仿生变刚度软体管道机器人在复杂管道内导航的创新设计与性能研究

本推荐语：本文创新设计仿生变刚度软体管道机器人（Variable-Stiffness Soft Actuator），通过仿尺蠖运动机理实现复杂管道（含分支、弯道及变径结构）的高适应性导航。研究结合刚度建模与运动控制策略，显著提升机器人在石油/天然气管道检测（Oil and Gas Pipeline Inspection）及医疗内窥镜（Medical Endoscopy）等领域的应用潜力，实验证明其跨分支能力与管道过渡性能优于现有模型。

　　

结构设计

软管道机器人需完成T型分支管道跨越、弯道通过及障碍物 Negotiating（障碍协商）等运动。单一执行器构成的软体机器人难以实现多种复杂运动。本文设计了多种软执行器，将不同变形运动集成于软管道机器人以实现多重运动，如图2所示。

该软管道机器人包含三个环形膨胀软执行器（Annular Expansion Soft Actuators）和两个变刚度软执行器（Variable-Stiffness Soft Actuators）。环形膨胀执行器通过径向膨胀实现与管壁的贴合与脱离，而变刚度执行器通过调节内部粒子（Particle）的摩擦状态实现刚度变化，从而支撑机器人在复杂管道中的姿态调整与运动稳定性。

图形化变刚度软执行器刚度模型

如图4(a)所示，变刚度执行器在充入气压P_i并弯曲后，顶端施加外力F，外部力矩M_c促使执行器以特定角度旋转。当弯曲变刚度软执行器受旋转运动时，驱动气压扭矩M_P和粒子摩擦扭矩M_F会阻碍执行器的旋转运动，而弹性应力矩M_e和外部力矩M则驱动其运动。该模型通过力学平衡方程量化执行器在不同充气状态下的刚度特性，为精准控制提供理论基础。

变刚度执行器刚度模型验证实验

弯曲软驱动的实验平台如图7所示。通过精密气压表控制输入腔室气压，高清相机记录变形状态。电动滑台驱动测力计促进执行器的旋转、缩短或弯曲运动，并记录测力计测量的拉力数据（F_r为旋转力，F_t为伸缩力，F_l为侧向力）。实验结果表明，驱动气压、驱动腔室数量及粒子填充量显著影响执行器的刚度性能，验证了理论模型的准确性。

所开发软管道机器人的管内运动实验

软管道机器人的管道行走实验平台如图10(a)所示。控制中心通过电磁阀控制板管理电磁阀的通断电，精密气压表连接电磁阀以控制充入软腔的气压值，从而调控机器人的变形与运动。图10展示了软管道机器人的气动控制系统。实验涉及直管行进、弯道穿越、分支管道过渡及障碍物跨越等多种场景，证明该机器人在复杂管道环境中具有卓越的适应性与运动效率。

结论

本文开发了一种仿尺蠖运动的变刚度五腔室软执行器，并基于此设计了软管道机器人，解决了刚性管道机器人在管道中面临的灵活性与适应性不足的问题。建立了变刚度软执行器的刚度模型，实验证明该模型能准确预测执行器的刚度变化。通过驱动气压、驱动腔室数量及粒子填充量对刚度影响的实验研究，优化了机器人的运动控制策略，为石油天然气管道检测、化工容器检查及医疗内窥镜等应用提供了创新解决方案。