管道机器人的发展与展望
2016-10-21邵琦谢哲东
邵琦 谢哲东
摘 要:本文介绍管道机器人的发展历程,并从国内国外2个角度进行了详细的介绍。全文按行进装置的不同介绍了不同类型的管道机器人的机构特性及其应用领域。展望管道机器人未来的发展趋势。
关键词:管道机器人;国内外发展;应用领域;发展趋势
中图分类号:TP242 文献标识码:A DOI:10.11974/nyyjs.20160332072
引言
管道机器人是一类集多类传感器及操作装置(录像机、清理装置、焊接装置、防腐喷漆装置、机械手、位姿传感器、超声波传感器等)一身的机器人。管道机器人作业时通过操作员远距离的遥控来控制完成管道下一系列的清理维系等工作,是一种新型的自动化在水下管道中的自动化作业装置。
管道运输有运输效率高、制造方便、运输手段简便等优点,所以被广泛应用于工业、农业、生活中的各个领域。目前,我国输送汽油等燃料的管道已建达500000km,而且在以每年1500km的速度快速增长。如图1为工业冷却水管道,图2为电站蒸汽输送管道。
然而随着使用时间的不斷延长,管道老化日益严重,管道内壁或外壁不断受到输送介质、外部力的冲击等各种因素的影响,很可能会出现管道的泄露、裂纹、输送介质泄露或截留面积减小等问题。所以就需要对管道的情况进行定期的排查、维护和维修。然而有些管道通常输送的介质多是对人体有害的并且管道的空间狭小,使得工作人员无法直接人工对管道进行维修和检测。
由于管道的掩埋性,目前采用最多的维修方式就是挖掘法、抽样检测维修法等。这些方法需要大量的人力物力财力,并且无法保证管道的正常使用。还有的方法随机性很强,准确率很低,无法做到对管道进行彻底、高效的排查,造成了管道运输的安全隐患。
基于以上不尽如人意的管道排查、检测和维修方式,所以迫切需要一种新的管道维修的方式。国内外学者提出了一种由机器人代替人员进入到管道中对管道进行日常维护、检测的新想法,并对其进行深入的研究。自1978年提出了腿足式的管道机器人以来,管道机器人开始了迅猛的发展,其中一部分管道机器人已进入到实际应用阶段,在管道的日常检查、排查、维修中起到了发挥了重要的作用。
1 管道类机器人国内外发展现状
欧洲对管道机器人的研究起步相对较早。伴随着电子技术以及通讯技术的发展,管道机器人已达到了实际应用水平。
日本电子行业的发展也刺激着管道机器人的不断革新。例如从1990年,东京大学就开始了管道机器人的研究,并提出了THES系列管道机器人,如图3。
“月球车”是早期俄罗斯提出的配备有9个驱动的并联机器人。采用并联传动机构,摄像头翻转可进行多角度的拍摄,对维修部件进行了多角度的找位,管道气人利用自身的设备对管道进行检测、维修作业,如图4。
MRINSPECT系列管道机器人由韩国Sungkyunkwan大学提出的,如图5所示。此类机器人的能源传送相对于传统的电机传送动力而言,该系列机器人采用的是有缆的方式进行能源和信息的传送。各个部件间采用的是万向铰相连,采用弹簧支撑使其能够针对不同的管道具有自适应能力。由于支撑点采用2个主动轮作为支撑,稳定性好,可以外带其它设备完成其它工作。
国内对于管道机器人的研发相对起步较晚,虽然如此,国内也不乏有典型的并联机器人研究成果。例如上海交通大学提出了煤气管道检测机器人。该机器人具有特殊的四边形结构,具有很好的自适应,采用轮腿的行进方式。
Pipesbot是由清华大学提出的一种结构紧凑的蠕动式机器人如图6,驱动电机与通过万向节与前部结构连接,通过转换模块进行外部能源的输入供给。自适应性的实现是通过四边形连接点的位移变化实现的,使机构能够形成不同的转弯半径来适应管道半径的变化。
2 管道机器人的结构类型
管道机器人按照运动部件分为轮式、履带式、关节式、压差介质式等
2.1 车轮式管道机器人
轮式机器人如图7,具有速度快,机构简单,拖动力大等特点。广泛应用石油、汽油输送管的日常清理和维护中。该类机器人行进特点是需使驱动轮与管道内壁有一定的封闭的正压力才能产生一定的供其行走的摩擦力。该正压力主要来源于机器人的自身重力、弹簧力等等。
2.2 履带式管道机器人
履带的结构使得该类机器人具有非常好的附着性,所以对于泥泞或有较厚油污的管道也能可靠的行进,如图8。但履带式管道机器人由于是履带这种较为复杂的行进方式,不易控制,也不易实现自动化。
2.3 关节式管道机器人
关节式机器人是仿生学在机器人行业应用的典型例子。此类机器人一般具有较为复杂的结构,机器人尺寸相对较大。应用于管道机器人领域中,由于管道空间有限,必须对其机构尺寸进行严格的设计。
3 展望
经过国内外学者多年来的潜心研究,使管道机器人已经形成了较为成熟的体系,并且在实际应用中也取得了预计的成果,特别是在焊接、清理、检测、修补等方向,但也主要是针对于管径较大的管道。而对于小管径的管道机器人还有许多需要解决的问题:
如何提供较大去污力;限制空间内的机构结构的设计;能源供给方式;管道内外的信号传送。
参考文献
[1] 王殿君,李润平,黄光明等.管道机器人的研究进展[J].机床与液压,2008, 36(4) :185-187.
[2] 韩毛毛.管道内壁减阻结构加工机器人控制系统研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工程大学(硕士论文), 2012:8-10.
[3] 王耀华,左仁贵.国内外微型管道机器人研究现状[J].机械设计,2010,27(12): 1-5.
作者简介:邵琦(1991-),男,硕士研究生,研究方向:管道机器人。