小巧精悍！燕大和哈工大團隊研發基于壓電粘滑驅動的微型管道機器人

管道作為輸送載體，在人類生產生活中發揮著巨大作用。提到管道，你是不是首先會想到下面這些？

大型的工業管道形象，或許已經在我們的腦海中根深蒂固，但除此之外，還有各種小口徑管道，如氣體管、冷凝管、試管、人體腸道等，它們廣泛存在于工業和生物醫學領域。

由于受空間狹窄等因素的限制，為了進行檢測或執行操作任務，需要管道機器人具有小巧的體積，大負載能力，高精度定位以及可靠的控制。針對這一要求，燕山大學和哈爾濱工業大學團隊在《Frontiers of Mechanical Engineering》期刊上發表了他們的最新研究——基于粘滑運動機制的壓電慣性微型管道機器人。

本文將為大家介紹它的結構設計、工作原理、性能測試以及未來的應用前景。

▍受粘滑運動啟發，和壓電驅動碰撞出不一樣的火花

粘滑驅動是以摩擦理論為基礎的典型驅動方式，很多小伙伴想不明白，它是如何應用到這個壓電驅動的管道機器人上的呢？看完下面這兩張圖你或許就明白了：

壓電疊堆作為驅動源應用于設計的管道機器人，通過鋸齒波信號激勵，實現伸長和收縮，從而影響柔性連接板變形帶動驅動足與管壁相互作用，實現粘滑運動，怎么樣，是不是很巧妙呢？

管道機器人驅動部分由兩個壓電疊堆、一個主體、兩個柔性連接板、四個支撐足和兩個驅動足構成，為了適應管道內不同任務的需要，在左側主體上設置了安裝孔，孔內可以安裝不同的功能模塊，非常方便。

▍小巧精致，只有口袋里硬幣那么大

所設計的管道機器人，使用的壓電疊堆尺寸為20mm×5mm×5mm。樣機主體的材料為亞克力板，柔性鉸鏈的材料為7075鋁合金，支撐足和驅動足板簧的材料均為黃銅，驅動足與管道的接觸點由環氧樹脂制作。

樣機主體直徑φ25mm，長30mm，自身質量僅15g，能夠在直徑范圍為φ25-φ35mm的管道中工作。

后面對設計的管道機器人制作樣機并進行性能測試，主要測試指標為 (1)負載能力測試；(2)運動速度及步距測試；(3)爬坡能力測試；以及（4）功能模塊測試（本文展示了非接觸式懸浮夾持器應用測試），實驗結果如下：

▍以小博大——超強的負載能力

管道機器人最初的設計是為了能夠在管道內運輸材料、攜帶檢測和微操設備。因此，機器人的負載能力是性能指標的重中之重。

本研究設計的微型管道機器人，整體質量僅15g。在120 V和120 Hz的驅動信號下，向前運動的最大負載約為70克，向后運動的最大負載約為60克，最大負載質量是其自身質量的4.6倍，真可謂是身體小，能量大！

▍進退自如——穩而精的雙向運動

所設計的管道機器人可在管道內實現雙向運動，向前（向后）速度最高可達3.5mm/s(3Mm/s)。

驅動信號的電壓和頻率對其運動速度都有一定的影響，經過測試，其運動最小步距為4μm，可以勝任高精度要求的微小管道內作業。

▍動力十足——勝任大角度變化的工作環境

傾斜管道？當然難不倒它！無負載時，所設計的管道機器人可以在0—70°角度傾斜管道內平穩運行，翻山越嶺？不在話下！

背上負重背包，依舊不能阻擋它前進的步伐，當管道機器人有負載時，速度比無負載時略有下降，但仍具有穩定的運行狀態。

▍本領高強——多種微操模塊的研究應用

多種多樣的功能模塊應用，賦予了管道機器人更多的可能性。設計的管道機器人已經配備了多種功能模塊，例如攜帶微型鏡頭的內窺鏡模塊、非接觸式懸浮夾持輸送模塊，以及可以進行細胞破膜和微注射的微注射器模塊。

本次實驗，以非接觸式懸浮夾持模塊為例，將其安裝到所設計的管道機器人上，攜帶直徑為1mm的微小顆粒在27s內沿管道穩定運輸75mm距離。

該試驗的成功，展示了所提出的管道機器人在無接觸操作的微型管道中的高精度定位和運輸方面的研究潛力。

進一步提高運動穩定性和控制精度，開發更豐富的功能模塊是未來的主要研究方向。

這項研究的標題為《A piezoelectric inertial robot for operating in small pipelines based on stick-slip mechanism: modelling and experiment》，已被《Frontiers of Mechanical Engineering》期刊錄用。

在今后的工作中，研究人員將賦予這種管道機器人更多樣的功能，以滿足在不同場合的工作需求，模塊化的設計，讓其能夠達到一機多用的效果。此外，他們還將進一步開展提高其運動穩定性和控制精度的研究，深入其在生物醫學領域的應用。

論文地址：https://doi.org/10.1007/s11465-022-0697-z

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