管道检测机器人关键技术研究进展*

□ 石红梅 □ 侯 伟

1.陕西能源职业技术学院 智能制造与信息工程学院 陕西咸阳 7120002.咸阳市特种设备检验所 陕西咸阳 712000

1 管道检测机器人概述

随着石油、化工、电力、天然气、核工业等产业的迅猛发展,具有输送量大、方便快捷、成本低等优势的管道输送设备在工业生产中占有越来越重要的地位。受输送介质、自身缺陷、自然灾害等因素的影响,管道内部会产生腐蚀、磨损、开裂、结垢等现象,在安全稳定运行方面存在隐患[1-3]。由此,管道的定期检测和维护非常重要,这同时成为阻碍工业管道发展的一道难题。传统的管道检测依靠人工进行,效率低,工作量大,管道中某些位置工作人员无法进入,也就无法进行检测和维护。近几十年来,具有操纵灵活、运动快速、判断准确、成本低等优点的管道检测机器人飞速发展,成为国内外学者研究的热点。

管道检测机器人是一种可以在管道内部自由行走,携带一种或多种传感器与操作机械的特种机器人。管道检测机器人通常由工作人员遥控操作,或由计算机自动控制行走,集成计算机技术、通信技术、图像处理技术、微电子技术、传感器技术、机械设计制造技术等[4],能够进入复杂结构管道环境中,完成缺陷检测、防腐涂层涂敷、异物清除、加工等管道内作业任务。经过长年的研究和发展,国内外学者在管道检测机器人的研究中取得了较多技术成果。管道内部环境复杂,管道检测机器人的关键技术备受关注,这同时也是管道检测机器人的难点,笔者对管道检测机器人关键技术的研究进展进行介绍。

2 变径技术

由于工业管道管径大小不一,管道检测机器人在工作时会遇到不同管径的管道,这就要求管道检测机器人能够适应一定范围内管径的变化,这样不仅可以提高工作效率,而且能够降低使用成本。近年来,管道检测机器人的变径技术成为国内外研究热点,变径技术是管道检测机器人的关键技术之一。

目前,较成熟的变径技术主要有两类。一类通过机械机构来实现变径,如蜗轮蜗杆机构、升降机机构、滚珠丝杠螺母副机构等[5]。蜗轮蜗杆机构和升降机机构对电机的要求比较高,不易实现,因此通常采用滚珠丝杠螺母副机构来实现管道检测机器人的变径。滚珠丝杠螺母副机构对电机的要求不高,但是会增大管道检测机器人的轴向尺寸,弯道通过性能不佳,不适合管径小、弯道多的管道。另一类通过弹性元件[6]或气压元件[7]来达到变径的目的,因弹性元件或气压元件性能有限,变径能力受限,故不适合管径较大的管道。

对管道检测机器人变径技术的研究,最具代表性的是韩国大邱庆北科技学院研发的一种呈120°夹角均匀分布的履带式管道检测机器人,采用剪刀梁式升降机构来实现变径,变径范围为600～800 mm,主要用于管道的清洁和检测工作[8]。由此衍生出相似结构的管道检测机器人,采用丝杠螺母副机构,变径范围为300～700 mm。此类管道检测机器人结构较为复杂,目前还没有得到产业化大规模应用[9-11]。国内学者研发了轮式和足式变径管道检测机器人,行走方式不同,但变径机构基本都采用滚珠丝杠螺母副机构,机器人轴向尺寸大,使用范围受限[12-13]。

从总体看,管道检测机器人变径技术在国内外得到了长足发展和应用,但还不能实现大规模产业化,实用性欠佳,尤其是对于特殊环境下的管道,如T型管道、弯管等,实用性不强。管道检测机器人变径技术还需要研究以下问题,才能得到更广泛的应用。第一,需要研制出变径范围广、驱动力大、体积小、具有机械自适应功能的变径机构,使管道检测机器人能够根据管内几何尺寸实时自动调整变径范围和驱动力。第二,管道检测机器人变径机构还需要与驱动装置紧密配合,克服管道内壁因焊缝、凹槽、腐蚀等造成的台阶、凹坑等不利因素,自动适应管道内不利因素而导致的管径变化。

3 供能技术

管道检测机器人在管道内的行走主要依靠驱动装置,驱动装置一般为伺服电机,将电能或其它形式能转换为供管道检测机器人行走的机械能。由此可见,伺服电机的供能方式非常重要。目前,管道检测机器人的供能方式主要通过电源线与电源可靠连接,称为有缆方式。有缆方式可以持续稳定地向管道检测机器人供能,并且电源线内部一般包含通信信号线,通信性能佳。当管道检测机器人因故障卡在管道内部时,电源线可以充当拖缆工具,将管道检测机器人拉出管道。有缆方式已非常成熟,得到广泛应用[14]。

随着物联网、微电子、计算机等技术的高速发展,未来管道检测机器人的供能方式将逐步转向无缆方式。国内对无缆管道检测机器人的研究始于2003 年,张永顺等[15]采用超磁致伸缩合金制成驱动器,通过管道外部的磁场能量驱动管道检测机器人,仅限于体积非常小的微型管道检测机器人。徐君书等[16]提出利用波导传输原理,将微波能量收集并转换为直流电,为管道检测机器人供能。钟映春等[17]提出一种可充电式管道检测机器人,将流体的动能转换为电能,存储在蓄电池内,为管道检测机器人供能。

国外研制的无缆管道检测机器人种类繁多,供能方式则与国内类似,主要是携带蓄电池或燃油发电机组为管道检测机器人供能,由此增大管道检测机器人的体积和质量。因动力受限,管道检测机器人的行走距离也受到限制,不适合在长距离的管道内行走。因金属管壁的电磁屏蔽作用,管道检测机器人的定位、越障、通信及管径自适应性等性能大大降低,管道检测机器人因故障卡在管道内部的情况经常发生,给管道检测工作造成困难[14]。

由以上介绍可见,无缆管道检测机器人要得到长足发展,还需要克服定位、越障、通信及管径自适应性等方面的问题。另一方面,充电式管道检测机器人可以将其它形式的能量转换为电能,供能可靠性高,是未来管道检测机器人供能方式的首选。

4 系统集成技术

系统集成指利用通信、计算机、图像识别等技术,将管道检测机器人的行走、变径、转弯、越障、定位、导航、检测等功能集成在一起,是一项综合性系统工程。目前,管道检测机器人的系统集成主要利用安装在管道检测机器人本体上的芯片与管道外的控制主机来实现,两者之间通过电源线连接,电源线内部包含通信信号线。管道检测机器人本体上加装传感器和摄像机。管道检测机器人在管道内行走时,加装的摄像机对管壁和管道内部进行实时拍摄,同时使用图像识别技术对拍摄的图像进行识别分析,将分析结果实时传回操作端显示屏,由工作人员判断管道内的缺陷情况,再通过控制主机发出控制信号,操控管道检测机器人实现动作[18]。由于管道内通信信号受外界因素的干扰,管道检测机器人在输送反馈信号时会受到阻碍,管道检测机器人的工作会受到较大影响,严重时会宕机,工作效率降低。

目前普遍应用的管道检测机器人功能单一,当管道内环境复杂,如存在凸台、凹坑、沟槽、碎石、沉积物等时,常常需要管道检测机器人携带检测设备和清洁设备进入管道,这对管道检测机器人系统集成技术提出了更高的要求[19]。随着人工智能和物联网技术的不断发展与应用,无线通信技术将广泛应用于管道检测机器人,系统集成技术也将发生质的飞跃,将运动、检测、修复技术集成在一起,可以使管道检测机器人更灵活、更智能。

5 展望

经过长年的研究,管道检测机器人取得了长足的发展与应用,但同时存在一些关键技术问题,制约了自身的产业化发展。笔者对管道检测机器人变径技术、供能技术、系统集成技术的研究进展进行了介绍,随着人工智能、智能图像识别等技术的快速发展,未来管道检测机器人将朝被动自适应、模块化设计、能量优化的方向发展。基于混合智能技术,将人工神经网络、模糊理论、粒子群算法等人工智能方法应用于管道检测机器人,可以实现管道定位、检测、修复一体化功能,更好服务于管道检测。