一款多功能螺旋式管道清检机器人的研究

1 前言

管道运输相较于其他运输方式，有较高的安全性，能稳定、持久地实现长距离输送，且因其能够大 幅度降低石油运输成本的高经济性成为目前石油最主要的运输方式。目前全球油气长输管道总里程约 191.9 万公里，其中天然气里程数约 124.46 万公里，占比 64.8%，原油、成品油输送管道占比分别为22.04%.13.16% 。石油、天然气在管道内流过后，石油、天然气里面的如硅酸盐、碳酸盐以及泥沙等便会沉积附着在运输管道内壁形成污垢。污垢会对石油的运输 造成阻碍，甚至会腐蚀管道内壁，缩短管道的使用寿命。【1】现存清检技术多依赖人工，但效率低且风险高，且人工操作易受限。使用机器人清检不仅能大幅提升工作效率，还能有效降低安全风险。

2 管道清检机器人的工作原理与结构设计

2.1 螺旋式管道清检机器人的工作原理

该机器人通过凸轮曲线膨胀机构精准清洁；麦克纳姆轮实现螺旋行进；齿轮齿条变径机构调整直径，自适应不同管径；多功能清检单元完成清理与检测，以确保高效地清除管道内沉积物，延长管道使用寿命。

同时采用模块化设计，便于维护与升级，兼容性强。通过无线传输技术，实时反馈清检状态，实现中距检测，进一步提升操作便捷性。

2.1.1 行进原理

该机器人采用基于麦克纳姆轮的螺旋行进模式。麦克纳姆轮由轮毂和安装在轮毂外缘上与轮毂轴线呈一定角度的无动力辊子组成，无动力辊子不仅可绕轮毂轴公转，也能在地面摩擦力作用下绕各自的支撑芯轴自转。公转与自转的合运动速度与轮毂轴有一定的夹角，这是产生全方位运动的运动学上的根本原因。采用聚氨酯弹性体包覆的辊子表面，改善麦克纳姆轮运动的平稳性，增加辊子与管壁间的摩擦力，确保机器人在管道内稳定行进，同时延长机器人的使用周期，减少对管道的损伤【2】。

2.1.2 检测原理

管道老化、损害带来的危害，为捕捉管道内部的微小裂缝、腐蚀点或损伤点位，主要采用多模式导波检测的超声波探伤技术，通过多种不同模式的导波可实现对多种缺陷的同时检测【3】。

机器人配备由高清图传单元与照明单元组成的管道内部探查系统，实时传输清晰图像，确保精准定位缺陷。该探查系统由高清摄像头、多角度照明灯和图像处理模块组成，首先由照明单元保证视野明亮，再通过无线传输技术将图像实时传输至移动端显示屏幕，从而辅助人工远程操控，提升操作精准度。

2.1.3 清理原理

为清理管道内壁附着的杂质和污垢，主要采用物理清理方式，在机器人中负者清理任务的是水射流模块和凸轮曲线膨胀清理机构。

高压水射流单元通过高压水射流清理管道内壁，通常来说可以看作是射流先对管道内壁杂质的先破坏后清理的过程，主要清理原理是当射流压力大于管内污垢杂质所能承受的极限强度时，污垢杂质在射流作用下被破碎成小块，脱离管壁或是当射流清理进行时，射流随污渍间隙渗 透进入杂质内部，此时随着射流压力的增大使得污垢间作用力增大。使得大块污垢被破碎为多个小块污垢，后在射流剪切力的作用下被完全剥离管道内壁【4】。

凸轮曲线膨胀清理机构则通过机械膨胀可灵活变径，避开障碍，减少损伤，有效清洁且不破坏管道。顶端采用单独模块控制，伸缩动作平稳准确，适合复杂管道环境，确保清理任务安全高效完成。

2.2 螺旋式管道清检机器人的结构设计

2.2.1 凸轮曲线膨胀清理机构

凸轮曲线膨胀清理机构涉及到的部件主要包括三部分，旋转片、底座、伸缩杆。该机构可使伸缩杆统一的滑出与收回，从而获得一个在一定范围内自由收缩的机构。将伸缩杆安装在底座的限位槽内，即作为轨道实现直线往复；再将旋转片按预留曲行孔槽与伸缩杆配合安装。

其工作原理为旋转片由单独的动力模块提供旋转力作为主动部件伸缩杆作为变径部件，同时齿状边缘具有一定的清理作用。

2.2.2 齿轮齿条变径机构

齿轮齿条变径机构主要由传动齿轮、啮合齿条和滑动齿条组成，机构实现变径运动是由传动齿轮带动啮合齿条移动，再由啮合齿条带动滑动齿条伸缩麦

克纳姆轮以达到变径的目的。

下面对变径运动进行概述。变径结构动力源自于置于机构中心齿轮上的电机，再通过一系列的动力传递，使终端麦克纳姆轮进行伸缩变径。电机工作时可带动齿轮旋转。由于啮合齿条上的啮合齿与齿轮充分啮合，齿轮旋转时会同时带动啮合齿条在限位杆方向平移。啮合齿条上方的斜制滑槽与滑动齿条下方的斜制滑槽相啮合，当啮合齿条运动时，会带动滑动齿条运动。又因为滑动齿条被限制于外壳上的通道中，所以滑动齿条的运动被限制于通道中，最终达到伸缩变径的目的。

3 结论

本研究成功设计并研制了一种多功能螺旋式管道清检机器人，通过整合凸轮曲线膨胀清理机构、麦克纳姆轮螺旋行进模式、齿轮齿条变径机构及多功能清检单元，实现了对复杂管道环境的高效适应与精准作业。机器人采用模块化设计，支持快速维护与功能扩展，结合无线传输技术，可实时反馈管道状态并生成可视化报告，显著提升清检效率与安全性。其独特的螺旋行进机制与变径能力，确保了对不同管径的广泛兼容性，同时物理清理与高压水射流协同作用，大幅降低管道维护成本并延长使用寿命。该成果为管道智能化运维提供了创新解决方案，对保障能源运输安全、推动工业自动化发展具有重要实践意义。

参考文献：

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[2] 陈博翁 , 范传康 , 贺骥 . 基于麦克纳姆轮的全方位移动平台关键技术研究 [J]. 东方电气评论 ,2013,27(04):7-11.DOI:10.13661/j.cnki.issn1001-9006.2013.04.002.

[3] 焦敬品 , 何存富 , 吴斌 , 等 . 管道超声导波检测技术研究进展 [J]. 实验力学 ,2002,(01):1-9.

[4] 李健 . 螺旋驱动式管道巡检清理机器人动态特性研究 [D]. 中北大学 ,2023.DOI:10.27470/d.cnki.ghbgc.2023.000948.

基金项目：四川省教育厅 2025 年大学生创新创业训练计划项目：《速净先锋 - 螺旋式管道清检机器人》（202510268031）一作：姓名：罗瑞柯，姓别：男，民族：汉，籍贯：四川成都 生于：2006 年/9 月，学历：本科在读 研究方向：电气工程及其自动化专业二作：姓名：易程楷，姓别：男，民族：汉，籍贯：四川崇州 生于：2006 年/1 月，学历：本科在读 研究方向：机械电子工程专业三作：姓名：余蒙豪，姓别：男，民族：汉，籍贯：四川乐山 生于：2005 年/9 月，学历：本科在读 研究方向：机械电子工程专业四作：姓名：黄麒蔚，姓别：男，民族：汉，籍贯：四川资中 生于：2005 年/1 月，学历：本科在读 研究方向：机械电子工程专业五作：姓名：谢金武，姓别：男，民族：汉，籍贯：四川合川 生于：2005 年/11 月，学历：本科在读 研究方向：机械电子工程专业六作：姓名：王彦燕，姓别：女，民族：汉，籍贯：四川成都 生于：2005 年/3 月，学历：本科在读 研究方向：电气工程及其自动专业通讯作者：蒋春蕾，女，籍贯：四川布托，职称：副教授，学位：硕士研究生