采用无缆方式的能源供给目前有两种方案，一是携带蓄电池，二是携带燃油发电机组。这两种方案除了体积庞大以及增加机器人本体的重量这些共有的缺点外，还分别有各自的弱点：蓄电池所储存的能量毕竟有限，而且受电池质量充电工艺等因素的影响，因此机器人的一次作业行走距离仍然受限制，否则机器人就面临着有去无回的危险，这使得系统的可靠性与耐久性均受到影响而燃油发电机组的问题则是，当机器人行走距离较远时，管道内部空气稀薄，发电机组很容易熄火，而将机器人滞留在管内，况且很多管道（如输油、气管道、污水排放管道）根本不允许使用燃油发电机。因此，有效地提高机器人能源供给系统的效率和可靠性是管道机器人得以广泛应用一个非常重要的前提。

1.4当前的船用管道机器人仍然存在的缺陷

1.4.1船用管道机器人的行走驱动问题

从国内外的研究现状来看，实现机器人在管道中行走的方式多种多样，按照实现的方法分为以下几类：

(1)压电冲击驱动

压电冲击是以压电晶体为驱动器。压电晶体是利用了压电材料的逆压电效应，具有体积小、能量效率高、响应速度快和分辨率高等优点，压电冲击驱动的主要缺点为牵引力小。这种行走机构主要包括：压电驱动器、惯性体和支撑机构。利用惯性力和最大静摩擦力之间的动力学关系来实现微小管道内行走。

(2)蠕动式驱动

蠕动式驱动是基于仿生学原理，参考蛆叫、毛虫等生物的运动而实现的。首先，尾部支撑，身体伸长带动头部向前运动；其次，头部支撑，身体收缩带动尾部向前运动，如此循环实现机器人的行走。蠕动式驱动的优点在于可适用管径及曲率的变化。但是，蠕动式机构运动是间歇式的，速度波动大，不容易实现和传感器的集成。实现蠕动的方法复杂，附带的元件多，如气动蠕动，就需要外接多根导气管。

(3)轮式驱动

轮式驱动机构结构简单，容易实现，行走效率高，能以一定的速度平稳地运动，同时能够适应管径在一定范围内的变化，辅之于适当的结构，还可以实现在弯管中行走，而且控制方便，可以方便地和传感器集成。轮式驱动机构有直进轮式(即机器人的驱动头沿管轴方向作平动)，也有螺旋轮式(即机器人的驱动头一边沿管轴向前运动，一边绕管轴转动)。不足之处在于轮式机构的驱动力大小受封闭力大小限制，尺寸不易减小。传统的管道检测机器人多为接触式的，大多采用电机驱动，靠轮子或履带和管壁之间产生的摩擦力来运动，工作时会对管壁产生磨损或造成局部压力过大，致使管道产生局部变形甚至破坏。此外，检测前需要做大量辅助工作，耗时长，并可能影响管道的正常工作。

(4)足式驱动

足式驱动具有最大的自由度，通过性最好。但也有其突出的缺点，如控制复杂、鲁棒性不好、机构复杂以及耗能太大等。

除了以上所提的四种驱动方式外，还有其它一些驱动方式，如气动、SMA(状记忆合金)、电磁力等。

1.5本文的课题研究及其主要内容

1.5.1研究的主要内容

本课题针对管道内径≥Φ240mm的船用管道检测机器人进行研究，设计了基于轮子驱动（涡轮-蜗杆减速系统）原理的管道机器人，采用虚拟样机技术（PRE/E软件），对管道机器人性能进行了建模研究。主要包括以下几部分的内容：

第一章对国内外采用不同移动机构的微小管道机器人的现状进行了调查研究，为本课题的设计提供参考，并概括了本文的主要研究内容、意义及本课题所要研究的管道机器人的主要性能指标。