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国内外管道检测机器人最新发展概况

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国内外管道检测机器人最新发展概况

发布日期:2020-07-28 作者: 点击:

近几十年,随着自动化技术的极大进步和国民物质生活水平显著提高,各行各业的发展更多地依赖于物料输送。特别地,管道输送凭借着输送量大、方便快捷、低成本等优势,在国民经济中占有越来越大的比重,已广泛应用于石油、化工、能源、食品加工、城市供排水、农业灌溉、核工业等领域。但由于受到输送介质的化学性腐蚀、不可抗力的自然灾害以及自身缺陷的影响,极有可能发生输送物泄露导致的,如环境污染、易燃物爆炸、能源浪费等严重事故。所以需要定期对管道内部进行检查、维护和清洁保养。传统管道检测都是由相关人员实施,工作量大,效率低下。而且有些管道位置人员无法到达实施监测,比如输送有毒化学品或内部结构复杂狭小的管道。由此,管道机器人应运而生。管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械,在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下,进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统.依靠快速运动、灵活操纵、准确判断和低成本等优点,管道检测机器人已成为当下国内外研究的热点。自上世纪 50 年代以来,随着计算机技术、通信技术、图像处理技术、微电子技术、传感器技术和机械设计制造技术的进步,管道机器人得到了空前的发展。但除了部分功能简单的管道机器人实现市场化生产以外,大部分还处在实验室开发阶段。传统管道机器人面对垂直管道、弯管、支管、变径和微小管道等难题,仍存在很大的改善空间。    
   总体上讲,管道机器人是由运动机构、控制模块、信号采集模块、供能模块和辅助模块等组成。而行走方式是管道机器人的核心,它决定了管道机器人的整体性能。根据管道机器人行走机构的动力源及运动可控性的不同,可将其运动方式划分为被动运动方式和主动运动方式两大类。其中主动运动方式主要包括轮式、履带式和无轮式, 被动运动方式的典型代表为管道猪( PIg)。所谓主动运动方式,是指管道机器人凭借自身携带的驱动源,具备了自主行走能力,运动速度和方向都可控。并且可以装配仪器和工具,进行检测、维修作业,是目前管道机器人研究的主要方向。但其结构复杂,成本较高,且能源供给有限,不适合长距离作业。所谓被动运动方式,是指管道机器人依靠管内流体的压力差产生驱动力,随着管内流体的流动方向移动,并可携带多种传感器。但其自身没有行走能力,移动速度、范围不易精确控制。    
    为了针对不同的作业环境和需求,设计出理想的管道机器人,我们有必要对各种类型的管道机器人的性能指标做一个深入的比较,如垂直移动能力、可操控性、管道尺寸适应能力、灵活性、稳定性、移动效率、驱动机构数量和无线控制等,螺旋驱动轮式和压壁轮式管道机器人在各个性能指标方面表现出很大的优势,是未来管道机器人发展的趋势,值得今后全球的机器人研究机构投入更多的科研精力。 国内外管道机器人的最新研究成果传统机器人在面对垂直、微小、复杂管道时,存在诸多实际困难,如通行性差、稳定性弱、牵引力小等。为此,世界各国研究学者根据不同类型的管道机器人性能特征,在机械结构、行走方式、驱动能力等方面,开发设计出很多改良型专用机器人。
 
     近五年内为提高管道机器人在复杂管道内的适应性,各国科研学者的最新研究成果。但总的来说,目前国内外管道机器人的研究还处在发展改进阶段,距离成熟的市场化应用还存在很大距离。大多数开发出的管道机器人仅适用于特定的作业环境,通用性不强。随着机械结构设计的改进和自动控制水平的提高,管道机器人将会更广泛的应用于各行各业,同时也面对更多的挑战。除了上文提到的垂直管道、复杂结构管道、变径管道等不利因素,还需要在以下方面有所突破:
 1)行走机构的设计。在传统运动方式中,螺旋驱动型和压壁型都显示出较好的管道适应性,但也都有其局限性,如负载能力低、越障性差等。因此,未来仍需要我们研究新式的行走机构来满足不同的实际要求。如北京信息科技大学开发的一种轮腿配合式管道机器人,结合了轮式和腿式机器人的优点。当管道内部无障碍物时,选择驱动能力强的轮式移动方式,使机器人快速进行管道内作业; 当机器人遇到障碍物时,选用灵活性、越障性更好的腿式移动方式,跨越障碍。
2) 能量供给。管道机器人以电能驱动为主,普遍采用携带蓄电池或是拖缆供电的方式,要么供电时间短,要么负载过重,都不适宜长距离复杂构造管道内的行进。因此方便持久的供电方式,如携带大容量轻型蓄电池或是能够利用太阳能、流体自发电的系统会是未来研究重点。
3) 通信方式。常规的线缆通信不适用于长距离或是复杂管道内。而能够做到有效克服金属管道屏蔽影响的无线通信将会是未来管道机器人通讯的发展趋势。
4) 图像处理技术。
大多数管道机器人都需要携带摄像头来采集管道内的视频信息以便进行探伤、清淤等作业,因此基于机器人的图像采集、处理技术将会是一个极具吸引力的研究领域。


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