王子昊，董 卉

(德州学院，山东 德州 253023)

0 引 言

当今世界运输大抵分为铁路、公路、水运、航空、管道五种方式，而管道运输在全世界运输方式中占到1/5的份额。管道运输主要包括原油管道运输、成品油管道运输、天然气和石油管道运输、煤炭管道运输等[1]。我国是世界上最早使用管道运输天然气的国家。我国输送管道长度占全世界输送管道总长的1/100，我国投资384亿元建设“西气东输”工程的主管道总长约为4 200 km，整个“西气东输”的项目总投资突破1 000亿元。

运输管道大多深埋地下或海底，这对管道的使用寿命要求非常高。但由于各种自然损伤和人为损伤，导致管道出现不同程度的损坏，至今我国发生的管道灾难不下千次。美国也由于管道事故造成的损失达2.5亿美元，其中还造成了55人死亡[2]。为了确保管道运输的安全，减少运输事故，需研究更可靠、更高效的检测技术，实现更智能的管道管理。

笔者通过市场调研得出各种管道机器人的分类及其优缺点并通过查阅资料得知管道检测技术现状。综合市场各类管道机器人的优点设计一款智能管道机器人，并给出总体设计方案、结构设计及技术分析，成功制作出产品三维图及三维模型。此款智能管道机器人的制作解决了传统传到机器人难以适应复杂管道、结构复杂、不易转向、不易操作的缺点。

1 智能管道机器人分类及管道检测技术现状

1.1 轮式管道机器人

因为机器人结构简单，可在平坦管道内提供更多机动性，所以此类机器人的应用范围较大。并且此类机器人行进方式多样，有正常行进的，也有旋转行进的。但在内面复杂管道内有较大的局限性，车轮易卡住，影响前进。

1.2 履带式管道机器人

履带式机器人抓地力强，动力大，足以在潮湿、发霉的管道中正常运动。但由于此类机器人具有复杂的结构、体型大、难以切换方向等缺点，导致此类机器人未被广泛应用。

1.3 其他类型管道机器人

管道机器人还有其他移动形式如：蠕动式、步行式等。

1.4 管内检测技术现状

较成熟的管内检测技术主要有泄漏噪声探测法、系缆式漏磁探测法和放射性示踪剂检漏法。

泄漏噪声探测法：将探测器放入密闭管道中发出35 kHz的声音信号，滤波后频率为0.1～4 kHz。若管道外能收到声音信号则为漏磁，录音磁带长度反应泄漏位置。此方式适合埋藏较浅的管道检测工作。

系缆式漏磁探测法：将探测器送入管道内然后退出并通过缆线连接探测装置，可得到管内腐蚀情况并可分析出具体破损位置。此方式操作繁琐，需多人合作。

放射性示踪剂检漏法：将放射性物质掺入管道介质内，若在管道外发现放射性物质则说明管道有破损。此方式工作量大，耗费时间长。

2 总体方案的设计

2.1 管道机器人的技术要求

机器人可以在不同条件下(弯曲、T形三通、管道直径突变)自由地在管道内移动，以免由于管道内部变形和机器人的设计缺陷而导致机器人工作时突然出现故障，甚至是侧倾或坠毁。此外，还应具有测量管道内壁的涂层厚度并可远程传输收集到的信息的能力。该机器人主要分为三部分:移动机构部分、实测部分和控制部分，技术要求需要实现管道内管道机器人自由运动，管道厚度测量和信号远距离传输。

2.2 总体方案的分析与确定

整个管道机器人分为三个部分，移动机构部分、实测部分和控制部分。移动机构部分和实测部分由控制区内的PIC16F685控制，通过控制部分控制机器人的移动和检测，并将数据进行简单处理传送到总控计算机中。

移动机构部分由四个马达控制，以确保机器人的自由运动。该机器人的实测部分采用超声波测量，根据超声波反射原理计算超声波反射所需的总时间，由此计算管道表面涂层厚度，并可通过摄像头观察管壁破损情况。

管道机器人安装有计程装置，以确定管道中机器人的确切位置以及它移动的距离。此装置由霍尔组件组成，它通过记录霍尔组件的脉冲数来确定轮子的转数，以确定机器人行走的距离，并配合GPS定位确定其在管道中的确切位置，减小误差。

控制段部分我们以PIC16F685单片机为核心，控制管道机器人的基本功能，包括其运动、测量、信号处理和传输，简单处理测量数据，将数据发送到总控计算机，并受计算机的控制。其演示图如图1所示。

图1 作用原理图

3 结构设计及技术分析

3.1 管道机器人的运动原理

为了确保机器人有更好的跨越障碍的能力，它安装有四只可伸缩机械足。发动机将动力引导至机械足，过管道内壁和机械足之间的摩擦，带动机器人的整体运动。如图2所示。

图2 管道机器人三维模型图

3.2 管道机器人行走机构的设计

整个运动机构有四个均匀分布的机械足，电机通电并带动四个机械足，以驱动整个管道机器人的运动。并且机器脚可以自由伸缩长度，既保证机器人的正常运行，又确保机器人在不同的环境中的稳定站立。管道机器人三维模型俯视图如图3所示。

图3 管道机器人三维模型俯视图

3.3 测量系统原理

常用的无损测厚法均有成型的仪器设备，使用起来简单方便，且不会对表面涂层进行破坏，完善的保留涂层现状[3]。

机器人的实测部分根据超声波反射原理利用声波进行测量，如图4所示。超声波探头发出声波接触到管道后反弹到探头。传感器将反射波转换成电信号，该信号将被仪器数码化，数码化反射波被分析后便得反射波所花的具体时间，从而得出涂层厚度[4]，得出涂层完好情况。

图4 超声波测量图层厚度原理图

3.4 产品规格及参数

检测参数要求如下:内径:520 mm；管道长度220 m；涂层测量范围0～500 μm；误差±(15) μm；工作环境温度0～55 ℃；行走速度：550 mm/min。

3.5 元件参数及分析

(1) 蓄电池。采用48 V锂电池，储存足够的能源用来保证机器人的正常工作,48V电压可满足机器人的各元件电压需求。

(2) 稳压电路。通过稳压电路将48V电池电压降低为3.3V、5V、12V电压，保证机器人各元件的正常工作。电池规格如表1所列。

表1 机器人锂电池规格及参数

(3) 测量装置。测量装置由超声波探头和摄像头组成。摄像头支持红外摄像功能，与超声波探头配合有效提高检测准确率。摄像头规格及参数如表2所列。

表2 摄像头规格及参数

4 设计应用情况

4.1 实际应用

实际工作时，只需将智能管道机器人放入管道入口，便可自主行进记录管道内壁完好情况并将实时信息传输到总控计算机中。工作人员可通过总控计算机得到的数据记录破损点位置准确报修，并通过总控计算机控制管道机器人的行进和返回。

4.2 应用成果

参加山东省大学生创新创业竞赛获得省级立项，在第六届互联网+全国大学生创新创业大赛中获得校一等奖，在第十三届iCAN国际创新创业大赛、第十一届山东省物联网创造力大赛中获得省级奖。

4.3 应用范围

此款机器人安装有GPS定位装置，定位更加精准，无缆传输操作更加简便。伸缩足行走跨越障碍能力更强，可适应多种复杂管道环境。

本设计可应用于石油、天然气运输管道内壁探伤，以及大型超市、居民小区的地下管道的探查任务。

4.4 应用局限性

(1) 液体运输管道需停止工作后进行检测，此款管道机器人无法完成在液体中的管道检测任务。

(2) 智能管道机器人需在倾斜角度小于等于60°直径突变小于5cm的管道内可正常工作，否则管道机器人可能会发生侧翻。

5 结 语

设计的智能管道机器人具有科学性、创新性、先进性，足以完成多种管道的探测任务。它是结合现代先进技术的一种机电一体化装置。与其他同类型管道机器人相比，此设计的智能管道机器人具有以下优势。超声波测量和红外成像技术可保证机器人在黑暗情况下也可准确检测管道完好情况；GPS定位、霍尔脉冲计程配合，定位更加精准，减小误差；伸缩足行走可曾强管道机器人跨越障碍的能力，环境适应力更强。解决了管道检测操作复杂、不易定位、工作量大等问题。随着现代制造、电信、控制、传感器技术和智能技术的发展，必将推动机器人技术在油气管道技术领域中的应用和发展。