摘要：
自适应管道清洁机器人是一种可以自动清洁管道并适应变化管径而不需要人为操作的智能工具。本文首先对自适应管道清洁机器人做一个整体概述，分析自适应管道清洁机器人的全球及中国专利申请趋势，并对自适应管道清洁机器人的关键技术发展进行了分析，最后阐述了结论与对未来的展望。
一、自适应管道清洁机器人战略意义及概述
管道运输是用管道作为运输工具的一种长距离输送液体和气体物资的输送方式，是统一 运输网中干线运输的特殊组成部分。目前，管道运输逐步向着管道口径不断增大、运输能力大幅提高、管道运距迅速增加、运输物资由石油、天然气、化工产品等流体扩展至煤炭、矿石等非流体的方向发展。然而，当这些管道受蚀后，需要定时对管道进行清洁、检测及维修，随着需求的不断增多，管道形状变化多样，因此自适应管道清洁机器人成为研究的焦点。
二、清洁机器人的专利申请趋势
图2.1 全球专利申请趋势
图2.1为自适应管道清洁机器人的全球专利申请趋势， 由全球专利申请趋势可以看出，自适应管道清洁机器人起步是相对较晚的，从90年代后期以日本、美国、德国为首的发达国家率先在该领域投入了大量的研究并进行专利布局；而从2008年开始申请量出现下滑，可能是受全球金融危机的影响；从2011年起专利申请量又恢复了上升的趋势，清洁机器人得到了各国的关注，技术创新趋向活跃，技术发展较为迅速。中国从2005年开始专利申请飞速发展，到了2007年中国申请量基本达到了其他国家的申请总量，并一直保持着迅猛发展的趋势，近年来申请量远超其他各国总量之和，发达国家在这方面的申请则逐年降低，经分析，发达国家对自适应清洁机器人的结构研究已趋于成熟，随着国际人工智能的飞速发展，他们把注意力转向系统控制、智能操作等方面。但需注意，因为专利从申请到公开存在的延迟（通常有1～2年），近两年的专利申请数量一般不具参考价值。
图2.2全球专利申请地域排名
从图2.2全球专利申请地域排名可以看出，中国、日本、美国这三个国家地区的专利申请数量最多，中国总的申请量超过日本和美国总申请量之和，由此看出我国对自适应管道清洁机器人的需求之大。
三、自适应管道清洁机器人关键技术
自适应管道清洁机器人广泛用于内径变化的管道中，增加了管道清洁机器人的适应性和灵活性，根据变径的结构对自适应机器人分为如下几类：平行四杆机构、皮碗结构、伸缩机构及其它。
1.平行四杆机构
平行四杆机构是利用平行四边形易变形的特点，杆件之间通过活动铰接，可在一定范围内伸缩，当遇到管壁上有凸起的污垢或者管径变小时，平行四杆机构自动收缩，实现变径。例如专利JPH08164373A、CN1962091B，缺点是，清洁机构设置在支撑机构，即平行四杆机构上，只能随着轮子移动而做直线清洁，清洁范围十分有限。
平行四杆机构是自适应管道清洁机器人中最为常见的结构，该结构兼具稳定性和灵活性，因此可以用来支撑和变径。通过对这类结构的清洁机器人相关专利的分析，我们可以发现，该结构的清洁方式根据机器人运动的形式大体可以分为两类，即行走清洁和转动清洁，行走清洁需要在平行四杆机构上设置轮子，可以依靠流体介质推动行走，转动清洁则需要在清洁机构内设置旋转电机，以上都要针对清洁对象的需求进行选择。
2.皮碗结构
变径皮碗通过在皮碗上设置交错的锯齿形缺口使得皮碗可随意进行扩缩，实现变径，依靠管道内输送介质自身产生的压差为动力，或通过其他设备提供的水压或气压作为动力，推动皮碗沿管道内壁向前移动从而刮削管壁污垢。专利CN2604250Y、CN204052304U均为一种应用于变径管道的皮碗结构，缺点是皮碗比较单薄，受水流等其他介质影响较大。
3.伸缩机构
CN106903120A通过设置压簧实现伸缩轴与伸缩套的伸缩运动进而实现变径，在前方设置清淤刀盘可转动清理管壁污垢，具备双向行走能力和较大范围的径向支撑，具有较好的地形适应性。CN105537214A在中心轴周向均布连接滑杆，连接滑杆上有清理毛刷，在电机高速转动时，连接滑杆更容易在离心力的作用下沿着转轮的径向向外移动实现变径，通过设置多个清理毛刷提高了清理效果。
4.其它
CN105750279A通过可动圆盘8和弹簧9，当使用所述管道清理装置前，人为地将刷头与清扫杆合拢，待装置进入管道后释放，在受拉弹簧的作用下，刷头与清扫杆具有向外散开的趋势，由此使刷头紧贴管壁，该装置需要手动提供外力，具有结构简单、操作方便的特点。
四、结论和展望
自适应管道清洁机器人从90年代后期以日本、美国、德国为首的发达国家率先在该领域进行专利布局，中国后来居上，近年来申请量远超其他各国总量之和。自适应管道清洁机器人实现变径的设计主要有平行四杆机构、皮碗结构、伸缩机构及其它，其中以平行四杆机构最为典型。通过专利分析，可以发现，我国对于实现变径的手段目前已研究得较为成熟了，预测未来的方向是向着结构更简洁、紧凑、轻便、提高续航能力以及更为智能化发展。
论文作者:杨硕
论文发表刊物:《科技新时代》2018年10期
论文发表时间:2018/12/5
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