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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。
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（重量 2.2 克，长度 47 毫米，直径 < 10 毫米），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。通过考虑软材料的独特特性（如粘弹性和动态共振）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（速度：1.19 身长 / 秒）。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。该技术将来有望在航空发动机管路检修等领域发挥作用。
该成果以“用于亚厘米级管状环境导航的管道检测机器人”（A pipeline inspection robot for navigating tubular environments in the sub-centimeter scale）为题发表在《科学・机器人》（Science Robotics）上。
管道机器人在多介质、多材质、变管径的复杂管道中行进和探测
论文第一作者为清华大学机械工程系博士后汤超，通讯作者为机械工程系副教授赵慧婵，其他作者包括机械工程系教授刘辛军和 2021 级博士生杜伯源、2018 级博士生姜淞文、2019 级硕士生邵琦、2019 级博士生东旭光。该团队多年来一直专注于机器人领域相关研究。本项工作受到了国家自然科学基金青年基金、面上项目以及共融机器人重大研究计划等项目的支持。
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