清华大学研发微小型管道机器人 实现亚厘米级管道高效探测

记者邓晖从清华大学获悉,近日,清华大学机械系现代机构学与机器人化装备实验室研发了一种可在亚厘米级管道中高效运动的管道探测机器人,填补了当前细微管道检修探测设备的短缺,有望在航空发动机管路检修等领域发挥作用。

在航空发动机和炼油机等复杂系统中,有大量用于输送水、气体和油的管道。通常,这些管道具有各种直径、变化的曲率,并覆盖较长的距离。为确保它们处于良好的工作状态,需要定期从外部和内部进行管道检修。目前已开发的各种管道巡检机器人包括轮式、腿足式、履带式等运动机构,多采用电磁电机驱动,适用于大口径管道的检测。当涉及到直径小于一厘米的微细管道时,机器人的尺寸很难按比例缩小。

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微型管道机器人在弯曲管道中行进

本项工作提出了一种智能材料驱动的微型管道检测机器人。这个重量只有2.2克、长度47毫米、直径不到10毫米的“小家伙”,可以适应亚厘米直径和变化曲率的复杂管道。机器人采用高功率密度、长寿命的介电弹性体致动器作为人造肌肉,采用基于智能复合微结构的高效锚固单元作为传动装置,使用具有可调节数目的磁单元来快速组装机器人,以适应不同管道的复杂几何形状。

研究组介绍,该项工作通过考虑软材料的独特特性来分析机器人的动态特性,并相应地调整驱动电压的频率和相位,以优化机器人的运动速度。这个基于高频蠕动运动原理的管道机器人由外部的缆线来提供动力,在亚厘米大小的管道中实现了水平和垂直快速运动。此外,它能够在不同几何形状的管道(变径管、L形管、S形管、螺旋形管等)、不同的填充介质(空气、油等)和不同材质(玻璃、金属、碳纤维等)的管道中高速行进。为了验证其管道检测能力,机器人正面安装了一个微型摄像头,从外部控制该机器人,机器人以不同的速度成功完成了一组管道巡检任务演示。

该成果以“用于亚厘米级管状环境导航的管道检测机器人”为题发表在《科学·机器人》上。(邓 晖)

来源:光明日报