随着全球基础设施的老化，对关键设施的定期检查和维护变得愈发重要。尤其是化工行业中，锅炉管道的安全运行是确保能源供应稳定的重要环节。对于传统人工手动检测方法来讲，不仅耗时耗力，还存在一定的安全风险。
针对这一问题，亚利桑那州立大学（Arizona State University，简称ASU）研究团队设计并制造了一款管道检测机器人（Biologically-Inspired Tube Inspection Robot，简称BTI机器人）。该机器人具备在复杂管道结构中灵活移动和实时检测管道缺陷的能力，其创新点包括特制的摩擦垫设计和集成的电磁声换能器（EMAT）传感器等。此外，研究团队还通过有限元分析（FEA）和实地测试等方法验证了该方案的可行性和有效性。
▍
石化行业特种爬行机器人巡检 两大问题尚未解决
石化行业的锅炉管道常年承受高温高压及腐蚀环境，容易出现结构损伤，甚至引发安全事故，轻则发生泄漏，重则危及人员伤亡。因此，定期检测锅炉管道对于保障设施安全至关重要。然而，传统的手动检测方法需要大量人力、物力和时间，且存在安全隐患。特别是在进行深度检测时，通常需要关闭锅炉系统，停工检修将企业带来巨大的经济损失。
仿生管道检测（BTI）机器人描述
目前，管道检测技术主要分为两大类：管内爬行机器人和外部爬行机器人。管内爬行机器人虽然能进入管道内部进行检测，但需要将整个管道系统排空，操作复杂且成本高。而外部爬行机器人虽然操作相对简单，但通常受限于管道材质和表面粗糙度，无法适应所有场景。
▍
ASU研究团队设计并开发BTI机器人
BTI机器人设计灵感来源于壁虎、蜥蜴和某些哺乳动物的攀爬能力。这些生物利用爪、钩或刺等机械结构，能够在不规则和粗糙表面上灵活攀爬。受此启发，BTI机器人采用基于摩擦力的移动方式，能够在各种材质的锅炉管道上自由移动，极大地拓宽了应用场景。
（BTI）机器人的运动学树
BTI机器人主要由两个抓握器、两个线性执行器和一个中央连接部分组成。每个抓握器配备有四个手指，手指末端装有特制的摩擦垫，以提供强大的抓握力。线性执行器则负责驱动抓握器沿管道移动。整个机器人共有9个自由度，使其能够灵活应对各种复杂管道结构。
在生物启发的管道检查机器人（BTI）中，摩擦垫的设计起到了至关重要的作用。摩擦垫不仅决定了机器人在管道上的附着力和移动能力，还直接关系到机器人在复杂环境中的稳定性和适应性。设计团队从生物学的角度汲取灵感，借鉴了壁虎、蜥蜴等爬行动物的足垫结构，开发出了具有高摩擦系数的摩擦垫。
BTI机器人可以实现多种配置
摩擦垫采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为主要材料，并通过软光刻技术制作。这种材料具有良好的弹性、耐热性和化学稳定性，非常适合在锅炉管道等高温高压环境下工作。摩擦垫的表面设计了不同的纹理图案，如圆形、方形和三角形等，以探究其对摩擦力的影响。经过实验验证，具有三角形纹理的摩擦垫在增加负载时表现出更高的摩擦系数，能够在机器人移动时提供更强的抓握力。
为了进一步提升摩擦垫的性能，研究团队还在材料中加入了硅胶颜料以增强其耐用性。在测试过程中，摩擦垫在不同直径和材质的管道上均表现出了优异的附着能力，不仅能够在光滑的管道上稳定移动，还能在粗糙的表面上提供足够的摩擦力，确保机器人在复杂管道系统中的可靠运行。
机器人中使用的机械齿轮系的分解图
此外BTI机器人在进行管道检查时，不仅需要稳定的移动能力，还需要高精度的无损检测技术。因此，研究团队将电磁声换能器（EMAT）集成到了机器人的手指中，实现了在移动过程中的实时缺陷检测。
电磁声换能器（EMAT）与机器人手指
研发人员表示，EMAT的工作原理是通过线圈产生的交变磁场与管道中的感应电流相互作用，激发出超声波。这些超声波在管道中传播并反射，通过接收到的回波信号，可以分析出管道内部的缺陷情况。与传统的耦合剂超声检测方法相比，EMAT无需耦合剂，大大简化了检测流程，提高了检测效率。
摩擦垫横截面图
在机器人手指中，每个EMAT都由一个薄型线圈和一个永久磁铁组成。线圈被放置在摩擦垫后方，磁铁则嵌入到手指结构中，确保在机器人附着在管道上时，EMAT能够紧贴管道表面，实现最佳的超声波传输效果。通过优化线圈的形状和磁铁的布局，设计团队实现了高灵敏度和高分辨率的超声波检测，能够准确识别出管道中的裂纹、腐蚀等缺陷。
BTI机器人手指优化
此外，由于EMAT被直接集成到机器人手指中，机器人可以在移动过程中持续对管道进行检测，无需停机或改变位置，大大提高了检测效率和准确性。这种集成设计不仅减轻了机器人的整体重量，还增强了机器人的多功能性，使其能够适用于更广泛的管道检测任务。
▍
BTI机器人技术细节与性能表现
研究人员介绍，BTI机器人在设计时充分考虑了结构强度和材料特性。主要部件如抓握器、齿轮箱和线性执行器均经过精密计算和优化设计，确保在高负载条件下的稳定运行。例如，抓握器采用了齿轮传动系统，能够提供足够的扭矩以克服机器人自身的重量和管道表面的摩擦力。
在机器人设计上，通过9个自由度的灵活配置，BTI机器人能够在水平、垂直以及45度弯曲的管道上自如移动。实验证明，该机器人在不同管道配置下均能保持稳定的攀爬能力，有效解决了传统检测机器人在复杂管道环境中的局限性。
针对于非破坏性检测，集成的EMAT传感器使BTI机器人具备实时检测管道缺陷的能力。这种非破坏性检测技术不仅提高了检测效率，还降低了对管道的潜在损害风险。通过连续扫描管道表面，机器人能够及时发现并标记出裂纹、腐蚀等缺陷位置。
▍
BIT机器人可实现垂直、水平以及45度弯曲管道作业
为了确保机器人的结构强度，研究人员使用SOLIDWORKS软件对机器人进行了全面的有限元分析。模拟结果显示，在不同工作姿态下，机器人各部件均能承受极端载荷并保持足够的安全系数。
最薄弱点的有限元分析结果
在摩擦垫性能测试方面，研究人员通过对不同设计的摩擦垫测试发现具有三角形图案的摩擦垫在增加负载时能提供更高的静摩擦力。此外在实地测试中，BTI机器人成功在水平、垂直及45度弯曲的管道上完成了攀爬任务。尽管在处理某些极端复杂管道结构时遇到一定困难，但总体表现令人鼓舞。
▍
结语与未来：
ASU团队表示，未来后续迭代版本当中，BTI机器人将进一步优化结构设计并减轻重量。通过采用更先进的材料和制造工艺，提高机器人的能源效率和运动速度。与此同时，团队也会针对特定应用场景进行定制化设计，以满足不同行业的检测需求。
在应用场景方面，BTI机器人在电力、石油、化工等多个领域有率先落地的机会。相比传统爬行机器人，非破坏性检测能力以及灵活的移动性能将为行业客户带来更好的安全保障与运营效益。
如需咨询企业合作事宜，欢迎联系堂博士(13810423387，手机与微信同号)进行对接。
----------------END----------------
