流体驱动式管道机器人的发展现状

流体驱动式管道机器人的发展现状崔高健1，姜生元1，2(1.长春理工大学机电工程学院，吉林长春130022;2.北华大学)摘要:随着计算机、自动化等技术的发展进步，流体驱动式管道机器人已经成为完成复杂管内清洗、检测、维修、焊接等任务的智能化装备，对延长管道使用寿命，降低安全事故风险具有重要意义。本文介绍了流体驱动式管道机器人的发展历史及国内外发展现状，分析了目前的管道机器人所面临的主要问题，并提出了解决问题的几点粗浅认识。关键词:管道机器人;发展;驱动;能源供给收稿日期:2011-11-20;修改稿收到日期:2011-12-10基金项目:吉林省科技发展计划项目(20100517)作者简介:崔高健(1970-)，男，吉林白城人，教授，博士研究生，研究方向为机器人机构学、特种机器人及机电系统设计，机械智能检测。0引言管道机器人作为一种较为理想的管道检测和维护设备，广泛地应用于管道的清洗、检测、维修、焊接等诸多领域，对延长管道使用寿命，降低安全事故风险具有重要意义［1］。流体驱动式管道机器人多无自主行走能力，是通过驱动单元的类活塞结构，依靠首尾两端流体介质的压力差实现自驱动，该类型管道机器人很好地解决了长距离作业的能源供给问题。因此，流体驱动式管道机器人的研究，受到了各国学者的高度重视。1流体驱动式管道机器人的发展历程19世纪70年代，随着美国管道运输的产生和发展，流体驱动式管道机器人被用于油气储运行业的管道清理工具。其中，最具代表性的就是美国研制的“管道猪”———PIG［2］。管道猪的动力来源于流体介质的能量，当首尾两端流体压力差大于摩擦阻力时，管道猪就会向前运动［3］，无须拖带电缆或者携带蓄电池就可实现驱动，一次性行走距离可达几百km。20世纪80年代初，由于计算机、自动化等技术的进步，管道机器人进入快速发展期［4］，并最终发展成可完成复杂管内检测任务的智能化装备———流体驱动式管道机器人。2国外流体驱动式管道机器人研究现状英国HAPP公司研制了一款液压驱动式管道清理机器人，专门用于清洗管道内的结蜡和水合物［5－6］。该机器人由刹车单元、密封单元和清洗喷头三部分组成，整个机器人系统是贯通的，允许流体介质流过，在密封单元的头部安装有清洗喷头。该机器人不具备压力调节功能，由于机器人行走速度很慢，所以清洗效率不高。美国Weatherford公司开发了MultiCal360多通道管径检测机器人。机器人长1.75m，重387kg，最大速度4m/s，最大行程720km，最长运行时间200h。该机器人用于检测管道几何缺陷，还可以采集温度、压力、速度等数据，检测误差小于2%［7］。美国加州理工大学的A.BrettSlatkin等在Mediworm的基础上设计了一套机器人内窥镜系统［8］。该系统以压缩气体为动力源、橡胶气囊为驱动器，运动机理为仿尺蠖式运动。其夹紧驱动器基于充气气球的原理，该原理在硬管内的运动是成功的，但在柔性肠道内和表面粘滑的环境下，其夹紧效果不太理想。2000年该研究小组对机器人进行改进，还对肠道的动力学模型进行了分析。挪威石油公司、FTL密封技术公司、管道清理技术公司和管道研究有限公司联合研制了一款具有多管径适应能力，可双向运行的流体驱动式管道机器人。该管道机器人主要功能是清理管线试运行时残留的积水［9］。机器人上安装了两组支撑轮结构，采用这种支撑结构可防止机器人因自重造成的偏心现象，保证密封效果。其首尾两端的·166·《冶金自动化》2012年S1密封圈对称分布，可以实现双向运行。该机器人于2009年3月在挪威的Alve输气管线进行了现场实验，管道全长15.7km，管道内径变化范围为Ф257～320mm，弯管的曲率直径为5D(D为管道公称直径，D=305mm)。机器人运行速度为0.03～0.08m/s。实验表明，该机器人具备较好的管径适应能力，不具备速度控制能力。英国杜伦大学ErnestAppleton和ZhengHu研制出了一种新型自驱动的管道机器人，并对其动力学特性进行了分析［10］。该管道机器人应用了一种往复移动机构，利用毛刷与管道内壁的摩擦力带动机器人行走。该机构的作用有两个:一是把涡轮的旋转扭矩转换为机器人的水平作用力;二是把涡轮的旋转运动转换为螺母的往复移动。该机器人的运动速度较低，流体能量利用率较低，可靠性不高。德国ROSEN公司开发了多种智能化、集成化流体驱动式管道检测机器人，应用联合管内检测技术，将几个功能模块搭配使用，构成多种产品，以满足不同检测需求［11］。机器人的功能模块主要包括:速度控制单元，几何检测单元，漏磁检测单元(MFL)和电磁超声换能器检测单元(EMAT)。其行进速度在1～5m/s之间，管道内介质流速达到15m/s，机器人易产生速度波动。3国内流体驱动式管道机器人研究现状广州工业大学杨宜民、黄明