在管道天地間翻騰自如，操控八大觸角挑戰物理極限，穿梭于黑暗中依然能"明察秋毫"，這不是漫威宇宙中的超級英雄，而是北京交通大學軌道交通自治運行控制系統研究中心學生科研團隊研發的管道巡檢機器人——一款真實存在的"管道蜘蛛俠"。

機器人主視角

機器人大講堂了解到，這支團隊憑借這款創新型巡檢機器人，在中國國際大學生創新大賽(2024)中斬獲全國銀獎，相關技術也申請了多項知識產權保護。

▍攻克水電“卡脖子”難題，讓管道“體檢”不再停機數十天

"習近平總書記在給白鶴灘水電站的賀信中指出水電建設是“西電東送”的重要組成部分。"北交大交通運輸學院博士生陳俊熙解釋道，"而對于水電站輸送電力的重要通路——離相封閉母線環形絕緣管道，即IPB管道的巡檢，一直是困擾水利發電的卡脖子問題。

白鶴灘水電站

這聽起來像是一個小眾技術領域，但背后隱藏著驚人的經濟價值。水電站的IPB管道是電力傳輸的命脈，一旦出現問題，后果不堪設想。然而，傳統巡檢方式卻異常低效——只能對管道逐節拆卸進行目視檢查，導致每組發電機的巡檢被迫停機至少20天，平均每座水電站每年因IPB管道檢修的費用和經濟損失高達上億元

為什么常規機器人無法解決這一問題？IPB管道的內部結構堪稱極其復雜：嵌套管之間空間間距不斷變化，管道內無法使用GPS定位，甚至連藍牙信號傳輸都無法實現。這意味著機器人不僅要能適應變化的管道結構，還必須在完全黑暗且無信號的環境中精準導航

管內環境

面對這一挑戰，北交大團隊基于學校在機器人領域的技術積累，首創柔性八輪結構與多姿態激光雷達定位控制算法，實現了復雜嵌套管道內壁無吸附螺旋運動及密閉黑暗環境精準定位控制。這一突破解決了水利巡檢的場景化難題，為水電站的安全運行提供了新的技術手段。

▍八輪聯動的“蜘蛛俠”：不翻車、不迷路的管道行者

傳統管道機器人在實際運行中面臨兩大核心問題：一是穩定性差，容易在彎管、不規則管道處偏離姿態，甚至側翻或卡死；二是定位導航困難，在封閉管道中容易迷失方向。

北交大團隊的"管道蜘蛛俠"別出心裁地采用了柔性八輪結構設計。與傳統機器人不同，這款機器人的八個輪子不是剛性固定的，而是具有柔性特質，能夠根據管道內壁形狀自動調整位置和壓力。這意味著，無論管道環境多么復雜惡劣，無論管道形狀多么奇特，它都能精準地抓握管道內壁。

柔性輪管道巡檢機器人工作示意圖

"在作業時，末端的八輪會互相提供足夠的支撐力，實現緊密貼附于管道壁面，無論是水平方向，還是豎直方向，都能實現360°的全方位行走，以此保障運行的穩定性。"陳俊熙解釋道。這種設計讓機器人真正化身"蜘蛛俠"，能夠利用8只"觸角"相互支撐，甚至實現倒掛金鉤

更智能的是，團隊還實現了八輪差速控制，讓輪子能夠"思考"。當遇到障礙物或管道形狀變化時，每個輪子都會自動調整速度和方向，確保整體運動平穩順暢。這種控制策略使得機器人能夠適應各種復雜環境，實現穩定可靠的巡檢作業。

柔性輪管道巡檢機器人工作中

至于"不迷路"的秘訣，團隊給了它兩個獨門絕技。首先是一套獨創的導航定位方法。針對環形貫通管道場景，團隊在傳統SLAM算法基礎上首次提出利用柱坐標系快速建圖定位，讓機器人既能準確知道自己的位置，又能實時繪制周圍環境地圖。

其次是先進的視覺識別算法。機器人配備了可見光攝像頭，能夠對管道內異物遺灑情況、焊縫表面質量以及傳感器狀態等進行全面巡檢。最令人印象深刻的是，即使只有1毫米寬的裂縫，也逃不過它的"火眼金睛"。

基于柱坐標變換的改進SLAM算法與建圖結果

▍四代迭代鑄就硬核技術，校企聯動開啟產業化之路

從構思到穩定成熟的產品，北交大團隊的管道巡檢機器人經歷了四代迭代升級，每一代都凝聚著團隊的智慧和汗水。

最初的兩代機器人采用固定底座的八輪設計，效果并不理想。從第三代開始，團隊大膽轉向更加靈活的柔性輪自適應支撐設計思路，先是嘗試六輪方案，最終確定了柔性八輪的設計方案。這一過程展現了科研創新的艱辛和團隊不懈追求卓越的精神。

四代機器人驅動結構迭代

值得一提的是，團隊在實驗中設置的巡檢場景難度遠超同行標準。"這就像國家提倡攻克'卡脖子'問題和技術一樣，先解決了更難的場景，積累了技術，再去應對其他簡單的就易如反掌了。"陳俊熙解釋道。這種挑戰極限的精神，讓團隊的技術在行業中脫穎而出。

團隊氛圍同樣值得稱道。陳俊熙在帶領團隊過程中，鼓勵成員暢所欲言、敢想敢干，從不忽視每一個人的想法，因為他堅信，每一個微小的主意都可能引起革命性的改變。正是在這樣輕松活潑的氛圍下，團隊成員攜手同行，攻克了一個又一個技術難關。

柔性輪管道巡檢機器人工作示意圖

短短4年時間，在自動化與智能學院侯濤剛老師的專業指導和團隊成員的共同努力下，這個項目不斷迭代演進。如今，在北京交通大學就業與創業指導中心的支持下，陳俊熙已依托項目組建公司，并成功入駐北京交通大學國家大學科技園。學校將為團隊提供包括創業空間、專家指導、資金幫助等全方位支持，助力技術轉化為實際生產力。

據了解，巡檢機器人系列產品已成功落地應用于國家能源、國家電網等重點單位，其應用場景廣泛，包括雅礱江水電站、濟南黃河大橋等實際項目，能夠針對發電站內的IPB管道、電機組蝸殼、吸收塔，以及高速公路、高壓電線等多樣化場景提供服務。展望未來，隨著技術的持續迭代與優化，巡檢機器人在城市地下管廊的維護管理、工業廠房管道的檢測評估等領域，同樣具備廣闊的發展前景。

未來研究團隊將專注研究具身智能與低空經濟的實際應用。團隊看好產品交叉賽道，例如多貨車結合多機器人/無人機的協作配送模式。在未來城市中，具身智能將成為這種創新配送方式的核心，既能滿足日益增長的配送需求，又能顯著降低固定中轉站的建設成本，應用前景廣闊。

從解決水電站IPB管道巡檢的"卡脖子"難題，到潛在的各類管道應用場景，北交大團隊的"管道蜘蛛俠"不僅彰顯了中國高校科研團隊的創新能力，也為國家重大工程安全運行提供了技術保障。相信隨著技術的進一步完善和產業化推進，這款"硬核"機器人將在更廣闊的領域大顯身手，為國家經濟發展和技術進步貢獻更多力量。