亞厘米級管道機(jī)器人

為確保飛機(jī)發(fā)動機(jī)和煉油廠設(shè)備等復(fù)雜系統(tǒng)能夠安全運(yùn)行，需要時(shí)常對其管路進(jìn)行檢查。

值得注意的是，須檢查管道的直徑有幾毫米到幾十厘米不等。現(xiàn)有管道機(jī)器人大都采用電磁電機(jī)和齒輪傳動系統(tǒng)，包括輪式、行走式、履帶式等各種機(jī)器人，較適合檢測大直徑管道，而當(dāng)管道直徑小于1厘米時(shí)，此類機(jī)器人的尺寸若想進(jìn)一步縮小就比較困難，適用性就會大打折扣。

近日，來自清華大學(xué)機(jī)械工程系現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)器人化裝備實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，開發(fā)了一款可用于亞厘米（1厘米～0.1厘米之間）級管道檢測的機(jī)器人，重量只有2.2克，直徑小于1厘米，長4.7厘米。

本研究成果在一定程度上彌補(bǔ)了微小管道檢測領(lǐng)域的不足。

相關(guān)論文以《一種用于亞厘米尺度管狀環(huán)境導(dǎo)航的管道檢測機(jī)器人》為題發(fā)表。清華大學(xué)機(jī)械工程系博士后湯超為論文第一作者，通訊作者為該系副教授趙慧嬋。

亞厘米級管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)和裝配

介電彈性體致動器機(jī)械性能的表征

據(jù)了解，該亞厘米尺度檢測機(jī)器人采用了智能驅(qū)動材料介電彈性體致動器作為人造肌肉。

與小體積的電磁電機(jī)相比，介電彈性體致動器具有更高的功率，更有可能被擴(kuò)展到小尺寸，從實(shí)踐來說，其目前已被嘗試應(yīng)用于小型移動機(jī)器人上。該工作所采用的介電彈性體致動器還有著較長的使用壽命和較快的響應(yīng)速度，因此在管道運(yùn)動方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。

在小型管道中，機(jī)器人和管壁之間需要有可靠的相互作用，設(shè)計(jì)一個(gè)軟機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)敏捷的導(dǎo)航和有效的檢查有著其必要性。

目前，由于一些管道環(huán)境（彎曲且含填充介質(zhì)）較為復(fù)雜，此類管道檢查任務(wù)仍然面臨挑戰(zhàn)。

其中一個(gè)挑戰(zhàn)來自于機(jī)器人驅(qū)動方法的選擇。比如氣動驅(qū)動軟機(jī)器人，其通常靠加壓空氣的傳質(zhì)來驅(qū)動，這對長距離管道檢查不利，機(jī)器人速度會大大減慢。

而DEAs依賴于電荷的轉(zhuǎn)移進(jìn)行驅(qū)動，因此具有更高的功率密度，在小型管道檢測機(jī)器人制作上有著巨大潛力。

安裝攝像頭的機(jī)器人在不銹鋼管中檢查環(huán)境的圖像

另外，為驗(yàn)證該機(jī)器人的真實(shí)管道檢查能力，研究人員在該機(jī)器人前面安裝了微型攝像機(jī)來觀察管道內(nèi)的情形。在人工控制下，它以不同速度成功完成了所安排的檢查任務(wù)。

“同時(shí)，我們研發(fā)的亞厘米尺度機(jī)器人能夠在S形、螺旋形等不同幾何形狀的管道中移動，即使管道中含有油、氣體等介質(zhì)也運(yùn)行良好。它還適用于玻璃、金屬或碳纖維等不同管道材質(zhì)?！睖f道。

湯超

據(jù)了解，為了能夠在不同形狀的管道中高效、快速移動，該軟機(jī)器人能通過可變數(shù)量的磁單元實(shí)現(xiàn)快速裝配。由于構(gòu)成機(jī)器人的低模量材料具有較高的自由度，因此可以被動地適應(yīng)管道尺寸和形狀的變化。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)在小型管道中的高效運(yùn)動?？赡密涹w動物和哺乳動物做個(gè)類比，哺乳動物進(jìn)化出了剛性支撐的骨骼結(jié)構(gòu)以及用于軟驅(qū)動的肌肉，極大地提高了它們的運(yùn)動能力。

相比于純軟機(jī)器人設(shè)計(jì)，剛性組件的引入也可以大大提高機(jī)器人的運(yùn)動性能。此次研發(fā)機(jī)器人的錨定單元基于智能復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)（SCM）技術(shù)，該技術(shù)能夠克服微機(jī)械加工技術(shù)的局限性，已經(jīng)在微型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。

“在這項(xiàng)工作中，機(jī)器人的運(yùn)動原理受到了蚯蚓蠕動行為的啟發(fā)”。湯超補(bǔ)充說，“另外，考慮到管道檢測機(jī)器人的要求，SCM技術(shù)成為了設(shè)計(jì)和制造一個(gè)小型但具有有效力傳輸和移動能力的機(jī)器人的理想選擇?！?/p>

據(jù)悉，研究人員對機(jī)器人的動態(tài)特性做了建模和分析，對軟材料驅(qū)動的一些特殊特性（例如黏性、共振特性）進(jìn)行了調(diào)控和利用，最終實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在亞厘米大小管道中各方向的快速運(yùn)動。

總的來說，研究人員展示了一種使用智能材料來構(gòu)建亞厘米直徑規(guī)模管道檢測機(jī)器人的可行性。且該機(jī)器人在管道直徑（特別是在亞厘米尺度上）、材料和填充介質(zhì)的變化等方面具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

在未來，研究人員還會探索更靈活、具有主動彎曲能力的驅(qū)動器。同時(shí)，由于目前機(jī)器人通過管道外部纜線供電，后續(xù)會將有線電纜取消，代以小型高壓電源和高能量密度電池，從而減小行進(jìn)阻力進(jìn)行更深入的管道探索。