研究的目的及意义：
在日常生活的自来水供应、煤气供应、飞机、船只、潜艇、核发电厂等环境中，存在着大量的管道。这些管道在经过段时间的使用之后，由于腐蚀、重压等原因，不可避免地会出现裂纹、湖孔等现象，随着工业管道的大量使用,管道需要检测、维修、清理亟待解决,而管道是一种特殊环境,其特点是空间狭小,存在大量的非结构性管道,长期使用会造成堵塞,需定期清理,传统的人工清理维修显得极不现实。有些管道甚至由于污物无法排除面堵死，所以必须进入管道内部定期地对其进行检修，必要时进行疏通。然而管道内部往往是人们不易直接到达或不允许人们直接进入的，检修难度很大，管道机器人正是为了满足高效准确的管道检测维护任务而出现并发展起来的，其能够胜任通常采用人工作业的方式来完成的任务，降低了作业劳动强度高，提高了效率，井且能够进入狭小的空间，完成些人力不便的工作，随着工业管道的大量使用,管道需要检测、维修、清理亟待解决,而管道是一种特殊环境,其特点是空间狭小,存在大量的非结构性管道,长期使用会造成堵塞,需定期清理,传统的人工清理维修显得极不现实,管道机器人在这方面的应用很有必要性。相较于传统的工人下井检查手段或者潜望镜辅助检查手段,管道机器人不但大大减少了养护工人下井频率和职业病患病率,还显著提高了管道病害检查的准确性及效率,比如常见的裂纹、漏孔、堵塞等病害,保证问题管道的后续治理工作能够对症下药。本次设计的目的在于设计一个伸缩装置，可以适应更小的管道。以及装置一个360度红外线摄像头，更有效的清洁检测。
国内外同类研究概况：
随着社会的进步机器人的使用愈来愈普及。从20世纪50年代起,石油运输大量使用管道，管道的安装环境受到地理位置的限制，且部分管道埋在地下，这对管道质量的人工检测、维护和维修带来了很大的困难。针对这一现实，各种管道机器人应运而生[1]。水下结构检测与清污机器人是有缆遥控水下机器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）的一种，它具有机动灵活、动力充沛、作业深度大、续航力强和环境适应性强等特点，被广泛应用于水下观察、海洋勘探、海洋平台的安装与维修、海洋管线的铺设与检修以及水下考古等作业[2]。管道机器人作为一种新型机器人，可沿着管道内外行走，还能携带传感器来进行完成管道内外作业的机电一体化系统，管道机器人是一种可在管道内、外行走的机电一体化装置,它可以携带1种或多种传感器及操作装置(如CCD摄像机位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道接口焊接装置、防腐喷涂装置等操作装置),在操作人员的远距离控制下进行一系列的管道检测维修作业。一个完整的管道机器人系统应由移动载体(行走机构)、管道内部环境识别检测系统(操作系统)、信号传递和动力传输系统及控制系统组成。其中移动载体和管道内部环境识别检测系统是管道机器人系统的核心部分。由行走机构、信号传递、动力传输系统、内部识别检测系统、控制系统等组成。管道机器人是一种可在管道内、外行走的机电一体化装置,它可以携带1种或多种传感器及操作装置(如CCD摄像机位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道接口焊接装置、防腐喷涂装置等操作装置),在操作人员的远距离控制下进行一系列的管道检测维修作业。一个完整的管道机器人系统应由移动载体(行走机构)、管道内部环境识别检测系统(操作系统)、信号传递和动力传输系统及控制系统组成。其中移动载体和管道内部环境识别检测系统是管道机器人系统的核心部分。管道机器人研究的意义在于可以改善工作人员的作业环境 ，提高作业效率[3]。
管道类机器人国外发展现状：
目前国内外学者已经研制出了多种管道攀爬机器人,攀爬机器人有履带式、框架式、轮式、步行式等[4]，1978年法国的J1VERTUT最早提出轮式管道机器人的行走机构模型。日本东京工业大学早在1993年开始研究管道机器人,他们成功研制出适用微小管道机器人。最新技术使机器人可以小型化足以通过小直径约4英寸的管道[5]。在2001年,纽约煤气集团和卡内基梅隆大学机器人学院研制出了无缆式长距离的管道机器人,这种管道机器人能够检测地下煤气管道的状况。加拿大最先成功制造出完整的双履带式管内机器人系统,履带采用刚性支承结构,其结构连接紧凑,刚性好。但这种刚性支承的履带在行走过程中会使两个履带之间的夹角无法改变,因此只适用于管径没有变化的普通作业场合。Wang Z, Appleton E设计了一种可用于地震救援和管道维修的管道爬行机器人的控制算法和设计，机器人的设计能够智能地改变它的身体形状，以适应碎石中的管道或隧道状空隙[6]。欧洲对管道爬行机器人的研究起步相对较早。伴随着电子技术及通讯技术的发展，管道爬行机器人已达到了实际应用水平。日本电子行业的发展也刺激着管道爬行机器人的不断革新。例如1990年东京大学就开始了管道爬行机器人的研究，并提出了THES系列管道爬行机器人。“月球车”是早期由俄罗斯提出，配备有9个驱动的并联机器人。该机器人采用并联传动机构，摄像头翻转可进行多角度的拍摄，对维修部件进行了多角度的找位，管道机器人利用自身的设备对管道进行检测、维修作业等。
管道类机器人国内发展现状：
国内对于管道爬行机器人的研发相对起步较晚，尽管如此，国内也不乏典型的并联机器人研究成果。丛晓霞 ,秦冬冬 ,秦永康研究设计的管道三足爬行机器人综合采用轮式机构和履带机构 ,并结合平行四边形机构 ,大大提高了机器人的整体效能[7]。2017年我国机器人市场规模达到62.8亿美元，2012-2017年的平均增长率达到28%。其中工业机器人42.2亿美元，服务机器人13.2亿美元，特种机器人7.4亿美元。杜家熙等学者设计了管道爬行机器人,其采用伸缩式伞形结构, 可适应大范围内径变化的管道要求。采用吊篮可始终保持摄像装置与水平面平行, 控制机身电机实现机腿的伸缩, 使其能顺利通过十字型和丁字型等较复杂的管道, 是一种实用有效的管道维修和维护探测装置[8]。周源源，府小伊设计出了一种新轮子，我们将其称之为“类爬行轮”。它的优点在于驱动方便,速度快，一方面有着其他笨重车型不可比拟的速度，另一方面简化了足行机器人复杂的驱动，同时兼备了优秀的灵敏度。这种独特的轮子构造，弥补了传统轮子过栅格地形的不足，真正实现了自由翻越窄桥、台阶、管道和栅格地面，满足全地形行走[9]。段宇，侯宇设计的攀爬机器人的攀爬步态可分为蠕虫式攀爬步态和翻转式攀爬步态，并分别对机器人采用这两种步态进行攀爬的状态、过程及越障能力进行了分析与讨论[10]。Shigeo，Hirose自主研制了 Theseus 系列管道机器人，利用整杆驱动，使机器人不仅可适用于多种不同直径的管道，而且可以在管内长距离运动；中国科学院沈阳自动化研究所的李鹏等研发了具有自适应管径能力的管道机器人，在不增加电机数量的基础上，完善了越障性能[11]。乔晋崴研制了基于凸轮自锁原理的伸缩式管道机器人，其牵引力会随着外载荷的增加而增加，提高了负载能力[11]。帅青文和帅青武设计了一种可调式管道机器人，适用于各种管道的清理等。提高了管道机器人的可靠性和效率以及降低了使用成本，能满足各种管道作业的需求[12]。
参考文献：
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