机器人的驱动力来自于管道内介质的压差，机器人上聚氨酯密封碗结构就是为了增大流体的压力作用，36个弹性臂的周向均匀布置保证了管道机器人轴线与管道轴线重合，也提高了机器人的速度稳定性。机器人安装了两组里程轮，每个里程轮单独记录数据，在较大程度上提高了缺陷的定位精度，缺陷的定位误差小于2%。这种依靠介质的压力驱动的方式有效地提高了能源的利用率，但同时使得机器人运动速度不易控制。

日本设计了一种靠电池作为其动力的管道机器人—KANTARO所示。该管道机器人结合了其他管道机器人的一些优点，四个驱动轮独立驱动增加了其运动的灵活性。机械结构与控制系统分开设计，实现了模块化的思想。通过其自身携带的摄像传感系统，可以捕捉周围的工况，实现自主化的导航运动，不仅能适应不同的管径，对于各种L型和十字型的管道也有良好的通过性，且不需要拖缆，减小了负载损失。

1.2 国内管道机器人研究现状

沈阳自动化研究所和日本立命馆大学联合研制了一种具有轴向和轴向探查功能的螺旋式管道机器人，提高了管道缺陷检测的准确率和探测效率，解决了螺旋式管道机器人携带电缆易发生缠绕的问题。该管道机器人采用了可变约束驱动机构，利用单台电机可以控制机器人的所有动作。同时其驱动机构采用了弹性元件，使其驱动轮可以在周向方向上压缩，具有一定的适应管径变化的能力。

三轮腿式管道机器人

国内，哈尔滨工业大学邓宗全教授设计了一种三轮腿式的管道机器人。该管道机器人通过电机带动滚珠丝杠，主动调节轮腿的开合，以达到在行走过程中适应管径变化的目的。这种调节方式可以使轮腿有较大范围的开合，适应管径的范围增大，但其主动调节存在一定的误动作。驱动系统方面，三轴差速器的设计可以自动分配驱动轮末端的转速，而不改变输出力矩的大小，使管道机器人可以适应管道在弯道处曲率的变化，减小功率损失，提高了管道机器人的机械自适应能力。

蠕动式机器人

管道蠕动机器人

国内，上海交通大学利用SMA材料开发了一款管道蠕动机器人，该机器人整体呈正方形，边长为35mm，由12根蠕动元件组成，重量约19.5g。通过控制机器人的12根蠕动元件可以使机器人具有12个自由度，轻易的完成上、下、左、右全方位的运动，适合于L型和T型管道较多的场合。但依靠蠕动元件作为驱动机构，行走速度受到了很大的限制，该机器人的速度仅为15mm/min，且控制较复杂。

北京石油化工大学结合仿生学设计了一种类似于蝎子的管道机器人。该管道机器人模仿蝎子身体的结构和运动方式，可以轻松越过一定的障碍，而且具有蝎子独有的反射结构简单的特点，使得机器人的控制相对简单。这种多足的管道机器人增加了机器人的自由度，可以选择最佳的姿态在管道中行走，在不规则变化的管道内有良好的应用。这种管道机器人主要通过行走足的协调配合实现越障的，随着行走足的增加，协调控制的难度也会增加。此外，行走速度较慢，驱动效率不高。

国内广东工业大学研制了一种能源自给式机器人，机器人既可以靠流体的推动力进行运动，也可以把流体的能量转化为电能储存起来。管道机器人的牵引部分像一把雨伞一样，流体介质作用在伞面上，提供推力。通过调节伞面在管道截面上投影面积的大小，可以调节管道机器人的速度。当机器人靠固定机构固定在管道内的某一位置时，流体会推动发电机工作，将流体的能量转化为电能储存起来。

2 管道机器人关键技术

管道机器人的研究主要表现在通过性和能源供给两个方面。管道机器人的通过性主要是指管道机器人能够以最优的姿态通过管道的能力，通过性直接影响着管道机器人的定位精度、检测质量、能源利用率等方面，管道机器人的通过性主要包括行走机构、过弯能力、适应管径能力和越障能力。能源供给是指为了满足机器人运动的要求采取的各种形式的能源开发和利用，其代表着管道机器人工作能力的大小。

2.1 行走方式

目前，管道机器人的行走方式主要有轮式、履带式、蠕动式、多足式，每一种方式都有各自的优缺点。

轮式管道机器人依靠驱动轮行走，具有运动灵活、速度快的特性。轮式管道机器人其轮子的设计大小在一定程度上决定了机器人的周向尺寸，所以其对大小管径都有一定的适应性。但轮式管道机器人其轴向尺寸与支撑面积的比值较大，会存在倾覆的缺点。履带式的管道机器人由其结构的原因一般适用于大管径的管道或矩形管道，其驱动力较大，在转弯过程中功率损失较大。蠕动式的管道机器人简化了行走机构，适用于小管径的管道，尤其是在医学等特殊环境中的应用较广。多足式管道机器人由步态算法决定了其运动的灵活性，其具有良好的越障和转弯能力，但其机构和控制较复杂。

结合各种行走方式的优缺点，轮腿式管道机器人得到了广泛的关注和研究，其具有轮式和多足式管道机器人的优点，运动灵活且控制简单。但其行走机构还需要优化设计。

2.2 过弯能力

管道机器人其工作环境为一封闭空间，其在管内转向运动时，受到管道空间约束，不同类型接头管道对其也产生了一定的影响。管道机器人在管道内转弯时主要存在以下问题：1、如何正确识别弯道的类型，并向正确的方向转动；2、转弯时，管道机器人本体与管到空间的不相容性；3、弯道曲率对管道机器人运动性能的影响。

管道机器人过弯原理图

目前，大部分管道机器人还不能自主识别弯道类型，其运动主要是依靠操作者的判断。对于各种T型和十字型等复杂的弯道类型，其主要依靠摆动前端的电磁导向头向正确的方向运动，运动效率不高。

管道机器人在封闭的管道内行走，其自身的尺寸必然受到管内空间的影响，尤其是在转弯时，管道机器人本体与管内空间的不相容性。其原理简图如图14所示，假设最大直径为d的管道机器人通过直径为D的管道，在转弯时往往会存在卡死的现象。研究表明，管道机器人的尺寸决定着其通过弯道的大小。

三轴差速器

管道机器人在弯管内行走，由于管道曲率的不同，其运动状态较复杂，往往存在速度差、旋转、能量损失等问题。主要针对轮腿支撑式管道机器人，由于其在转弯时管道曲率的变化使轮子同时受到沿管道轴向和侧向的摩擦阻力，沿管道轴向的摩擦力使管道机器人产生速度差，沿侧向的摩擦力使管道机器人产生旋转。哈尔滨工业大学的邓宗全教授等人根据研究了管道机器人在弯道的转弯特性，得到了三轮腿式管道机器人在管道内的最佳姿态角，并设计了三轴差速机构解决了三个轮子速度差和能量损失的问题。

2.3 适应管径能力

管道机器人在行走过程中为了适应管径的变化，其本体必须可以改变周向尺寸的大小，适应管径机构的原理为把轴向运动转化为半径方向上的位移。

目前，适应管径变化的方式按驱动方式主要分为是主动调节和被动调节两种。主动调节方式主要有涡轮蜗杆调节方式、升降机调节方式、滚珠丝杠螺母副调节方式。涡轮蜗杆调节和升降机调节电机承受的输出力矩太大，对电机要求较高，不易实现。滚珠丝杠螺母调节，改变了力的传递方向，减小了电机负载。主动调节的方式增大了管道机器人适应管径的范围，但其增加了机器人轴向尺寸，影响了过弯性能，此外主动控制的方式无法保证管道机器人力封闭的特性，存在一定的延时和误判。被动调节的方式主要

是采用弹性元件来实现的，这种管道机器人具有实时的调节性能，但这种调节方式适应管径变化的范围较小，而且在保证驱动压力不变的方面还存在一些问题。

上海大学根据行星轮系的特性设计了一种适应管径的欠驱动机构，其管道机器人由单电机驱动，既可以实现前进又可以适应管径的变化。当管径发生变化时驱动轮与管壁之间的压力会迫使行星轮的L型架发生旋转，迫使行星轮始终与管壁接触，保证了其正压力恒定。但这种设计方案中行星轮的大小对管道机器人适应管径变化的范围起着决定性的作用。

2.4 越障能力

针对管道的复杂工况，管道机器人应具有良好的越障能力。管道机器人的越障能力不仅包括管道壁的缺陷导致的障碍，还包括竖直管道和水平管道造成的运动状态的改变。

管道壁的缺陷阻碍了管道机器人的运动，使机器人产生震动、卡死等现象，影响了管道机器人对管道的检测和维护。管道机器人在竖直管道上的运动与水平管到相比还需要克服自身的重力，增加了负载损耗，需要时刻调整行走机构的位姿，以保证机器人在竖直管道中不会下滑。

多足式管道机器人，由于其灵活的机构设计，可以优化步态适应各种障碍物。但其算法的研究和控制较复杂。平面上全向轮的结构为管道机器人越障提供了一个很好方案，曲面上全向轮系的应用或轮系的组合可以实现被动的越障功能。

2.5 能源供给

管道机器人除了可以采用机器人通用的能源供应方式，还存在其特殊性。管内机器人在封闭的管道内行走还可以利用流动介质的压力提供动力。

管道机器人的能源供应方式主要有拖缆和无缆两种方式。采用拖缆的方式，可以有效地解决电力供应不足的问题，给管道机器人的安全运行带来一些保障，但增加了管道机器人的负载，限制了管道机器人的最大行程范围。采用无缆的方式，虽然减轻了负载约束，但其能量密度低，在某些情况下供电性能会急剧下降，影响管道机器人的运动性能。应用流体介质的能量，可以节约能源，但目前利用率不高，且不易控制能量的输出，还会影响管内介质的流动等存在一些实际应用的问题。

目前对于能源问题，提出了一些解决方案，例如利用流体的挤压、电磁驱动、微波传递能源等方式，但还有一些技术问题没有解决，应用水平极低。

3 展望

通过对管道机器人的分析，未来智能管道机器人应该具有以下发展趋势：

（1）被动自适应性

被动自适应理念的引入可以增加管道机器人的自由度，有效地提高管道机器人在管道内的灵巧性。被动自适应机构的设计旨在改善管道机器人在管道内的通过性。直线行走时，可以适应管径的变化，并且始终保证行走机构与管壁的有效压力维持恒定。通过弯道时可以根据弯道处各点的曲率变化调整行走的速度，减小滑动摩擦造成的能量损失。越障时可以根据障碍物的实际情况被动的绕过障碍物继续前进。

（2）单体模块化

针对目前管道复杂化和多样化的问题，提高管道机器人的利用率，将管道机器人的机构分模块化设计，各模块之间采用通用的连接方式。实际应用时，根据管道的不同选择不同的组合方式，可以提高各模块的利用率。还可以根据工作任务的不同携带不同的检测和维护设备。同时，多体组合的方式提高了管道机器人的拖动力，增加了管道机器人的稳定性，防止其在管道内倾覆。

（3）能量优化

提高机器人的能耗比一直是研究者追求的目标。能量的损耗主要表现在负载损失和传递损失两个方面。拖缆管道机器人应该减小其拖缆的负载损失，提高管道机器人各机构的传递效率。对无缆管道机器人应该进行其能源供应的可靠性设计。研究新的更加高效的能源供应方式，提高能量利用率也将是管道机器人的一个发展趋势。