油气管道机器人技术现状及发展趋势



油气管道机器人技术现状及发展趋势

油气管道机器人是一种集机电一体化、检测技术、智能移动载体技术等先进技术的综合体。根据在输油管道中实现检测、喷涂、焊接、清洗等功能的不同，或者根据工作环境与运动方式有不同的类型划分方式。

结合其运动方式，主要考虑机械结构的不同将管道机器人分为7大类：1）流体驱动式管道机器人依靠流体获得驱动力，不需要额外增加任何动力元件，只有在具有足够压力的大管径管道内才能得到有效驱动。美国GE公司、BakerHughes公司、TDWilliamson公司、瑞士R0SEN公司生产了利用机械刮削、射流、泡沫和凝胶等清洗方式的清洗型管道机器人；2）轮式管道机器人类似于一辆平板小车，通常采用电机直接驱动机器人轮子的方式，其动力是由机器人上装载的电缆或电池配送，因此其运动距离受到很大程度的限制，轮子与管壁的摩擦力有限，轮式机器人不适用于大流量的管道内，同时无法在垂直管道内使用；3）履带式管道机器人是由轮式管道机器人将轮子改良为履带演变而来，可以有效地提高机器人牵引力、越障能力，但控制难度加大、体积也有一定程度增大，灵活性受到影响；4）支撑式管道机器人是也轮式管道机器人的一种变形，周向均匀布置的支撑臂紧贴管壁，可以在垂直管道内的运动；5）行走式管道机器人可以实现管内爬行，拥有非常复杂的机械结构和多组驱动器，其制造难度、控制难度都相当大，除非十分精密的管道或者特殊作业要求，一般不采用行走式管道机器人；6）蠕动式管道机器人通过不断重复的收缩和伸长运动使机器人克服了轮式机器人对管壁磨损较严重的问题，在越障方面也胜过轮式机器人，因而在小管径、短距离任务中应用相当广泛。Smartract公司和Omega公司生产的蠕动式管道机器人牵引力大、性能好，在油气井中进行测井、修井等作业表现突出；7）螺旋式管道机器人是将驱动轮轴线与管道轴线之间形成一定夹角，使驱动轮沿管道壁的某一螺旋线行走，螺旋运动沿轴线的速度分量即为管道机器人的移动速度。

管道机器人的运动控制和定位问题，一直是管道机器人领域亟待解决的技术难题。自驱动式管道机器人常采用上位机进行运算处理、路径规划，下位机与电机、电磁阀等通信实现执行机构动作的方式。流体驱动式管道机器人主要用于长距离、大管径管道的清管、检测等作业。这类机器人的动力来自于管道中的流体，机器人的速度与管道内流体的速度相关，想要实现这类机器人稳定适应于作业需求的速度是十分困难的，第1种方法是通过调节机器人上下游加压站压力的方式来调节机器人运行速度；第2种方法是采用在流动式机器人内部开设固定旁通孔的控速方式。

常用的定位方式有里程轮定位、GPS卫星定位和CCD视觉定位。大多机器人采用里程轮定位的方式，其本质是通过记录里程轮转过的圈数来得到当前位置。GPS卫星定位法的实现需要管内机器人与外界保持实时通信，其定位精度高。CCD视觉定位的基本原理是利用视觉传感器实现机器人定位。除了这3种主要方式外，在管道机器人定位问题上还使用到测力定位法、多传感器定位法、电磁波定位法和超声波定位法等。总之，随着传感器技术、信号处理技术和图像处理技术等不断发展，管道机器人的定位精度、准确性和实时性都得到了一定程度的发展，但是在环境恶劣、埋藏较深的情况下管道内定位的精度和准确性还有待提高。

未来对于油气管道机器人的研究将主要集中在以下几方面：灵活可靠的机械结构；实时稳定的控制系统；能量供给。

李秋扬 编辑自《西华大学学报》2016年1期“油气管道机器人技术现状及发展趋势”（原作者刘清友）