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美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)開(kāi)發(fā)出檢測(cè)和修復(fù)天然氣管道問(wèn)題的機(jī)器人系統(tǒng)

2024-02-04 13:05 性質(zhì)：原創(chuàng) 作者：南山 來(lái)源：AGV
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美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所的研究人員正在開(kāi)發(fā)一種模塊化機(jī)器人，它可以匍匐在天然氣管道內(nèi)部，繪制管道位置圖，檢測(cè)破損或泄漏的管道，并在必要時(shí)通過(guò)沿管道內(nèi)壁涂抹樹(shù)脂涂層來(lái)修復(fù)管道。卡...

美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所的研究人員正在開(kāi)發(fā)一種模塊化機(jī)器人，它可以匍匐在天然氣管道內(nèi)部，繪制管道位置圖，檢測(cè)破損或泄漏的管道，并在必要時(shí)通過(guò)沿管道內(nèi)壁涂抹樹(shù)脂涂層來(lái)修復(fù)管道。

卡夫奇奇-莫拉計(jì)算機(jī)科學(xué)教授豪伊-喬塞特（Howie Choset）說(shuō)："我們甚至不知道所有的舊管道都在哪里。"他與研究科學(xué)家 Lu Li 一起在仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)該項(xiàng)目。

人們基本上無(wú)法進(jìn)入的管道密閉空間，是部署機(jī)器人的自然場(chǎng)所。多年來(lái)，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員和衍生公司開(kāi)發(fā)了許多用于檢查下水道、天然氣分配和核電站管道的方案和機(jī)器人。

例如，喬塞特領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)示范項(xiàng)目，將蛇形機(jī)器人送入一座停產(chǎn)核電站的管道中。

最新項(xiàng)目歷時(shí)三年，現(xiàn)已接近尾聲，不僅包括天然氣管道的機(jī)器人檢查，還包括通過(guò)機(jī)器人進(jìn)行維修。該項(xiàng)目由美國(guó)能源部（DOE）通過(guò)能源高級(jí)研究計(jì)劃局（ARPA-E）及其避免密集更換管道快速封裝（REPAIR）計(jì)劃贊助。據(jù)能源部稱，美國(guó)的天然氣通過(guò) 120 萬(wàn)英里的輸氣干線和 90 萬(wàn)英里的服務(wù)管線網(wǎng)絡(luò)輸送到 7500 萬(wàn)戶家庭和 500 多萬(wàn)商業(yè)用戶。

挖掘和修復(fù)這些現(xiàn)有線路的成本高達(dá)每英里 1000 萬(wàn)美元。REPAIR 計(jì)劃旨在使用機(jī)器人和智能涂層在漏水的管道內(nèi)建造新管道。據(jù)能源部估計(jì)，這一過(guò)程--將管道留在原處并從內(nèi)向外修復(fù)--可大幅降低成本。

能源部希望維修后的管道至少能使用 50 年，并對(duì)鑄鐵管和裸鋼管的檢查和維修特別感興趣。雖然這些管道大部分已被黑鋼和其他材料制成的管道所取代，但它們?nèi)哉脊┧芫W(wǎng)的 3%，并且造成了大量泄漏和故障。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所正在開(kāi)發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)可以部署在任何材料的管道中。它也是模塊化的，可以根據(jù)不同的工作進(jìn)行配置。它包括一個(gè)移動(dòng)模塊，模塊上有一對(duì)兩英寸的輪子，第三個(gè)輪子位于模塊頂部。

管道修復(fù)樹(shù)脂和為機(jī)器人提供動(dòng)力的電池都很重，而三個(gè)輪子提供了必要的牽引力，使模塊能夠拉動(dòng)重達(dá) 60 磅的有效載荷。機(jī)器人系統(tǒng)的速度并不是特別快，但它可以在八小時(shí)內(nèi)檢查大約九英里長(zhǎng)的管道。Lu 說(shuō)，修復(fù)作業(yè)需要慢一點(diǎn)，但八小時(shí)內(nèi)可以修復(fù)約 1.8 英里的管道。

"我認(rèn)為樹(shù)脂才是真正的主角。"Choset 說(shuō)。

這種樹(shù)脂由美國(guó)伊利諾伊大學(xué)開(kāi)發(fā)，最初的稠度就像軟冰淇淋，但涂抹到管道壁上后幾秒鐘內(nèi)就會(huì)變硬。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué) 的研究人員開(kāi)發(fā)了一種帶有旋轉(zhuǎn)噴嘴的機(jī)器人模塊，可以將樹(shù)脂涂抹成連續(xù)的珠狀，隨著機(jī)器人的前進(jìn)，樹(shù)脂會(huì)沿著管壁螺旋上升?？屏_拉多州的一家公司正在將這種樹(shù)脂商業(yè)化。

除了樹(shù)脂涂敷模塊外，該系統(tǒng)還包括一個(gè)繪圖模塊，該模塊配有一個(gè)高分辨率光學(xué)傳感器。

該傳感器可檢測(cè)管道的顏色，并使用激光系統(tǒng)對(duì)管道缺陷進(jìn)行精確測(cè)量，以建立三維重建。檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的工程師可以使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)查找和繪制表面接頭、焊縫并識(shí)別結(jié)構(gòu)缺陷。

人工智能可幫助評(píng)估機(jī)器人收集的數(shù)據(jù)。機(jī)器人使用一種名為同步定位和繪圖（SLAM）的技術(shù)繪制高度詳細(xì)的管道地圖。

研究人員利用 Peoples Gas 公司搭建的試驗(yàn)臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估。李說(shuō)，機(jī)器人系統(tǒng)目前的探測(cè)距離為 200 英尺，但最終目標(biāo)是兩公里（約 6500 英尺）。

Lu 說(shuō)，當(dāng)前版本的機(jī)器人是為直徑 12 英寸的管道設(shè)計(jì)的，用于 6 英寸管道的版本正在開(kāi)發(fā)中。

"我們相信，在不久的將來(lái)，我們還可以將尺寸縮小到 2 英寸直徑，但這將是一個(gè)額外的挑戰(zhàn)。越小越難。"

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