近日，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(yàn)室研發(fā)了一種可在亞厘米級(jí)管道中高效運(yùn)動(dòng)的管道探測(cè)機(jī)器人。

在航空發(fā)動(dòng)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、履帶式等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，多采用電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)，適用于大口徑管道的檢測(cè)。當(dāng)涉及到直徑小于一厘米的微細(xì)管道時(shí)，機(jī)器人的尺寸很難按比例縮小。

本項(xiàng)工作提出了一種智能材料驅(qū)動(dòng)的微型管道檢測(cè)機(jī)器人（重量 2.2 克，長度 47 毫米，直徑<10 毫米），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(dòng)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(dòng)裝置，使用具有可調(diào)節(jié)數(shù)目的磁單元來快速組裝機(jī)器人，以適應(yīng)不同管道的復(fù)雜幾何形狀。通過考慮軟材料的獨(dú)特特性（如粘彈性和動(dòng)態(tài)共振）來分析機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性，并相應(yīng)地調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓的頻率和相位，以優(yōu)化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度。這個(gè)基于高頻蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)原理的管道機(jī)器人由外部的纜線來提供動(dòng)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(dòng)（速度：1.19 身長/秒）。此外，它能夠在不同幾何形狀的管道（變徑管、L形管、S形管、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、碳纖維等）的管道中高速行進(jìn)。為了驗(yàn)證其管道檢測(cè)能力，機(jī)器人正面安裝了一個(gè)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完成了一組管道巡檢任務(wù)演示。該技術(shù)將來有望在航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路檢修等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

該成果以“用于亞厘米級(jí)管狀環(huán)境導(dǎo)航的管道檢測(cè)機(jī)器人”（A pipeline inspection robot for navigating tubular environments in the sub-centimeter scale）為題發(fā)表在《科學(xué)·機(jī)器人》（Science Robotics）上。

論文第一作者為清華大學(xué)機(jī)械工程系博士后湯超，通訊作者為機(jī)械工程系副教授趙慧嬋，其他作者包括機(jī)械工程系教授劉辛軍和2021級(jí)博士生杜伯源、2018級(jí)博士生姜淞文、2019級(jí)碩士生邵琦、2019級(jí)博士生東旭光。該團(tuán)隊(duì)多年來一直專注于機(jī)器人領(lǐng)域相關(guān)研究。本項(xiàng)工作受到了國家自然科學(xué)基金青年基金、面上項(xiàng)目以及共融機(jī)器人重大研究計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。（來源：清華大學(xué)）