近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院微創(chuàng)中心高興副研究員團(tuán)隊(duì)與運(yùn)城學(xué)院杜陽陽博士在亞厘米級(jí)管道/腔道機(jī)器人取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)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(dòng)原理創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款可自適應(yīng)管道內(nèi)徑變化的變直徑純軟體膠囊機(jī)器人。初代樣機(jī)驗(yàn)證了其整體柔順性可適應(yīng)S形、小曲率大轉(zhuǎn)角管路特征，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了1.33倍變直徑入路（12~16mm），滿足Murray's law預(yù)測(cè)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(tái)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(yùn)城學(xué)院杜陽陽博士，通訊作者為中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院高興副研究員。
傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的管道內(nèi)爬行機(jī)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(dòng)或智能材料驅(qū)動(dòng)器為驅(qū)動(dòng)單元是實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)爬行機(jī)器人微小型化的關(guān)鍵，但面臨高效率（爬行速度）、長(zhǎng)距離與大變徑比（最大適應(yīng)管徑與最小適應(yīng)管徑之比）無法兼得的問題。例如，氣動(dòng)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)大變徑比，但由于氣體/管壁摩擦阻尼，遠(yuǎn)距離響應(yīng)遲滯嚴(yán)重。DEA驅(qū)動(dòng)的爬行機(jī)器人雖然可以實(shí)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(tuán)隊(duì)提出了一種DEA與氣動(dòng)單元結(jié)合的高爬行速度、大變徑比且能長(zhǎng)距離爬行的亞厘米級(jí)管道/腔道機(jī)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(gè)彈性鉸鏈鬢毛組成（圖2）。主要亮點(diǎn)如下：
1)?主動(dòng)調(diào)節(jié)外廓：利用氣壓控制外膽凸起變形，實(shí)現(xiàn)柔性鉸鏈鬢毛傾角的主動(dòng)變形，實(shí)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(yīng)的正向運(yùn)動(dòng)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(jī)器人可以通過0.6mm的環(huán)形臺(tái)階。
4）高頻共振驅(qū)動(dòng)：利用卷制型DEA的高頻軸向共振變形（~430Hz），爬行速度最快可達(dá)3BL/s，同時(shí)規(guī)避了氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的遲滯效應(yīng)（圖6）。
5）高適用性：在沒有優(yōu)化鬢毛材質(zhì)的情況下，機(jī)器人有效行程可達(dá)4m以上，且能通過金屬管道以及復(fù)雜彎曲管道（圖7）。
論文鏈接：https://doi.org/10.1109/TMECH.2025.3587461.
圖1?機(jī)器人初代樣機(jī)
圖2?機(jī)器人結(jié)構(gòu)
圖3?主動(dòng)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(duì)比
圖5?機(jī)器人通過環(huán)形臺(tái)階
圖6?機(jī)器人在DEA共振驅(qū)動(dòng)下的爬行速度
圖7?機(jī)器人在彎曲及變內(nèi)徑管道中的爬行
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