用于检查复杂工业管道的灵活软机器人

Q: 为什么是软软机器人来检查管道?

工业管道往往很长,弯曲,并充满碎片、腐蚀或障碍。 传统的检查方法包括钻井镜、爬行器和猪(管道检查仪 ) , 但这些硬化的工具可能会卡住、损坏内部衬垫,或者错过复杂的几何体的关键缺陷。 软机器人由于其固有的合规性以及在没有人类不断干预的情况下穿越不确定环境的能力,提供了令人信服的替代方案。

工业软机器人学简介.

软机器人领域在过去十年中随着工业寻求更适应性更强、更安全的解决方案来应对挑战性环境而获得了显著的牵引力。与金属和硬塑料制造的传统僵硬机器人不同,软机器人是用模仿生物体灵活性和韧性的能力的符合性材料建造的。这种范式转变尤其适用于工业检查任务,因为那些任务必须导航封闭、不规则或脆弱的结构。软机器人可以弯曲、伸展和适应周围环境,而不会造成破坏,使其成为石油和天然气、化学加工、水处理和食品制造设施内部管道检查的理想候选者。

为什么是软软机器人来检查管道?

工业管道往往很长,弯曲,并充满碎片、腐蚀或障碍。传统的检查方法包括钻井镜、爬行器和猪(管道检查仪 ) , 但这些硬化的工具可能会卡住、损坏内部衬垫,或者错过复杂的几何体的关键缺陷。软机器人由于其固有的合规性以及在没有人类不断干预的情况下穿越不确定环境的能力,提供了令人信服的替代方案。

增强机动性

软机器人可以穿透弯曲、T-阻断和直径变化,从而阻止硬化装置。它们连续变形的身体可以让它们通过径小如自己的径小的管子向前伸展、爬行或滑动。这种能力是通过分布式的激活机制实现的,这种机制可以产生穿透或脱落运动。

减少损害风险

这些机器人所使用的软材料对管道壁施加的压力最小,减少了刮伤或破坏细腻涂料、衬垫或老旧基础设施的风险。这在携带危险材料的管道中尤为重要,因为即使是小破损也会导致泄漏或污染。

超出检查范围的灵活性

除了视觉检查,软机器人还可以配备清洁,封存甚至修复原地小缺陷的工具. 软机器人的适应性身体可以携带超音速转动器,eddy流感应器等有效载荷,或者在不影响移动性的情况下清洗刷子.

成本效益

一个软机器人设计可以处理多个管子大小和形状,减少了对专业工具车队的需求,这降低了工业维修部门的资本支出和库存成本.

材料和设计原则

任何软机器人的基础都是其物质组成. 常见的材料包括硅酮弹性体(如Ecoflex,龙皮),热塑性聚氨酯,以及水凝胶. 这些材料因其弹性,催泪性,以及与各种振动方法的兼容性而被选用.

触发机制

软机器人由多种将能量转化为运动的动因器驱动,最常见的类型有: .

气动: 压缩空气充气室在机器人内部,使其弯曲或延伸。这种方法简单、强大,而且适合有中等压力的管道。哈佛大学和麻省理工学院的研究小组演示了气动软爬行器,可以导航横向和纵向管道。
Tendon-Driven Crawlers:] 电缆或线拉着机器人的身体来制造弯曲,这一技术提供了精确的控制,并且经常与灵活的骨干结合使用,它允许比气压更快的反应时间,但可能需要更复杂的控制系统.
形状记忆合金(SMAs): 热时用尼蒂诺尔合同等合金制成的电线,产生运动. SMAs轻而易举,无声,使得它们适合噪音引起时的应用,然而它们冷却缓慢,效率有限.
电阻弹性器:[ 这些智能材料在电场下变形,提供快速响应和高压. 虽然前景良好,但它们需要高压,并且仍然处于管道检查机器人的实验阶段.

遥感和反馈

为了进行有效检查,软机器人必须携带能提供管道条件和机器人自身状态数据的传感器。

微型相机:[] 高清晰度的相机,带有LED照明,能捕捉到裂缝,腐蚀,以及阻塞的视觉细节.
铀转子:[]用于壁厚度测量和检测内部缺陷.
压力和流感器:[] 监测局部压力和流,以识别漏泄或阻塞.
软纹传感器:嵌入机器人体内,以测量曲率和变形,实现闭路控制.

实时数据传输往往需要无线通信,但管道的厚金属墙可以削弱信号。研究人员正在探索通过机器人的系绳进行声波无线通信或数据中继,以克服这一挑战。

各种行业的应用

石油和天然气

在上游和下游运营中,管道将原油,天然气和精炼产品长途运输. 腐蚀,侵蚀,疲劳裂缝是常见的威胁. 软机器人可以导航传统工具失效的起浮器,流线,以及海底管道等复杂网络. 例如, 软机器人公司平台已经进行了改造,用于在近海环境中进行灵活的管检.

化学制造

化学工厂使用带有不同温度和压力的侵略性液体的管道. 由耐化学的弹性体制成的软机器人在进行检查时可以承受酸性或碱性环境,其温和的接触避免了在不稳定环境中的闪烁,并减少了爆炸风险.

水和废水

城市水系统往往有含裂缝的老化管道、根入侵和生物膜积聚。软机器人可以进行视觉和声学检查、检测漏水,甚至提供局部氯处理。环境保护局等机构已经资助了软机器人研究,用于非入侵性水基础设施评估。

食品和饮料

卫生在食品加工管道中至关重要。食品级硅制造的软机器人可以很容易地清洗和消毒。它们可以检查产品残留、腐蚀或外来物体,而不会污染线。一些设计正在取得进展,以便利用综合喷雾喷嘴进行现场清洁。

挑战和限制

尽管它们有承诺,软机器人在工业管道广泛部署之前仍面临若干障碍。

实力和有效载荷能力

软材料不能支持重载或施加大力,这限制了它们所能携带的传感器和工具的大小和重量。研究人员正在开发嵌入式加固的复合结构,以提高负载能力,同时又不牺牲灵活性。

控制和自治

软材料高度非线性的行为使得精确控制变得困难。传统的僵硬机器人控制器依赖于精确的动能模型,但软机器人的形状取决于许多变量,包括压力、摩擦和管状几何。机器学习和模型预测控制等高级控制策略正在被设计为软机器人。机器人学中的前沿和AI[的回顾深入讨论了这些挑战。

杜易和戴

反复变形和接触粗糙的管面会造成疲劳、裂缝或穿孔。材料科学的进步 — — 如自愈塑性物质和较坚固的复合材料 — — 旨在延长软机器人的操作寿命。

动力和引爆速度

气压系统需要压缩机和限制范围的绳索. 电池动力软机器人受能量密度的限制,研究人员正在利用管道本身的流量来调查高效泵和机上发电.

三个维度的导航

虽然软机器人在水平和低角管上表现优异,但垂直攀登需要额外的抓取机制。有些设计使用粘贴垫或磁脚来进行有色管,而另一些则依赖于各段之间的差异摩擦。

未来动态和趋势

正在进行的研究正在迅速解决这些局限性。我们期望看到具有集成人工智能的软机器人,学习未知管网的最佳运动策略。计算机视觉算法将实现自主缺陷识别,减少对人的监督需求。

多元和四维打印

添加制造可以制造具有分级硬度的机器人,嵌入式传感器,以及随时间变化形状的活性材料(4D打印),这将导致定制适合特定管道几何和任务的机器人。

机器人运动

多个小型软机器人可以平行运行,将检查任务划分到一个大型网络中,它们可以沟通和协调以更快地覆盖地面,类似于生物群探索复杂环境的方式. Science Robotics[的研究出版物为软机器人群提出了早期的概念.