管道機(jī)器人專(zhuān)利技術(shù)綜述

李雅娟

摘 要 管道在各行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用，然而管道內(nèi)部的環(huán)境往往不易接觸，因此，對(duì)于管道內(nèi)的清潔、檢修等成了工業(yè)生產(chǎn)中的難題。隨著近年來(lái)機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，管道機(jī)器人逐漸成為管內(nèi)作業(yè)的主要途徑。本文通過(guò)對(duì)管道機(jī)器人領(lǐng)域?qū)＠墨I(xiàn)的收集、標(biāo)引和梳理，分析了該領(lǐng)域技術(shù)分布情況、歷年申請(qǐng)量趨勢(shì)，并梳理了該領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)。

關(guān)鍵詞 管道機(jī)器人；行走；蠕動(dòng)；結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào) C18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）164-0156-02

1 管道機(jī)器人技術(shù)概述

由于實(shí)際生產(chǎn)生活中，所采用的管道千差萬(wàn)別，因此，運(yùn)行在不同管道內(nèi)的管道機(jī)器人的尺寸，結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)形式等方式也各有不同。對(duì)管道機(jī)器人具體結(jié)構(gòu)形式的研究，從管道機(jī)器人被提出的伊始就成為研究的焦點(diǎn)[1]。通過(guò)管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式領(lǐng)域的專(zhuān)利文獻(xiàn)樣本分析可知，管道機(jī)器人根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可以主要分為行走式，蠕動(dòng)式，其他結(jié)構(gòu)式。行走式結(jié)構(gòu)又可分為輪式、履帶式與步伐式；蠕動(dòng)式可分為連桿式、多節(jié)連接以及柔性；其他結(jié)構(gòu)式可分為游動(dòng)式、被動(dòng)壓差式、復(fù)合式等。

2 全球主要國(guó)家專(zhuān)利申請(qǐng)情況

由全球?qū)＠暾?qǐng)分布可以看出，1990年之前涉及管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的全球?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量非常少。1995年之后，全球?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量整體上處于一個(gè)逐步增長(zhǎng)的水平，2008開(kāi)始全球?qū)＠暾?qǐng)量持續(xù)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。中國(guó)對(duì)于管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)的研究起步較晚，從1990年之后才開(kāi)始有申請(qǐng)量，2000年之后，申請(qǐng)量開(kāi)始快速增漲，與全球?qū)＠暾?qǐng)量分布情況的整體趨勢(shì)基本一致。從2008年開(kāi)始，中國(guó)專(zhuān)利的申請(qǐng)量幾乎已經(jīng)與他國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)總量相近，究其原因，主要是在2005年之后，歐美、日本等國(guó)對(duì)管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方面研究已經(jīng)趨于成熟，大部分專(zhuān)利申請(qǐng)已經(jīng)轉(zhuǎn)向控制、總體系統(tǒng)布局等。因此，在2005年，國(guó)外專(zhuān)利申請(qǐng)總量相較于國(guó)內(nèi)較少。

3 管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展路線

3.1 行走式機(jī)器人技術(shù)發(fā)展路線

行走式是最早出現(xiàn)的管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)之一，由于構(gòu)造簡(jiǎn)單、行走速率高，一直是管道機(jī)器人中結(jié)構(gòu)形式研究最多，發(fā)展最為成熟的方向之一。20世紀(jì)七八十年代出現(xiàn)了最早的簡(jiǎn)單輪式管道機(jī)器人，一般用于核工業(yè)管道的清潔排污等作業(yè)。20世紀(jì)90年代之后，由于機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，輪式管道機(jī)器人的專(zhuān)利文獻(xiàn)數(shù)量增漲較大；1995年之后，對(duì)行走式機(jī)器人的研究開(kāi)始集中在如何適應(yīng)不同環(huán)境。2000年之后，計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)的成熟，使得管道機(jī)器人的功能更加強(qiáng)大完善；2005年至今，日本、美國(guó)專(zhuān)利對(duì)管道機(jī)器人的研究趨向于各種控制方式，通過(guò)搭載圖像采集、溫度、力傳感等部件實(shí)現(xiàn)不同指標(biāo)的采集作業(yè)，而對(duì)結(jié)構(gòu)方面的研究文獻(xiàn)量有所下降。在行走式管道機(jī)器人中以輪式行走機(jī)器人發(fā)展最為迅速，下圖為輪式機(jī)器人的典型專(zhuān)利文獻(xiàn)的詳細(xì)技術(shù)方案。

3.2 蠕動(dòng)式機(jī)器人技術(shù)發(fā)展路線

行走式管道機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)必然與管道內(nèi)壁發(fā)生接觸，某些對(duì)管道內(nèi)壁損傷要求嚴(yán)格的場(chǎng)合不宜采用。因此，模仿爬蟲(chóng)、蚯蚓等生物的運(yùn)動(dòng)方式，產(chǎn)生了蠕動(dòng)式的管道機(jī)器人，其雖然與管道內(nèi)壁仍有接觸，但對(duì)內(nèi)壁的損傷較小。蠕動(dòng)管道機(jī)器人出現(xiàn)得較晚，20世紀(jì)90年代，對(duì)蠕動(dòng)式的管道機(jī)器人專(zhuān)利文獻(xiàn)才開(kāi)始增多，該期段的蠕動(dòng)機(jī)器人由于技術(shù)限制，其尺寸較大，靈活度不高，速率較低。20世紀(jì)90年代后，材料技術(shù)的發(fā)展，使得各種柔性材料在機(jī)械領(lǐng)域中大量應(yīng)用，在一定程度上推動(dòng)了蠕動(dòng)管道機(jī)器人的發(fā)展，該段時(shí)間涌現(xiàn)了大量的核心專(zhuān)利，并趨向于向小型化發(fā)展。蠕動(dòng)機(jī)器人由于對(duì)管壁傷害小，且具有一定的驅(qū)動(dòng)行走能力，開(kāi)始代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)窺鏡在醫(yī)療領(lǐng)域中獲得應(yīng)用。2000年后，新的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)入機(jī)器人領(lǐng)域，例如，電磁、壓電陶瓷、形狀記憶合金等，新的驅(qū)動(dòng)方式使得蠕動(dòng)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)形式上有了更多的改變，2005年之后，國(guó)內(nèi)對(duì)蠕動(dòng)管道機(jī)器人的專(zhuān)利文獻(xiàn)開(kāi)始增多，主要集中于國(guó)內(nèi)各大高校與研究機(jī)構(gòu)，由于此時(shí)蠕動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行結(jié)構(gòu)趨于完善，更多專(zhuān)利文獻(xiàn)轉(zhuǎn)而研究其控制策略，以求獲得更優(yōu)的綜合性能。下圖為蠕動(dòng)機(jī)器人的典型專(zhuān)利文獻(xiàn)的詳細(xì)技術(shù)方案解析圖。

3.3 其他技術(shù)路線演進(jìn)

除了上述2種方式外，管道機(jī)器人還包括其他如游動(dòng)式、被動(dòng)壓差式以及多結(jié)構(gòu)復(fù)合等結(jié)構(gòu)。游動(dòng)式機(jī)器人可以完全不接觸管道內(nèi)壁而實(shí)現(xiàn)行進(jìn)，但其要求管內(nèi)必須具備液體。而管道內(nèi)的液體一般存在一定的流速，因此，對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力、游動(dòng)速率都提出一定的要求。隨著新的驅(qū)動(dòng)形式產(chǎn)生，游動(dòng)式機(jī)器人也出現(xiàn)了通過(guò)場(chǎng)力實(shí)現(xiàn)行進(jìn)的方式。此外，由于人體腔腸內(nèi)檢查對(duì)安全性要求非常高，機(jī)器人的主動(dòng)性能越高，可能存在越大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，繼蠕動(dòng)式機(jī)器人后，膠囊型機(jī)器人在人體腔腸領(lǐng)域應(yīng)用漸廣，其無(wú)動(dòng)力或具有一定動(dòng)力，通過(guò)食道進(jìn)入人體，搭載內(nèi)窺鏡完成人體檢查。

4 結(jié)論

經(jīng)分析，管道機(jī)器人發(fā)展大致分為4個(gè)階段：發(fā)展早期（20世紀(jì)90年代前后）提出了通過(guò)輪式行進(jìn)的小車(chē)來(lái)實(shí)現(xiàn)在大管徑管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)作業(yè)的想法。發(fā)展中期Ⅰ（至2000年左右）對(duì)早期提出的輪式機(jī)器人的改進(jìn)；為了進(jìn)一步避免與內(nèi)壁接觸帶來(lái)的影響，開(kāi)始轉(zhuǎn)向研究蠕動(dòng)式或其他類(lèi)型的管道機(jī)器人。發(fā)展中期Ⅱ（2000—2005年）申請(qǐng)活躍期，該期的申請(qǐng)多元化發(fā)展，有早期的輪式機(jī)器人的進(jìn)一步改進(jìn)，也有各種新興驅(qū)動(dòng)形式所驅(qū)動(dòng)的管道機(jī)器人。發(fā)展后期（2006—至今），結(jié)構(gòu)形式技術(shù)領(lǐng)域研究已經(jīng)日趨完善，專(zhuān)利申請(qǐng)轉(zhuǎn)向各種管道機(jī)器人的具體結(jié)構(gòu)關(guān)系、部件形式、控制系統(tǒng)等方面。

參考文獻(xiàn)

[1]Mirats Tur J M，Garthwaite W.Robotic devices for water main in-pipe inspection：A survey[J].Journal of Field Robotics，2010，27（4）：491-508.