陳松 李天劍 王會香 劉相權(quán)

（北京信息科技大學智能機器人技術(shù)研究所，北京，100192）

0 引言

排水系統(tǒng)被形象地比做城市的命脈，保證排水系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，對于保護環(huán)境、減少污染、提高人民健康水平、維持城市的正常工作、生活秩序有著非常重要的意義[1]。因此，為保證排水管道的正常使用，就必須對排水管道進行檢測維護，排水管道機器人應(yīng)運而生。

管道機器人是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機械，在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下，進行一系列管道作業(yè)的機、電、儀一體化系統(tǒng)[2-3]。

1 排水管道機器人模塊

1.1 爬行器

排水管道機器人按爬行器行走方式可分為輪式管道機器人[4]、履帶式管道機器人[5]、腿式管道機器人[6]、蠕動式管道機器人[7]。目前市場上排水管道機器人以輪式管道機器人居多。

1.1.1 輪式管道機器人

按行走機構(gòu)劃分，輪式管道機器人可分為支撐輪式和車型式兩類。

支撐輪式管道機器人[7]采用對稱分布的行走結(jié)構(gòu)，支撐輪緊貼在管道表面，對管道表面有較大壓力，行走能力強，可在有較大傾角的排水管道中行走。在理論上，該機器人的中心與管道中心重合，機器人運動穩(wěn)定性好。支撐輪式管道機器人一般具有變徑機構(gòu)，以適應(yīng)不同管徑的管道。

圖1 MRINSPECT II

MRINSPECT II采用多節(jié)方式，各節(jié)間通過可控萬向鉸連接，可通過彎管接頭，采用彈簧支撐式連桿機構(gòu)[8]。

車型式管道機器人[7]在管道底部行走，具有結(jié)構(gòu)簡單、行走連續(xù)平穩(wěn)、運動靈活等優(yōu)點。車型式管道機器人靠自身重量提供正壓力，因此不能在大傾角的管道中行走。與支撐輪式管道機器人相比，其結(jié)構(gòu)更加簡單，控制更加方便。根據(jù)能否改變運動方向，車型式管道機器人可分為可變向車型式管道機器人和不可變向車型式管道機器人。

圖2 T66

圖3 T86

現(xiàn)有的輪式管道機器人多數(shù)為車型式管道機器人，主要為四輪管道機器人和六輪管道機器人，以四輪管道機器人最為常見。IBAK公司T66為四輪可變向爬行器，T86為四輪不可變向爬行器，GE公司ROVVER 400為六輪管道機器人。

T66車體重9kg，可連續(xù)調(diào)速，具有ATC(自動控制功能)，在管道中可調(diào)整運動方向，適用于管徑100mm以上的管道。

T86車體重33kg，可連續(xù)調(diào)速，在管道運行中不能調(diào)整運動方向，適用于管徑200mm以上的管道。

ROVVER 400車體重4.5kg，可連續(xù)調(diào)速，在管道中可調(diào)整運動方向，適用于小管道。

1.1.2 履帶式管道機器人

履帶式管道機器人的履帶與管壁間的接觸面積大，附著力大，具有優(yōu)越的越障性能。但履帶式驅(qū)動機構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致其機械結(jié)構(gòu)尺寸較大，不易小型化，因此，在實際應(yīng)用中，該機器人大多用于大直徑的管道內(nèi)[7]。

訊研公司的Versatrax 100為履帶式管道機器人，如圖5所示。

Versatrax 100車 體 重9kg，可連續(xù)調(diào)速，在管道中可調(diào)整運動方向，適用于管徑100mm-610mm的管道。

圖5 Versatrax 100

1.1.3 腿式管道機器人

多足行走是一種高級行走方式，有較好的動作靈活性，理論上可以適應(yīng)各種形狀的管道，但其較復(fù)雜的運動學和動力學特征，使得機器人在步態(tài)規(guī)劃和關(guān)節(jié)間協(xié)調(diào)運動控制等方面存在一定難度，而且，機器人結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，對傳感器要求高，需要大量的精密傳感器，研究成本和制造成本都很高，且牽引能力有限，不適合長距拖纜作業(yè)[7]。

德國慕尼黑工業(yè)大學的Andreas Zagler開發(fā)的管道爬行機器人MORITZ，如圖6所示，該管道爬行機器人重量為20kg，采用八足爬行驅(qū)動，驅(qū)動能力為15 kg。機器人長為0.75m，寬為0.6m，高為0.6m,最大速度為0.1 m/s，采用直流供電方式，但控制太復(fù)雜且移動速度較慢，驅(qū)動效率低[8]。

圖6 八足腿式爬行機器人

1.1.4 蠕動式管道機器人

蠕動式管道機器人[7]通過前后支撐部分徑向伸縮運動，行走速度慢，無法完成快速檢測，檢測效率低，在排水管道檢測中很少用到。

如圖7所示，MAKRO機器人由6個單元體組成，其頭部和尾部兩個單元體完全相同，每個單元體之間的節(jié)點由3個電機驅(qū)動，使得機器人本體可以抬起或者彎曲，從而越過障礙物或?qū)崿F(xiàn)拐彎運動。MAKRO具有21個自由度，長度為2m，重50 kg，采用無纜控制方式，適用于直徑為300mm-600 mm的管道，但該機器人牽引能力有限，不能運行于豎直管道[8]。

圖7 MAKRO機器人系統(tǒng)

1.2 上位控制單元

上位控制單元是管道機器人系統(tǒng)的人機交互部分。操作者可通過上位控制單元向管道機器人發(fā)送控制命令，管道機器人將采集的管道信息傳送到上位控制單元，經(jīng)過處理后，通過顯示器等信息輸出單元呈現(xiàn)給操作者。圖8為IBAK公司BK 3.5上位控制單元。

圖8 BK 3.5

1.3 檢測單元

排水管道機器人檢測單元可以分為攝像單元和輔助檢測單元。攝像單元為主要的檢測單元，負責采集管道圖像信息。輔助檢測單元由各類傳感器組成，主要檢測爬行器的狀態(tài)及輔助測量管道損傷，一般包括內(nèi)部壓力傳感器、傾角傳感器、激光傳感器、超聲波傳感器等。

1.3.1 攝像單元

攝像頭按獲取視角范圍可劃分為全景攝像單元和非全景攝像單元?，F(xiàn)有的管道機器人以非全景攝像單元為主,但是非全景攝像單元需配套相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)以滿足對管道全面檢測的需求，增加了管道機器人設(shè)計難度和重量。

全景攝像單元按實現(xiàn)方式可分為魚眼攝像頭、多攝像頭圖像拼接、折反射式全景成像系統(tǒng)。

魚眼攝像頭[9]具有焦距短、大視角的特點。焦距一般小于16mm，視角為180。以上，可獲得較大視野。但魚眼攝像頭獲得的圖像存在較大的畸變，需經(jīng)過校正才能獲得無畸變的圖像，且價格昂貴。

多攝像頭圖像拼接[9]是將多個普通攝像頭獲得圖像進行整合，獲得大視角的圖像。該方法獲得圖像畸變小，分辨率高，但結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，圖像數(shù)據(jù)量大，拼接算法復(fù)雜。

折反射式全景成像系統(tǒng)[9]由攝像頭和反射鏡面組成。具有大于半球的空間視場、結(jié)構(gòu)簡單、光能損失低、系統(tǒng)設(shè)計柔性好、成本低的優(yōu)點，較好地解決了魚眼鏡頭和多攝像頭圖像拼接存在的問題。

常用的反射鏡面有錐形鏡面、球形鏡面、雙曲線鏡面、拋物線鏡面。錐形鏡面在錐形頂點附近存在一定的觀察盲區(qū)；球形鏡面全景圖像嚴重失真；雙曲線鏡面的加工比較困難，存在一定的安裝難度；拋物線鏡面不利于建立一個緊湊和廉價的系統(tǒng)。

圖9為Remote Reality公司的OmniAlert360 相機。該攝像頭采用單視點折反射成像技術(shù)，視場為360°，環(huán)境適應(yīng)能力強。

圖9 OmniAlert360 相機

1.3.2 輔助檢測單元

管道機器人在管道運行過程中，由于管道環(huán)境的惡劣性，需對機器人的內(nèi)部壓力、傾角等狀態(tài)進行監(jiān)測。壓力傳感器通過監(jiān)測機器人內(nèi)部壓力判斷機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)的氣密性狀況，及時發(fā)現(xiàn)機器人內(nèi)部進水等狀況。

傾角傳感器監(jiān)測管道機器人傾斜角度，將機器人傾角信息實時傳送到上位控制單元，操作者可及時對機器人進行位姿調(diào)整，防止機器人側(cè)翻。

排水管道檢測以攝像頭為主，當攝像頭確定損傷點后，則結(jié)合無損探傷技術(shù)對管道損傷點進行精確檢測。無損探傷的技術(shù)有射線檢測、超聲波檢測[10-11]、渦流檢測[12]、磁粉檢測[13]、滲透檢測[13]、微波檢測[14]、激光檢測[15-16]。由管道機器人爬行器搭載的檢測方法通常為射線檢測、超聲波檢測和激光檢測。由于射線檢測會對人體造成傷害，所以管道機器人探傷常用的檢測方法為超聲波檢測和激光檢測。

超聲波探傷檢測的優(yōu)點是檢測厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、人體無害, 能對缺陷進行定位和定量。然而,超聲波探傷對缺陷的顯示不直觀, 探傷技術(shù)難度大, 容易受到主、客觀因素的影響, 探傷結(jié)果不便保存。 因此，超聲波探傷也有其局限性[11]。

激光點掃描輪廓測量技術(shù)是一種準確高效的表面無損檢測方法，主要用于管道的探傷。與管道檢測常用的渦流法和超聲法相比，激光點掃描輪廓測量技術(shù)具有檢測效率高、檢測精度高、采樣點密集、空間分辨率高、非接觸式檢測、可提供定量檢測結(jié)果和被檢管道任意位置橫截圖、軸向展開圖、二維立體圖等優(yōu)點，但該技術(shù)只能檢測管道表面損傷情況，無法進行縱向檢測[16]。

圖10 帶有激光傳感器的攝像頭

1.4 圖像處理軟件模塊

管道機器人通過攝像系統(tǒng)獲得管道圖像信息后，需經(jīng)過圖像處理軟件對圖像進行處理，獲得優(yōu)化的管道圖像，生成管道圖像報告，便于用戶使用。IPEK公司的WinCan Scan Explorer 可以將獲得的三維管道圖像展開為相應(yīng)的二維管道圖像，操作者可通過展開后的二維圖像輕松找到管道損傷位置。

圖11 管道二維剖面圖

1.5 輔助裝置

管道機器人系統(tǒng)還包括用于把管道機器人安放進管道的一些輔助裝置，這里略去描述。

1.6 電纜絞盤

現(xiàn)有排水管道機器人多為有纜式管道機器人，設(shè)計機器人時需設(shè)計電纜絞盤。電纜絞盤用于對電纜進行管理，主要功能為收放線功能、排線功能。電纜絞盤上通常安裝有光電碼盤，光電碼盤通過記錄電纜線放線長度確定管道機器人的位置。

電纜絞盤可分為傳統(tǒng)電纜絞盤和智能電纜絞盤[17]。傳統(tǒng)電纜絞盤單方面回收電纜，不考慮與管道機器人協(xié)同，因此，在電纜回收時，如果電纜回收速度過快，則會影響管道機器人的運行狀態(tài)，如果電纜回收速度過慢，則可能導(dǎo)致電纜纏繞管道機器人。智能電纜絞盤則考慮與管道機器人的協(xié)同，使電纜始終保持繃緊狀態(tài)，保證了管道機器人在管道內(nèi)自由移動。

2 技術(shù)展望

2.1 特色行走技術(shù)

我國排水管道相比于歐美國家管徑較小，加之不進行定期清淤，致使一些排水管道存在大量的雜物，有的管道中的雜物甚至能占到整個管徑的二分之一。對于存在大量雜物的管道，現(xiàn)有排水機器人無法在管道中正常行走，這里提出一種爬纜式管道機器人方案。方案原理圖如圖12所示。

圖12 爬纜式管道機器人方案原理圖

夾緊機構(gòu)安放在地面上，兩個夾緊機構(gòu)將鋼纜固定，并使鋼纜有一定張力，保持繃緊狀態(tài)。管道機器人在鋼纜上自由移動，進而對管道進行圖像采集檢測。

2.2 自主行走技術(shù)

目前排水管道機器人為遙控型機器人，不具備自主行走檢測能力。在檢測過程中，操作者需時時關(guān)注機器人，容易疲勞。隨著機器人智能化[18-19]技術(shù)的不斷成熟，智能排水管道機器人必將在未來出現(xiàn)。智能排水管道機器人的核心是智能控制算法[20]，選用合適的智能控制算法是智能排水管道機器人的關(guān)鍵技術(shù)。

智能排水管道機器人具有很強的自主性，可將操作者從枯燥的操作中解放出來，提高檢測效率和檢測質(zhì)量。

2.3 無纜排水管道機器人

現(xiàn)有排水管道機器人大多數(shù)為線纜式排水管道機器人，無纜排水管道機器人相對較少。造成這種現(xiàn)狀的原因是由于管道的屏蔽作用強，通信信號在無線傳輸過程中損耗大，信號無法穩(wěn)定可靠地在上位操作單元和機器人之間進行傳遞。此外，無纜排水管道機器人還存在發(fā)生故障不容易回收問題。

無纜排水管道機器人不需要電纜絞盤模塊，減輕了整個機器人的設(shè)計難度，控制單元靈活性較大，更方便攜帶，這些優(yōu)點決定了無纜排水管道機器人是排水管道機器人的一個發(fā)展方向。

2.4 智能圖像處理

伴隨著圖像處理技術(shù)的進一步發(fā)展，管道機器人的檢測能力也在進一步提高，圖像處理技術(shù)的拓展應(yīng)用使得管道機器人擁有更多功能。管道內(nèi)部的缺陷可以通過對視頻的圖像處理，獲得其長度、寬度、深度、面積等具體的物理尺寸，而且在機器人行進中，圖像信息的處理可以為機器人的行進進行導(dǎo)航。通過圖像處理技術(shù)，機器人可以快速識別前方障礙、淤泥等，并規(guī)劃出準確的躲避路線。

排水管道檢測機器人可添加機械執(zhí)行功能，對管道內(nèi)的淤泥、異物等進行清洗或搬運，確保其測量或行進。

在執(zhí)行任務(wù)過程中，需要通過對操作環(huán)境的圖像處理來準確定位和檢測，伴隨電磁、紅外、超聲波、射線等管道測量技術(shù)的同步發(fā)展，這些測量技術(shù)再與攝像測量技術(shù)相融合，多種方式協(xié)調(diào)作用，機器人可以由圖像處理技術(shù)綜合分析獲得更全面、更準確的測量信息。

3 結(jié)束語

現(xiàn)有排水管道機器人技術(shù)成熟，各公司產(chǎn)品大同小異，均采用模塊化設(shè)計。排水管道機器人產(chǎn)品在技術(shù)上、外觀上也很相似。這些產(chǎn)品針對狀況較好的管道可以順利完成檢測，對雜物較多的管道則無能為力。針對大量雜物存在的管道，需研究特殊行走方式。隨著對檢測效率要求越來越高、使操作者更容易輕松地操作，智能技術(shù)及無線通信技術(shù)會越來越多地應(yīng)用于排水管道機器人。

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