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]。83771

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]。论文网

(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

变量来调节机器人与管道的压力，从而改变驱动力的大小。通常机构简单、运动效率 高，但是由于采用摩擦传动，牵引力较小，爬坡能力有限，机动性差。例如，日本福 田美男、细贝英夫在 1997 年研制的一台轮式管内机器人。该机器人采用图像识别技 术分辨管内异物并通过微型机械手进行处理。适应管道半径为 25mm，自重仅为 16g， 牵引力仅为 0。012N[10]。

(4) 履带移动式

履带移动式管道机器人一般采用履带式车辆行走原理，通过带有齿轮减速箱伺服 电机驱动。通常具有强大的越障能力，同时具有较大的驱动力，但是机构庞大，结构 复杂，转向能力差，在管道内容易倒伏。例如，天津大学研制的模块化履带式管道机 器人，主要由三部分组成，积木变半径的本体机构，电缆收放的收放线机构，微机电 系统的控制模块。能够适应管道半径为 100mm—200mm，运行速度为 5—12m/min， 机器人牵引力为 320N/单履[11]。

(5) 足腿移动式

足腿式管道机器人一般采用仿生学原理，模拟蜘蛛等生物的移动，通过足腿压璧 支撑机体，多足进行移动。通常具有良好的越障能力，能够通过各种形状的管道，但 是由于管道存在多个自由度，导致管道机器人轮腿控制困难，机械结构复杂，需要解 决步态规划问题。例如，加拿大研制的利用三足竖管爬行器可在竖管内爬行，增加三 级三足爬行器，机器人可以在竖直管道内自由切换[12]。