清華大學(xué)研發(fā)微小型管道機(jī)器人 實(shí)現(xiàn)高效探測

據(jù)報道，清華大學(xué)機(jī)械系現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)器人化裝備實(shí)驗室研發(fā)了一種可在亞厘米級管道中高效運(yùn)動的管道探測機(jī)器人，填補(bǔ)了當(dāng)前細(xì)微管道檢修探測設(shè)備的短缺，有望在航空發(fā)動機(jī)管路檢修等領(lǐng)域中發(fā)揮作用。

在航空發(fā)動機(jī)和煉油機(jī)等復(fù)雜系統(tǒng)中，有大量用于輸送水、氣體和油的管道。通常，這些管道具有各種直徑、變化的曲率，并覆蓋較長的距離。為確保它們處于良好的工作狀態(tài)，需要定期從外部和內(nèi)部進(jìn)行管道檢修。目前已開發(fā)的各種管道巡檢機(jī)器人包括輪式、腿足式和履帶式等運(yùn)動機(jī)構(gòu)，多采用電磁電機(jī)驅(qū)動，適用于大口徑管道的檢測。當(dāng)涉及到直徑小于1 cm的微細(xì)管道時，機(jī)器人的尺寸很難按比例縮小。

本項工作提出了一種智能材料驅(qū)動的微型管道檢測機(jī)器人。這個質(zhì)量只有2.2 g、長度為47 mm、直徑不到10 mm的“小家伙”，可以適應(yīng)亞厘米直徑和變化曲率的復(fù)雜管道。機(jī)器人采用高功率密度、長壽命的介電彈性體致動器作為人造肌肉，采用基于智能復(fù)合微結(jié)構(gòu)的高效錨固單元作為傳動裝置，使用具有可調(diào)節(jié)數(shù)目的磁單元來快速地組裝機(jī)器人，以適應(yīng)不同管道的復(fù)雜幾何形狀。

據(jù)研究組介紹，該項工作通過考慮軟材料的獨(dú)特特性來分析機(jī)器人的動態(tài)特性，并相應(yīng)地調(diào)整驅(qū)動電壓的頻率和相位，以優(yōu)化機(jī)器人的運(yùn)動速度。這個基于高頻蠕動運(yùn)動原理的管道機(jī)器人由外部的纜線來提供動力，在亞厘米大小的管道中實(shí)現(xiàn)了水平和垂直快速運(yùn)動。此外，它能夠在不同幾何形狀的管道（變徑管、L形管、S形管和螺旋形管等）、不同的填充介質(zhì)（空氣、油等）和不同材質(zhì)（玻璃、金屬和碳纖維等）的管道中高速地行進(jìn)。為了驗證其管道檢測能力，機(jī)器人正面安裝了一個微型攝像頭，從外部控制該機(jī)器人，機(jī)器人以不同的速度成功地完成了一組管道巡檢任務(wù)的演示。

該成果以“用于亞厘米級管狀環(huán)境導(dǎo)航的管道檢測機(jī)器人”為題發(fā)表在《科學(xué)·機(jī)器人》上。