管道清洗機器人專利技術綜述

李銳琴，何健鋒

（1.四川省知識產權保護中心，成都 610041；2.國家知識產權局專利局專利審查協作四川中心，成都 610200）

20 世紀70 年代，石油、化工、天然氣及核工業的迅速發展衍生了管道探測與維護的需求。在管道傳輸液體、氣體的過程中，因溫度、壓力的變化及介質與管道之間的物理化學反應，常常會高溫結焦，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。盡管通過添加化學劑、采用合理的工藝流程、采取水質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生是不可能的。然而，這些管道大多埋設于地下或海底，人們無法直接到達或介入其安裝環境，或管道的內徑很小，人們無法進入、通過，或管道內部存在危險或毒害，易危及操作人員的安全。

管道機器人應運而生。管道機器人是一種可沿管道內壁行走的機械，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，操作人員可對其進行控制，從而完成一系列的管道檢測和維護作業[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行走機構模型[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代技術，成功研發了多種結構的管道機器人。我國對于管道機器人的研發已有二十余年的歷史，哈爾濱工業大學、中國科學院沈陽自動化研究所、上海交通大學、清華大學和浙江大學等高等學府及科研院所均在此領域有所建樹。

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，其主要是對管道內部進行清掃、清淤、除塵和噴灑消毒液等操作，目前已被廣泛應用于空調管道、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境是復雜、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環境[3]。輪式行走部件是最為常見的結構，機器人的前進、后退及轉彎可通過調整兩側軸輪的運動方向和轉速來實現。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。頂壁式行走部件是利用支腳結構頂住管壁，進而在管道內前進。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，對各類環境的適應性較強[4]。

根據不同的作業環境以及清掃需求，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，例如在空調管道清洗作業中，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，以防止病毒在空調管道內滋生。

管道清洗機器人的自動化智能化一直是技術研究熱點，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的清洗機器人，可向機器人傳遞控制信號并進行供電。但由于電纜與管壁存在摩擦阻力，機器人較難長距離作業，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劣的一個重要指標[5]。管道內作業情況復雜，管道清洗機器人易發生卡堵，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構來設計管道清洗機器人，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構，以適應不同大小的管徑，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確掌握封閉管道內的情況。

2 技術發展狀況

2.1 數據源與關鍵詞

本文數據來源于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 日前的發明和實用新型專利申請，檢索關鍵詞包括：管道、風管、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，F16L，B25J，E03F。

通過對檢索所獲得的該領域的專利申請進行統計與分析研究，對管道清洗機器人所涉及的技術進行分解，參見表1。

表1 技術分解及定義

2.2 對數據進行統計和分析

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產權組織分布進行統計，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，共同占據了所有專利申請的84%，可見東亞地區是管道清洗機器人最主要的技術市場，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

根據數據庫中專利文獻的被引頻次數對本領域的專利申請進行排序，列舉出被引頻次數較高的專利申請。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，考慮到核心專利應在全球范圍內均有一定影響力，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權組織。圖2 對上述專利所涉及到的技術內容進行了簡單的分析及梳理。從圖2 中可以看出，核心專利的技術重點主要集中于彎道通過以及管徑適應部件，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部件，可見該領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 專利技術發展演進

通過對管道清洗機器人各個時期的專利文獻進行梳理和分析，針對機器人結構中較為重要的行走部件、管徑適應部件以及彎道通過部件等技術分支，得到相關的專利技術演進路線，如圖3 所示。

圖3 管道清洗機器人技術演進圖

從圖3 中可以看出，1990—1995 年間，管道清洗機器人的行走部件、管徑適應及彎道通過部件均有一定的發展。早期的管道清洗機器人的行走部件主要為輪式結構，同時，有研究者發現，在機器人的周向設置多個行走輪，有助于機器人通過垂直轉角的管道。隨后，在輪式結構的基礎上衍化出了履帶式結構，履帶式結構的行進更為可靠，但缺乏輪式結構的靈活，因此較少在履帶式結構的基礎上開發管徑適應以及彎道通過的相關部件。而早期的管徑適應部件是通過同步帶的形式對機器人的支腳進行擴張和收縮，其可靠性較低；之后出現了以“雨傘形式”擴張收縮的管徑適應部件，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，通過設置彈簧結構，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展是采用了鉸接分段式結構，將清潔部件、驅動部件以及控制部件分模塊鉸接，該結構使得機器人自身在通過彎道時能夠發生彎折，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，當某個模塊發生故障時，僅需對該模塊進行替換。這種多模塊化結構自出現以來一直被沿用，至今仍被認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平穩發展的時間，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，例如出現了以輪式行走部件為主、伸縮腳為輔的行走結構，該種結構通過伸縮腳頂住管壁，提高了輪式結構的穩定性，同時也具備一定的管徑適應能力。進入2000 年之后，出現了多種行走部件，例如電磁吸附行走式、步進式行走部件，對于管徑適應的伸縮結構也有了進一步的改進，例如克服了履帶式結構缺乏靈活度的缺點，以中心擴張的方式將履帶式結構引入管徑適應部件中，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、管徑適應以及彎道通過部件均是機器人在管道內通行能力的體現，隨著技術的進一步發展，各分支領域之間的研究也將出現更多的交叉。

3 典型技術方案分析

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。

在未出現多模塊結構之前，US5203646A 這篇專利公開了在機器人的周向設置多個行走輪的技術方案，有助于機器人通過垂直轉角的管道，該項專利被引用多達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構，主要包括主體10、通過主體10中心軸線的電纜14 及套設于機器人主體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 上設置有一對滾輪308。

圖4 周向設輪機器人

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 的導引，機器人在通過管道的垂直轉角時，只有滾輪308 與管道內壁接觸，因此可以有效防止機器人主體10 被卡在轉角處。此外，周向設輪的結構能夠確保機器人主體10 無論相對于轉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 機器人通過垂直轉角管道

然而，周向設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構的形式來設計管道清洗機器人，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構，從圖6 中可以看出，該機器人包括驅動部分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的鉸鏈15、16 連接，因此這三部分具有較高的可變形性。驅動部分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濕滑的表面。電纜33、34 以及35 穿過驅動部分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 具有較大的質量，因為其需要平衡在對管壁進行作業時的反作用力，并且起到穩定整個操作部分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 以及鉸接結構13 連接磨刀5，連桿和鉸接結構進一步增加了機器人操作的自由度，擴大了磨刀5 的作業范圍。這種分段鉸鏈式的結構是多模塊化結構的基礎，如前所述，該種結構自出現以來一直被沿用，至今仍被認為是提高機器人彎道通過能力的重要手段。

圖6 分段鉸鏈式機器人

如何適應管徑大小也是管道清洗機器人常常面臨的技術問題之一。專利CN1962091A 公開了一種帶平行四桿機構的可變徑管道清洗機器人，如圖7 所示。可以看出，該機器人由前后2 節結構組成，前后2 節之間通過中心彈簧24 連接，具有較好的彎道通過能力。其中，單節結構包括由前搖桿4 和后搖桿18 構成的平行四桿機構，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壁，提高長距離清洗作業效果。這種結構不僅能夠快速適應管徑，也具備較好的彎道通過能力，機器人在管道內的通行能力得到大幅度提高。

圖7 帶平行四桿機構的機器人

專利WO2011/009420A2 公開了以中心擴張形式來適應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 的外部呈放射狀設置有行走機構16，行走機構16 為履帶式，通過連桿結構連接到主體1，在管徑變化時，連桿結構以主體1 為中心呈放射狀展開，并且履帶結構相比輪式結構能夠更為可靠地支撐于管道內壁上。

圖8 履帶式中心擴張機器人

當待清洗的管道的內徑更大時，該機器人還可在連桿結構上續接延伸桿37，如圖9 所示。延伸桿37 為多孔的空心結構，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壁，提高了行走的可靠性。

圖9 帶有延伸桿的機器人

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

圖10 帶有調整器的機器人

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管道式通風系統的清潔機器人。如圖11 所示，該機器人的主體包括交叉形式的行走機構以及位于行走機構中心的以齒輪及傳動帶進行傳動的清掃機構，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

當機器人吸附在管道內，需要向前行進時，電機3帶動曲柄4，進而帶動連桿5，使位于中心的滑塊17 沿導桿組2 朝向限位開關座9 運動，電機14 帶動曲柄12，進而帶動連桿11，使滑塊17 沿導桿組15 朝向限位開關座7 運動。此時，吸附電磁鐵23 和31 不通電，具有磁性，因此吸附在管道內壁上，從而使得導桿組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，導桿組2 與其上的部件相對壁面運動，而由于這2 個導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，當需要爬行豎直管道時，只需將行走電機3 和14 轉角相差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壁行走，由2 對曲柄連桿機構帶動滑塊沿導軌進行的兩向45°運動可以合成為沿水平或者豎直方向的運動，從而實現行走橫管、豎管和躲避障礙的功能。

4 結束語

本文對管道清洗機器人專利技術進行分析和整理，梳理了管道清洗機器人的行走部件、管徑適應部件及彎道通過部件等技術分支的技術演進，重點分析了本領域的典型技術方案。經分析，管道清洗機器人在專利中的核心技術主要集中于彎道通過以及管徑適應，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演進主要以輪式結構作為基礎，還衍生出了鉸鏈式、多模塊化的結構，在管徑適應方面演進為中心擴張式的可收縮結構；管道清洗機器人如今在綜合通過能力方面的發展已日益成熟。