管道机器人专利技术发展路线

管道机器人专利技术发展路线

作者：裴梦扬

来源：《科技信息·上旬刊》2017年第02期

摘要：本文对油气管道机器人技术领域的专利申请进行了分析，从中国、全球的专利申请量、技术分布等多角度进行了统计分析，从而对该领域申请量的走向、技术发展路线做了技术解析，梳理了该领域技术发展脉络。最后，并重点针对该领域三大技术分支：蠕动式、轮式、介质压差驱动式，分别做了分析。

关键词：专利；管道；机器人；运动

1.引言

管道机器人是一种能够沿管道内壁行走的机械装置，可以通过计算机控制或人工操作进行一系列的管道检修任务。为了解管道机器人领域的发展现状和趋势，促进管道机器人技术的进步，本文对国外和国内专利申请的态势和总体情况进行了分析，以期为我国相关企业的知识产权战略保护提供专利信息。

本文在中国专利文摘数据库CNABS及德温特世界数据专利库DWPI中进行了检索和统计分析。经过初步检索，CNABS数据库中截止2017年5月24日公开的管道机器人领域专利申请总量为2170件，DWPI数据库中截止2017年5月24日公开的外文管道机器人领域专利申请总量为2224件。

2.管道机器人技术构成

根据管道机器人在管道中运动的动力源及运动可控性，将其运动方式分为蠕动式、轮式、介质压差驱动式（PIG）三种。

蠕动式、轮式管道机器人具备自主行走能力，运动速度和方向可控，自身携带检测和维护仪器，可开展各种检测和维护作业，是目前管道检测机器人研究的主要发展方向。蠕动式管道机器人是模仿昆虫在地面爬行时蠕动前进与后退的动作而设计，机器人通过身体伸缩来运动。轮式行走具有结构简单、行走连续平稳、速度快、行走效率高、易于控制等优点。介质压差驱动式依靠管内输送介质的压力差来提供行走的动力，它可同时进行输油管道内径的检测及管道内壁的清理，目前广泛应用于油气管道的检测。

3.管道机器人专利情况分析

3.1 全球申请量发展趋势分析

上从本世纪70年代起，各国相继开展了管道机器人方面的研究。国外1990年之前的申请量比较低，而从1990年到2000年管道机器人技术达到第一次小高峰，随后申请量开始下降，到2005年后申请量又开始增多，直到2009年达到第二次小高峰，再次回落之后一直保持增长，随后一直处于波动状态，没有产生飞跃式发展，未来技术上仍有较大的发展空间。

管道机器人技术中国的专利申请较全球发展滞后，2006年之前的申请数量非常少，从2006年开始有了稳定的增长，并于2015年达到顶峰，2012年至2015年上升的趋势非常大，说明此项技术得到了国内申请人的重视，进入一个快速发展的时期。从2006以来年申请量迅速增加的趋势来看，未来中国市场的管道机器人技术将快速发展，发展的空间巨大。

3.2 国内外管道机器人技术分支专利申请分布

中国相关专利申请共为2170件，其中涉及蠕动式755件，轮式894，介质压差驱动式521件。三大分支所占比例分别是蠕动式24%、轮式41%、介质压差驱动式35%，说明国内对于轮式管道机器人的申请量最多，与管道机器人的未来发展方向相一致。

国外相关专利申请共为2224件，其中涉及蠕动式456件，轮式798，介质压差驱动式970件。三大分支的所占比例分别是蠕动式21%、轮式36%、介质压差驱动式43%，国外对于介质压差驱动式的申请量最多，这与国外技术起步较早，早期介质压差驱动式发展较快有关，而轮式其次，说明国外也开始重视对轮式管道机器人的研究。

4.管道机器人专利的发展路线

通过对技术分支发展路线的研究，有助于了解管道机器人的发展历史和现状，明确其未来的发展方向。

4.1 蠕动式管道机器人

蠕动式管道机器人的支撑脚的伸缩和载体的蠕动均采用直线运动，当支撑脚支承载体与管壁压紧，不支承时可以与管壁脱离，可以产生很大的牵引力，越障能力强，能稳定运行，广泛应用于小口径管道。

1966年美国专利US3492477提出利用机器人内部的电池驱动电机，电机推进前后单元，支撑轮的交替伸缩使管道机器人能够蠕动式前进，在管道外部能够控制管道机器人；1985年的欧洲专利EP0164557A1，提出了一种结构紧凑的蠕动式管道机器人，通过电机带动连杆，连杆带动支撑轮交替运动实现蠕动式前进，该机器人结构紧凑，能够适应弯曲的管道；2001年美国专利US6427602B1，提出了利用一个作动筒驱动两组相反的卡爪来实现机器人的快速蠕动式前进，整体结构简单紧凑，能够适应不同的使用环境和直径的管道；2014年中国专利

CN204372448U提出了管道自适应磁力蠕动机器人，通过切换通断电于电机丝杠的配合达到在导磁材质上的快速的运动，可吸附任何导磁材质上，实现灵活前进后退。

4.2轮式管道机器人

轮式驱动与其他方式相比，具有速度快，运动平稳、负载能力强等优点而广泛应用于大中型油气输送管线作业机器人中。

1974年提出的美国专利US3904878 A，通过设置汽油发动机和电机作为动力，其中电机驱动支撑轮来实现管道机器人的运动；1988年美国专利US4862808 A，将支撑机构设置为三个组轮，通过这三个组轮相互配合，使管道机器人能够适用更加复杂多变的工况；1996年的日本专利JPH09254780 A，可以通过电机调节螺旋角度，改变速度和驱动力的大小，整体结构简单紧凑；2008年中国专利CN101435522 A，公开了一种管道行走机器人，其连接绳穿过拨盘与固定在机体外壳内的变矩电机连接，驱动电机通过齿轮盘和连接轴与机体外壳端部连接，过弯道时更顺畅、更易于操控；2012年的中国专利CN102691856 A，是一种单一电机、轮式和变速螺旋式混合驱动的管道机器人，使用一台电机驱动实现螺旋式驱动或者轮式驱动，相当于节省了一套电机及配套设备的重量。

4.3介质压差驱动管道机器人

介质压差驱动管道机器人利用流体能量实现无缆自驱动，作业时机器人利用管内流动介质的压力差驱动，克服与管壁之间的摩擦力而向前运动。

1975年的美国专利US3973441 A公开了一种有刮管环的介质压差驱动管道机器人，机器人设有磁性探伤装置，能够对管道内部进行磁性探伤；1994年的英国专利GB2127548 A公开了一种介质压差驱动管道机器人，其中后密封皮碗内安装有传感器，依靠传感器可以检测出管道内部直径的变化，方便及时发现管道内部凹陷；2009年的中国专利CN201568684U公开了一种流体压差驱动式管道爬行器的在线取能装置，在行进时，依靠双螺旋摩擦轮组取能，经过行星轮增速机构带动发电机发电并储存电能，为爬行器控制系统提供电能供爬行器控制系统使用；

5.结语

目前，全球范围内的机器人定位技术的相关专利申请还处于快速发展时期，从技术分支角度来讲，介质压差驱动管道机器人已发展到一定的瓶颈期，但是蠕动式和轮式目前具备较大的发展潜力，并且国内申请人以及申请量的增加表明了国内对该技术已经有了较大的重视程度，国内的申请人应借鉴国外申请人在该发面的前沿技术，增强自身技术水平，绕开国外的专利壁垒形成具备自我特色的管道机器人技术。