在现代工业、农业、城镇的日常生活、生物体内都存在大量的管道，管道涉及能 源物质、水、信息的传递等各个方面。例如，世界上最长的“西气东输”的天然气管 道，城镇生活的自来水管道，农业灌溉的管道，人体内的血管。由于管道锈蚀、老化、 漏孔、淤积堵塞，管道的运输将对生产生活带来很大的影响。例如，天然气管道的泄 露，自来水的污染，人体血管的硬化[4]。所以，管道的检测和修复成为必不可少的一 个环节。由于管道的外形尺寸，所处的地理环境等客观因数的制约，人类无法直接介 入进行勘测和修复已经破坏的管道。例如，城镇自来水管道的修复常采用地表勘测、 机械挖掘、修复的方法进行修复[5]。该设计方案工作效率较低，设计成本高，劳动强 度大，不符合生产实际需求。

为了更加经济地完成管道的检测、故障诊断、修复，特种管道机器人成为一种极 其有效可行的工程方案。只需要在管道入口处放入管道机器人，机器人在操作员的操 作下或者自主完成管内检测，故障预警，维护和修复等操作。从而极大地降低工程成 本、工人作业的劳动强度以及危险系数。

1。2国内外管道机器人研究现状

管道机器人的发展历程大致可以分成三个阶段。20 世纪 60 年代，德国和日本等 国家研制的 PIG 管道清理器，该管道机器人基于介质压差驱动，主要运用于大口径的 石油、天然气运输管道。20 世纪 70 年代，随着工业化、城镇化的进一步发展，大批 量的石油、天然气管道，自来水管道的维护促进了管道机器人的研究，同时，计算机 技术、图形图像处理技术、微型电子技术、数控加工技术的发展是管道机器人的研究 取得了空前的进步[6]。20 世纪末到本世纪初，由于微材料技术、纳米技术、微机电系 统技术研究的进步，出现了适用于柔性管道的微小型管内移动机器人的研究热潮。毋 庸置疑，管道机器人的发展离不开科学技术的进步和实际工程的需求。管道机器人的 发展方向包括机械结构模块化、控制智能人性化、功能多样化等[7]。

按照行走机理，管道机器人可以分为以下 6 种形式，如图 1-1 所示：

图 1-1 管道机器人行走形式

(1) 活塞移动方式

PIG 管道机器人由管道内介质的压力差作为驱动力，随着管道内介质的流动而运 动，无自主变速能力，无法的得到控制，一般用于管内介质流动状况的检测。SMART PIG 是基于微机电系统的发展，携带有微型速度控制模块、精密传感器模块、数据存 储模块、通信模块能够对管内的作业的数据进行存储同时实现实时通信传输。例如， 日本东京电气株式会社研制的前后两端面装有蝶型密封圈，内侧装有伞状探测头，用

于检测管道内径及其凹陷的管内检测 PIG[8]。

(2) 蠕动移动式

蠕动式管道机器人一般采用仿生学原理，模拟蚯蚓、蠕虫的移动方式，借助电磁 力学的电磁脉冲驱动，使机器人两端依次吸附管壁，通过伸长和缩短自身的长度能达 到前进的目的。蠕动式管道机器人对管内凹凸不平的环境具有良好的适应能力，但其 运行速度一般比较 缓慢，牵引力有限 。 例如 ， 清华 大 学 研 制 的 外形尺寸为 150*61*46mm, 运动精度达到 0。2um，最大步距为 10um，最大行程为 40mm，质量为

2kg 的小型蠕动机器人系统[9]。该机器人以电致伸缩微位移器作为驱动器，蠕动体变 形形态由电阻应变感应器检测，电磁铁机构作为行走保持器。

(3) 滚轮式管道机器人 滚轮移动式一般利用机器人与管道内壁的摩擦力作为驱动力，通过改变弹簧的形