為確保飛機發(fā)動機和煉油廠設(shè)備等復(fù)雜系統(tǒng)能夠良好、安全運行,需要時常對其管路進(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。現(xiàn)有管道機器人大都采用電磁電機和齒輪傳動系統(tǒng),包括輪式、行走式、履帶式等各種機器人,較適合檢測大直徑管道,而當(dāng)管道直徑小于1厘米時,此類機器人的尺寸若想進(jìn)一步縮小就比較困難,適用性就會大打折扣。
近日,來自清華大學(xué)機械工程系現(xiàn)代機構(gòu)學(xué)與機器人化裝備實驗室的科學(xué)家,開發(fā)了一款可用于亞厘米(直徑1~0.1厘米之間)級管道檢測的機器人,重量只有2.2克,直徑小于1厘米,長4.7厘米。
本研究成果在一定程度上彌補了微小管道檢測領(lǐng)域的不足。
安裝攝像頭的機器人在不銹鋼管中檢查環(huán)境的圖像
相關(guān)論文以《一種用于亞厘米尺度管狀環(huán)境導(dǎo)航的管道檢測機器人》(A pipeline inspection robot for navigating tubular environments in the sub-centimeter scale)為題發(fā)表在Science Robotics上。清華大學(xué)機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。
據(jù)了解,該亞厘米尺度檢測機器人采用了智能驅(qū)動材料介電彈性體致動器(Dielectric Elastomer Actuators,DEAs)作為人造肌肉。
與小體積的電磁電機相比,DEAs具有更高的功率,更有可能被擴(kuò)展到小尺寸,從實踐來說,其目前已被嘗試應(yīng)用于小型移動機器人上。該工作所采用的DEAs還有著較長的使用壽命和較快的響應(yīng)速度,因此在管道運動方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。
在小型管道中,機器人和管壁之間需要有可靠的相互作用,設(shè)計一個軟機器人來實現(xiàn)敏捷的導(dǎo)航和有效的檢查有著必要性。
亞厘米級管道機器人的設(shè)計和裝配
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)。
其中一個挑戰(zhàn)來自于機器人驅(qū)動方法的選擇。比如氣動驅(qū)動軟機器人,其通常靠加壓空氣的傳質(zhì)來驅(qū)動,這對長距離管道檢查不利,機器人速度會大大減慢。
而DEAs依賴于電荷的轉(zhuǎn)移進(jìn)行驅(qū)動,因此具有更高的功率密度,在小型管道檢測機器人制作上有著巨大潛力。
另外,為驗證該機器人的真實管道檢查能力,研究人員在該機器人前面安裝了微型攝像機來觀察管道內(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,我們研發(fā)的亞厘米尺度機器人能夠在S形、螺旋形等不同幾何形狀的管道中移動,即使管道中含有油、氣體等介質(zhì),也運行良好。它還適用于玻璃、金屬或碳纖維等不同管道材質(zhì)?!睖f道。
據(jù)了解,為了能夠在不同形狀的管道中高效、快速移動,該軟機器人能通過可變數(shù)量的磁單元實現(xiàn)快速裝配。由于構(gòu)成機器人的低模量材料具有較高的自由度,因此可以被動地適應(yīng)管道尺寸和形狀的變化。
另一個挑戰(zhàn)是設(shè)計和制造機器人的本體結(jié)構(gòu),以實現(xiàn)在小型管道中的高效運動。可拿軟體動物和哺乳動物做個類比,哺乳動物進(jìn)化出了剛性支撐的骨骼結(jié)構(gòu)以及用于軟驅(qū)動的肌肉,極大地提高了它們的運動能力。
相比于純軟機器人設(shè)計,剛性組件的引入也可以大大提高機器人的運動性能。此次研發(fā)機器人的錨定單元基于智能復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)(Smart Composite Microstructure,簡稱SCM)技術(shù),該技術(shù)能夠克服微機械加工技術(shù)的局限性,已經(jīng)在微型機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。
“在這項工作中,機器人的運動原理受到了蚯蚓蠕動行為的啟發(fā)。”湯超補充說,“另外,考慮到管道檢測機器人的要求,SCM技術(shù)成為設(shè)計和制造一個小型但具有傳輸效力和移動能力的機器人的理想選擇?!?/p>
據(jù)悉,研究人員對機器人的動態(tài)特性做了建模和分析,對軟材料驅(qū)動的一些特殊特性(例如黏性、共振特性)進(jìn)行了調(diào)控和利用,最終實現(xiàn)了機器人在亞厘米大小管道中各方向的快速運動。
總的來說,研究人員展示了一種使用智能材料來構(gòu)建亞厘米直徑規(guī)模管道檢測機器人的可行性。且該機器人在管道直徑(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的環(huán)境適應(yīng)性。
在未來,研究人員還會探索更靈活、具有主動彎曲能力的驅(qū)動器。由于目前機器人通過取消管道外部纜線供電,后續(xù)會將有線電纜,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。