IEEE/ASME?|?可變直徑適應的亞厘米級純軟體膠囊機器人
近日,中國科學院深圳先進技術(shù)研究院微創(chuàng)中心高興副研究員團隊與運城學院杜陽陽博士在亞厘米級管道/腔道機器人取得重要進展。團隊基于介電彈性體(DEA)開發(fā)的電活性球囊外廓僅8mm,結(jié)合鞭毛驅(qū)動原理創(chuàng)新設(shè)計了一款可自適應管道內(nèi)徑變化的變直徑純軟體膠囊機器人。初代樣機驗證了其整體柔順性可適應S形、小曲率大轉(zhuǎn)角管路特征,同時實現(xiàn)了1.33倍變直徑入路(12~16mm),滿足Murray's law預測的樹狀管路分岔口的1.26倍直徑變化,在管路內(nèi)典型的環(huán)形臺階障礙也可輕松通過。相關(guān)成果以A Single Chamber Minibot With Elastic Hinges for Adapting Various Diameter Pipelines為題,發(fā)表在IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS。論文第一作者為運城學院杜陽陽博士,通訊作者為中國科學院深圳先進技術(shù)研究院高興副研究員。
傳統(tǒng)電機驅(qū)動的管道內(nèi)爬行機器人解決了大直徑管道內(nèi)巡檢需求,但無法滿足小直徑管道(≤20mm)。以氣動或智能材料驅(qū)動器為驅(qū)動單元是實現(xiàn)管道內(nèi)爬行機器人微小型化的關(guān)鍵,但面臨高效率(爬行速度)、長距離與大變徑比(最大適應管徑與最小適應管徑之比)無法兼得的問題。例如,氣動機器人可以實現(xiàn)大變徑比,但由于氣體/管壁摩擦阻尼,遠距離響應遲滯嚴重。DEA驅(qū)動的爬行機器人雖然可以實現(xiàn)1BL/s以上的爬行速度,但變徑比僅有1.1,限制了障礙通過能力。
團隊提出了一種DEA與氣動單元結(jié)合的高爬行速度、大變徑比且能長距離爬行的亞厘米級管道/腔道機器人。它主體由中心內(nèi)嵌的卷制型DEA、可變形充氣外膽以及24個彈性鉸鏈鬢毛組成(圖2)。主要亮點如下:
1)?主動調(diào)節(jié)外廓:利用氣壓控制外膽凸起變形,實現(xiàn)柔性鉸鏈鬢毛傾角的主動變形,實現(xiàn)大變徑比1.33(圖3)。
2)低管徑敏感性:柔性鉸鏈鬢毛旋轉(zhuǎn)變形替代傳統(tǒng)鬢毛的彎曲變形,降低了鬢毛與管壁之間的法向約束力及相應的正向運動摩擦力。
3)高過障礙能力:利用軸向分布多組鬢毛保持良好的摩擦力各向異性,使機器人可以通過0.6mm的環(huán)形臺階。
4)高頻共振驅(qū)動:利用卷制型DEA的高頻軸向共振變形(~430Hz),爬行速度最快可達3BL/s,同時規(guī)避了氣動驅(qū)動的遲滯效應(圖6)。
5)高適用性:在沒有優(yōu)化鬢毛材質(zhì)的情況下,機器人有效行程可達4m以上,且能通過金屬管道以及復雜彎曲管道(圖7)。
論文鏈接:https://doi.org/10.1109/TMECH.2025.3587461.

圖1?機器人初代樣機

圖2 機器人結(jié)構(gòu)

圖3?主動調(diào)節(jié)鬢毛角度原理


圖4?柔性鉸鏈鬢毛與傳統(tǒng)彎曲鬢毛的對比


圖5?機器人通過環(huán)形臺階

圖6?機器人在DEA共振驅(qū)動下的爬行速度

圖7?機器人在彎曲及變內(nèi)徑管道中的爬行
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