管道清洗機器人專利技術(shù)綜述

李銳琴，何健鋒

（1.四川省知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)中心，成都 610041；2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心，成都 610200）

20 世紀(jì)70 年代，石油、化工、天然氣及核工業(yè)的迅速發(fā)展衍生了管道探測與維護(hù)的需求。在管道傳輸液體、氣體的過程中，因溫度、壓力的變化及介質(zhì)與管道之間的物理化學(xué)反應(yīng)，常常會高溫結(jié)焦，生成油垢、水垢，存留沉積物、腐蝕物等，有效傳輸管徑減少，輸送效率下降，能耗增加，還存在安全隱患。盡管通過添加化學(xué)劑、采用合理的工藝流程、采取水質(zhì)處理等措施可以在一定程度上改善這些情況，但完全避免污垢的產(chǎn)生是不可能的。然而，這些管道大多埋設(shè)于地下或海底，人們無法直接到達(dá)或介入其安裝環(huán)境，或管道的內(nèi)徑很小，人們無法進(jìn)入、通過，或管道內(nèi)部存在危險或毒害，易危及操作人員的安全。

管道機器人應(yīng)運而生。管道機器人是一種可沿管道內(nèi)壁行走的機械，其可以攜帶一種或多種傳感器及操作裝置，包括CCD 傳感器、位置及姿態(tài)傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器、管道清理裝置、管道裂紋及管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置和簡單的操作機械手等，操作人員可對其進(jìn)行控制，從而完成一系列的管道檢測和維護(hù)作業(yè)[1]。法國人J.Vertut 是探索管道機器人理論與樣機研究的先鋒，其于1978 年提出了輪腿式管內(nèi)行走機構(gòu)模型[2]。此后，日本、美國、韓國等國家充分利用前人的研究成果和現(xiàn)代技術(shù)，成功研發(fā)了多種結(jié)構(gòu)的管道機器人。我國對于管道機器人的研發(fā)已有二十余年的歷史，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、上海交通大學(xué)、清華大學(xué)和浙江大學(xué)等高等學(xué)府及科研院所均在此領(lǐng)域有所建樹。

1 管道清洗機器人概況

管道清洗機器人屬于管道機器人的一個分支，其主要是對管道內(nèi)部進(jìn)行清掃、清淤、除塵和噴灑消毒液等操作，目前已被廣泛應(yīng)用于空調(diào)管道、輸油輸氣管線、下水道等的清理中。通常而言，管道清洗機器人應(yīng)包括行走部件、清潔部件、控制部件及檢測、圖像采集等輔助部件。此外，由于管道清洗機器人的工作環(huán)境是復(fù)雜、封閉的各種管道，包括水平直管、各角度彎管、斜坡管、垂直管及變徑管接口等，其運行距離也較長[1]，因此通常管道清洗機器人還有著適應(yīng)管徑以及通過彎道等功能的管道通過部件。

按照不同的行走方式，管道清洗機器人的行走部件可分為輪式、履帶式、頂壁式及腿式等，分別適用于不同的作業(yè)環(huán)境[3]。輪式行走部件是最為常見的結(jié)構(gòu)，機器人的前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)彎可通過調(diào)整兩側(cè)軸輪的運動方向和轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。履帶式行走部件屬于輪式行走部件的擴展，履帶本身起到給車輪連續(xù)鋪路的作用，其支撐面積大，下陷度小，適合在松軟或泥濘場地中作業(yè)。頂壁式行走部件是利用支腳結(jié)構(gòu)頂住管壁，進(jìn)而在管道內(nèi)前進(jìn)。腿式行走部件則是模仿人類行走，僅需要支腿與管道壁面以離散點接觸即可前進(jìn)，對各類環(huán)境的適應(yīng)性較強[4]。

根據(jù)不同的作業(yè)環(huán)境以及清掃需求，管道清洗機器人可以搭載不同的清潔工具，常見的清潔工具包括毛刷、鏟刀、吸塵管和噴嘴等。機器人可搭載單一的清潔工具，也可搭載多種清潔工具，例如在空調(diào)管道清洗作業(yè)中，機器人就常搭載毛刷、吸塵管以及噴嘴3 種清潔工具，首先利用毛刷將附著于管道內(nèi)壁的灰塵揚起，再利用吸塵管將灰塵吸除，最后通過噴嘴噴灑消毒液，以防止病毒在空調(diào)管道內(nèi)滋生。

管道清洗機器人的自動化智能化一直是技術(shù)研究熱點，然而，目前對管道清洗機器人的控制仍以人工操控為主，主要包括有纜控制及無線控制。由于大部分需要清潔的管道為金屬管，對電信號存在一定的屏蔽作用，因此采用無線控制方式時對發(fā)射信號的頻率有較高要求。此外，無線控制方式需要機器人自身攜帶電源設(shè)備，這在一定程度上增加了機器人的載荷。有纜控制方式是采用電纜連接位于管道外的控制中心和管道內(nèi)的清洗機器人，可向機器人傳遞控制信號并進(jìn)行供電。但由于電纜與管壁存在摩擦阻力，機器人較難長距離作業(yè)，在多彎管道中更是受到較大限制。

此外，管道通過能力是衡量管道清洗機器人優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)[5]。管道內(nèi)作業(yè)情況復(fù)雜，管道清洗機器人易發(fā)生卡堵，尤其是在管徑變化、彎管以及管接頭的位置。因此，如何提升機器人在管道內(nèi)的通過能力一直是各界的研究熱點。目前通常是采用多模塊化結(jié)構(gòu)來設(shè)計管道清洗機器人，以提高其通過彎管的靈活度，并在機器人主體上搭載伸縮結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同大小的管徑，從而防止卡堵。

管道清潔機器人通常還搭載有檢測、圖像采集等輔助部件，以使管外操作人員準(zhǔn)確掌握封閉管道內(nèi)的情況。

2 技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

2.1 數(shù)據(jù)源與關(guān)鍵詞

本文數(shù)據(jù)來源于incoPAT 專利信息平臺，檢索對象為公開日或公告日在2022 年6 月30 日前的發(fā)明和實用新型專利申請，檢索關(guān)鍵詞包括：管道、風(fēng)管、下水道、清洗、清潔、清淤、除塵、機器人，pipe、duct、clean、dedust、robot。IPC 分 類 號 包 括（第8 版[2006.01]）：B08B，F(xiàn)16L，B25J，E03F。

通過對檢索所獲得的該領(lǐng)域的專利申請進(jìn)行統(tǒng)計與分析研究，對管道清洗機器人所涉及的技術(shù)進(jìn)行分解，參見表1。

表1 技術(shù)分解及定義

2.2 對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析

2.2.1 申請的地域分布

對管道清洗機器人專利申請的所在國家和地區(qū)產(chǎn)權(quán)組織分布進(jìn)行統(tǒng)計，得到專利申請地域分布圖，如圖1 所示。從圖1 中可以看出，中國、韓國和日本是申請大國，共同占據(jù)了所有專利申請的84%，可見東亞地區(qū)是管道清洗機器人最主要的技術(shù)市場，而其中，中國的申請量就占到了全球申請量的55%。此外，主要申請國還包括德國、美國、日本及法國。

圖1 申請量地域分布

2.2.2 核心專利

根據(jù)數(shù)據(jù)庫中專利文獻(xiàn)的被引頻次數(shù)對本領(lǐng)域的專利申請進(jìn)行排序，列舉出被引頻次數(shù)較高的專利申請。值得說明的是，由于早期申請被引頻次較高，因此在篩選時引入了同年齡段專利文獻(xiàn)的平均被引頻次水平作為參照，旨在消除不同專利年齡帶來的影響。此外，考慮到核心專利應(yīng)在全球范圍內(nèi)均有一定影響力，因此在篩選中剔除了僅由本國引用的專利。得到前7項高頻被引核心專利，參見表2。

表2 前7 項高頻被引核心專利

從表2 中可以看出，這7 篇被引頻次最高的專利申請主要涉及到美國，德國、瑞士、法國等歐洲國家，中國以及世界知識產(chǎn)權(quán)組織。圖2 對上述專利所涉及到的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行了簡單的分析及梳理。從圖2 中可以看出，核心專利的技術(shù)重點主要集中于彎道通過以及管徑適應(yīng)部件，僅有少量專利涉及到行走部件以及清潔工具。此外，有核心專利同時涉及到彎道通過及管徑適應(yīng)部件，可見該領(lǐng)域的研究熱點是如何提高機器人的綜合通過能力。

圖2 核心專利圖解

2.2.3 專利技術(shù)發(fā)展演進(jìn)

通過對管道清洗機器人各個時期的專利文獻(xiàn)進(jìn)行梳理和分析，針對機器人結(jié)構(gòu)中較為重要的行走部件、管徑適應(yīng)部件以及彎道通過部件等技術(shù)分支，得到相關(guān)的專利技術(shù)演進(jìn)路線，如圖3 所示。

圖3 管道清洗機器人技術(shù)演進(jìn)圖

從圖3 中可以看出，1990—1995 年間，管道清洗機器人的行走部件、管徑適應(yīng)及彎道通過部件均有一定的發(fā)展。早期的管道清洗機器人的行走部件主要為輪式結(jié)構(gòu)，同時，有研究者發(fā)現(xiàn)，在機器人的周向設(shè)置多個行走輪，有助于機器人通過垂直轉(zhuǎn)角的管道。隨后，在輪式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上衍化出了履帶式結(jié)構(gòu)，履帶式結(jié)構(gòu)的行進(jìn)更為可靠，但缺乏輪式結(jié)構(gòu)的靈活，因此較少在履帶式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開發(fā)管徑適應(yīng)以及彎道通過的相關(guān)部件。而早期的管徑適應(yīng)部件是通過同步帶的形式對機器人的支腳進(jìn)行擴張和收縮，其可靠性較低；之后出現(xiàn)了以“雨傘形式”擴張收縮的管徑適應(yīng)部件，在管徑變小時能夠迅速將支腳縮回主體，從而快速通過，同時，通過設(shè)置彈簧結(jié)構(gòu)，使得在通過管徑變小的部分后支腳能夠快速回彈，緊貼管壁，從而保證了對管道的清洗效果。此外，在彎道通過部件上的重要發(fā)展是采用了鉸接分段式結(jié)構(gòu)，將清潔部件、驅(qū)動部件以及控制部件分模塊鉸接，該結(jié)構(gòu)使得機器人自身在通過彎道時能夠發(fā)生彎折，不僅大大增加了機器人的靈活度，還延長了機器人的使用壽命，當(dāng)某個模塊發(fā)生故障時，僅需對該模塊進(jìn)行替換。這種多模塊化結(jié)構(gòu)自出現(xiàn)以來一直被沿用，至今仍被認(rèn)為是提高機器人彎道通過能力的重要手段。1996—2000 年是管道清洗機器人行走技術(shù)平穩(wěn)發(fā)展的時間，這個時期的研究方向大多是對前期研究成果的組合和改進(jìn)，例如出現(xiàn)了以輪式行走部件為主、伸縮腳為輔的行走結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)通過伸縮腳頂住管壁，提高了輪式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時也具備一定的管徑適應(yīng)能力。進(jìn)入2000 年之后，出現(xiàn)了多種行走部件，例如電磁吸附行走式、步進(jìn)式行走部件，對于管徑適應(yīng)的伸縮結(jié)構(gòu)也有了進(jìn)一步的改進(jìn)，例如克服了履帶式結(jié)構(gòu)缺乏靈活度的缺點，以中心擴張的方式將履帶式結(jié)構(gòu)引入管徑適應(yīng)部件中，不僅適用于圓形管道，還可適用于方形管道。

總體來看，管道清洗機器人的行走部件、管徑適應(yīng)以及彎道通過部件均是機器人在管道內(nèi)通行能力的體現(xiàn)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，各分支領(lǐng)域之間的研究也將出現(xiàn)更多的交叉。

3 典型技術(shù)方案分析

通常待清洗的管道距離較長，且存在許多彎管及管接頭的部分，對于管道清洗機器人來說，如何通過管道彎折部分是長期存在的一個問題。

在未出現(xiàn)多模塊結(jié)構(gòu)之前，US5203646A 這篇專利公開了在機器人的周向設(shè)置多個行走輪的技術(shù)方案，有助于機器人通過垂直轉(zhuǎn)角的管道，該項專利被引用多達(dá)63 次，可以說具有較高的影響力。圖4 展示了該種機器人的整體結(jié)構(gòu)，主要包括主體10、通過主體10中心軸線的電纜14 及套設(shè)于機器人主體10 外的法蘭304，法蘭304 延伸出4 對V 型支腿302，每一對V 型支腿302 有兩個支腳306，每個支腳306 上設(shè)置有一對滾輪308。

圖4 周向設(shè)輪機器人

圖5 展示了該機器人在通過彎管時的情況。從圖5 中可以看出，依靠電纜14 的導(dǎo)引，機器人在通過管道的垂直轉(zhuǎn)角時，只有滾輪308 與管道內(nèi)壁接觸，因此可以有效防止機器人主體10 被卡在轉(zhuǎn)角處。此外，周向設(shè)輪的結(jié)構(gòu)能夠確保機器人主體10 無論相對于轉(zhuǎn)角是何種角度均能順利通過，大大提高了機器人的通過能力。

圖5 機器人通過垂直轉(zhuǎn)角管道

然而，周向設(shè)輪的機器人雖然能夠通過彎道，但其本身靈活度較低，并且需要電纜進(jìn)行輔助，通過能力還有待提高。WO93/05334A1 這篇專利提出了以多模塊結(jié)構(gòu)的形式來設(shè)計管道清洗機器人，從而賦予機器人較高的靈活度和自由度，機器人的彎道通過能力得到了極大的提高。圖6 顯示了該種機器人的整體結(jié)構(gòu)，從圖6 中可以看出，該機器人包括驅(qū)動部分8、控制部分14 以及機器人的實際操作部分1，三部分之間通過可樞轉(zhuǎn)的鉸鏈15、16 連接，因此這三部分具有較高的可變形性。驅(qū)動部分8 具有較大的推力或拉力，其安裝4 個具有較高摩擦力的輪胎12，能夠牢牢貼附于管道內(nèi)濕滑的表面。電纜33、34 以及35 穿過驅(qū)動部分8 一直延伸至控制部分14，并連接到機器人的實際操作部分1。操作部分1 有一個主體36，該主體36 具有較大的質(zhì)量，因為其需要平衡在對管壁進(jìn)行作業(yè)時的反作用力，并且起到穩(wěn)定整個操作部分1 的作用。從圖6 中還可以看出，操作部分1 的前端還通過連桿10 以及鉸接結(jié)構(gòu)13 連接磨刀5，連桿和鉸接結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增加了機器人操作的自由度，擴大了磨刀5 的作業(yè)范圍。這種分段鉸鏈?zhǔn)降慕Y(jié)構(gòu)是多模塊化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，如前所述，該種結(jié)構(gòu)自出現(xiàn)以來一直被沿用，至今仍被認(rèn)為是提高機器人彎道通過能力的重要手段。

圖6 分段鉸鏈?zhǔn)綑C器人

如何適應(yīng)管徑大小也是管道清洗機器人常常面臨的技術(shù)問題之一。專利CN1962091A 公開了一種帶平行四桿機構(gòu)的可變徑管道清洗機器人，如圖7 所示?？梢钥闯?，該機器人由前后2 節(jié)結(jié)構(gòu)組成，前后2 節(jié)之間通過中心彈簧24 連接，具有較好的彎道通過能力。其中，單節(jié)結(jié)構(gòu)包括由前搖桿4 和后搖桿18 構(gòu)成的平行四桿機構(gòu)，滾動輪1 安裝于前搖桿4 的后端，在管道管徑變小時，機器人與管壁通過滾動輪1 接觸，摩擦力較小，有助于機器人快速通過；前搖桿4 的中部還安裝有滾動小輪9，當(dāng)遇到障礙時，前搖桿4 與障礙物接觸，通過滾動小輪9 的過渡，機器人能夠迅速越過障礙；前搖桿上還安裝有扭簧5，其彈力使得前搖桿4 在越過障礙后能夠徑向張開，滾動輪1 再次貼緊管道內(nèi)壁。此外，清洗頭14 通過彈簧16 安裝到前后搖桿之間的連桿13 上，在彈簧的彈力作用下，清洗頭14 在磨損一定厚度后也能始終貼緊在管道內(nèi)壁，提高長距離清洗作業(yè)效果。這種結(jié)構(gòu)不僅能夠快速適應(yīng)管徑，也具備較好的彎道通過能力，機器人在管道內(nèi)的通行能力得到大幅度提高。

圖7 帶平行四桿機構(gòu)的機器人

專利WO2011/009420A2 公開了以中心擴張形式來適應(yīng)管徑變化的管道清洗機器人。如圖8 所示，該機器人包括主體1，主體1 的外部呈放射狀設(shè)置有行走機構(gòu)16，行走機構(gòu)16 為履帶式，通過連桿結(jié)構(gòu)連接到主體1，在管徑變化時，連桿結(jié)構(gòu)以主體1 為中心呈放射狀展開，并且履帶結(jié)構(gòu)相比輪式結(jié)構(gòu)能夠更為可靠地支撐于管道內(nèi)壁上。

圖8 履帶式中心擴張機器人

當(dāng)待清洗的管道的內(nèi)徑更大時，該機器人還可在連桿結(jié)構(gòu)上續(xù)接延伸桿37，如圖9 所示。延伸桿37 為多孔的空心結(jié)構(gòu)，不會顯著增加機器人的重量，并且能夠保證機器人始終以一定力緊貼于管道內(nèi)壁，提高了行走的可靠性。

圖9 帶有延伸桿的機器人

當(dāng)待清洗的管道為方管時，還可在機器人的行走機構(gòu)16 上裝備調(diào)整器31，如圖10 所示。調(diào)整器31 具有一定角度的彎折，從而使得行走機構(gòu)16 始終與管壁垂直，提高了機器人在方管內(nèi)的行走可靠性。

圖10 帶有調(diào)整器的機器人

此外，在面對豎直管道時，還要求機器人具備爬壁能力。專利CN101069890A 公開了一種用于中央空調(diào)管道式通風(fēng)系統(tǒng)的清潔機器人。如圖11 所示，該機器人的主體包括交叉形式的行走機構(gòu)以及位于行走機構(gòu)中心的以齒輪及傳動帶進(jìn)行傳動的清掃機構(gòu)，其運動方式如圖12 所示。

圖11 電磁吸附行走式機器人

圖12 電磁吸附行走式機器人的行走機構(gòu)

當(dāng)機器人吸附在管道內(nèi)，需要向前行進(jìn)時，電機3帶動曲柄4，進(jìn)而帶動連桿5，使位于中心的滑塊17 沿導(dǎo)桿組2 朝向限位開關(guān)座9 運動，電機14 帶動曲柄12，進(jìn)而帶動連桿11，使滑塊17 沿導(dǎo)桿組15 朝向限位開關(guān)座7 運動。此時，吸附電磁鐵23 和31 不通電，具有磁性，因此吸附在管道內(nèi)壁上，從而使得導(dǎo)桿組15 與其上的部件相對于壁面靜止。吸附電磁鐵19 和26 通電，不具有磁性，脫離壁面，導(dǎo)桿組2 與其上的部件相對壁面運動，而由于這2 個導(dǎo)桿組的運動相對垂直，因此機器人總體朝向圖中的A 方向運動。同時，因為機器人的爬壁是利用了電磁吸附，當(dāng)需要爬行豎直管道時，只需將行走電機3 和14 轉(zhuǎn)角相差180°即可。該專利提出了利用電磁鐵的吸附作用使機器人吸附在管道內(nèi)壁行走，由2 對曲柄連桿機構(gòu)帶動滑塊沿導(dǎo)軌進(jìn)行的兩向45°運動可以合成為沿水平或者豎直方向的運動，從而實現(xiàn)行走橫管、豎管和躲避障礙的功能。

4 結(jié)束語

本文對管道清洗機器人專利技術(shù)進(jìn)行分析和整理，梳理了管道清洗機器人的行走部件、管徑適應(yīng)部件及彎道通過部件等技術(shù)分支的技術(shù)演進(jìn)，重點分析了本領(lǐng)域的典型技術(shù)方案。經(jīng)分析，管道清洗機器人在專利中的核心技術(shù)主要集中于彎道通過以及管徑適應(yīng)，即如何提高機器人的綜合通過能力；管道清洗機器人在彎道通過方面的技術(shù)演進(jìn)主要以輪式結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，還衍生出了鉸鏈?zhǔn)?、多模塊化的結(jié)構(gòu)，在管徑適應(yīng)方面演進(jìn)為中心擴張式的可收縮結(jié)構(gòu)；管道清洗機器人如今在綜合通過能力方面的發(fā)展已日益成熟。