亞厘米級(jí)管道機(jī)器人

為確保飛機(jī)發(fā)動(dòng)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(duì)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?，F(xiàn)有管道機(jī)器人大都采用電磁電機(jī)和齒輪傳動(dòng)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(cè)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(huì)大打折扣。

近日，來(lái)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(kāi)發(fā)了一款可用于亞厘米（1厘米～0.1厘米之間）級(jí)管道檢測(cè)的機(jī)器人，重量只有2.2克，直徑小于1厘米，長(zhǎng)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(cè)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(cè)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(jí)管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)和裝配

介電彈性體致動(dòng)器機(jī)械性能的表征

據(jù)了解，該亞厘米尺度檢測(cè)機(jī)器人采用了智能驅(qū)動(dòng)材料介電彈性體致動(dòng)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(dòng)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(lái)說(shuō)，其目前已被嘗試應(yīng)用于小型移動(dòng)機(jī)器人上。該工作所采用的介電彈性體致動(dòng)器還有著較長(zhǎng)的使用壽命和較快的響應(yīng)速度，因此在管道運(yùn)動(dòng)方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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(lái)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(lái)自于機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方法的選擇。比如氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人，其通常靠加壓空氣的傳質(zhì)來(lái)驅(qū)動(dòng)，這對(duì)長(zhǎng)距離管道檢查不利，機(jī)器人速度會(huì)大大減慢。

而DEAs依賴于電荷的轉(zhuǎn)移進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此具有更高的功率密度，在小型管道檢測(cè)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(lái)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(dòng)，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(shuō)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(dòng)，該軟機(jī)器人能通過(guò)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(dòng)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(dòng)。可拿軟體動(dòng)物和哺乳動(dòng)物做個(gè)類比，哺乳動(dòng)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(dòng)的肌肉，極大地提高了它們的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)原理受到了蚯蚓蠕動(dòng)行為的啟發(fā)”。湯超補(bǔ)充說(shuō)，“另外，考慮到管道檢測(cè)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(dòng)能力的機(jī)器人的理想選擇。”

據(jù)悉，研究人員對(duì)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性做了建模和分析，對(duì)軟材料驅(qū)動(dòng)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(dòng)。

總的來(lái)說(shuō)，研究人員展示了一種使用智能材料來(lái)構(gòu)建亞厘米直徑規(guī)模管道檢測(cè)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(lái)，研究人員還會(huì)探索更靈活、具有主動(dòng)彎曲能力的驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)，由于目前機(jī)器人通過(guò)管道外部纜線供電，后續(xù)會(huì)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。