天津大學(xué)研制出3D打印模塊式軟體機(jī)器人，可用于管道檢查

2021年1月7日，南極熊獲悉，天津大學(xué)的研究人員3D打印出了一種可定制的模塊式軟體機(jī)器人，它能夠在工業(yè)設(shè)施的管道上爬行，并進(jìn)行檢查和實時監(jiān)控。

這個機(jī)器人設(shè)備具有一系列軟彎曲機(jī)制和模塊化抓手，能夠靈活地攀爬奇形怪狀的設(shè)施。管道斷裂往往會導(dǎo)致生產(chǎn)延誤，許多公司仍在手動檢查，因此這個機(jī)器人可能代表了一種新的、更有效的替代方案。

△團(tuán)隊的3D打印機(jī)器人可以減少對人工管道檢查的需求，圖片來自《IEEE Robotics and Automation》雜志

隱藏的管道攀爬藝術(shù)

在許多工廠中，管道是工業(yè)效率和最終生產(chǎn)效率所依賴的重要基礎(chǔ)。即使是微小的破損，也會對生產(chǎn)造成很大的干擾，因此，不斷地檢查管道是否有泄漏已經(jīng)成為一些大型企業(yè)的必要條件。

目前，工業(yè)企業(yè)往往采用工作人員手動監(jiān)測管道，但這種方法既耗費人力，又有潛在的危險性，尤其是當(dāng)管道中攜帶有危險化學(xué)品時。因此，開發(fā)能夠代替承擔(dān)這種危險任務(wù)的機(jī)器人，已經(jīng)成為一個重要的研究領(lǐng)域。

雖然之前的研究已經(jīng)產(chǎn)生了一系列的機(jī)器人解決方案，但它們往往是內(nèi)側(cè)或外側(cè)的管道攀爬裝置，而不是兩者兼而有之。更重要的是，前者需要封閉運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)才能工作，而對于埋在地下的管道，從外部維護(hù)是無法避免的。

不過，隨著近來軟性機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，制造復(fù)雜的設(shè)備變得更加容易。通過采用3D打印技術(shù)，天津大學(xué)團(tuán)隊創(chuàng)建了一個優(yōu)化的設(shè)備，能夠比以前更靈活地檢查管道。

△科學(xué)家們3D打印機(jī)器人采用了模塊化設(shè)計，使他們能夠根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)整，圖片來自《IEEE Robotics and Automation》雜志

天津大學(xué)團(tuán)隊的3D打印設(shè)計

為了最大限度地提高機(jī)器人的靈活性，科學(xué)家們設(shè)計了一個一體式的軟性彎曲機(jī)構(gòu)，能夠承受高水平的變形。使用CAD軟件來創(chuàng)建裝置，并使團(tuán)隊能夠隨意添加模塊或調(diào)整抓手的直徑。

機(jī)器人的布局包括一個中間部分，兩端有夾持器，以及三根進(jìn)氣管，可以按需控制和施加壓力。通過交替給設(shè)備的抓手加壓和減壓，機(jī)器人能夠進(jìn)行 "攀爬 "運(yùn)動，盡管是在他們的直接控制下。

在測試過程中，機(jī)器人展示了85Nmm的扭矩輸出，足以以14mm p/s的速度攀爬直徑為16-38mm的管道。機(jī)器人還能夠以45°和90°的角度縮放丙烯酸網(wǎng)絡(luò)，有可能成為檢查傾斜管道的理想選擇，因為這些管道可能難以航行。

機(jī)器人能夠在內(nèi)部和外部攀爬，并在縱向或橫向方向上旋轉(zhuǎn)。未來，科學(xué)家們打算將傳感器集成到他們的設(shè)備中，讓它成為一個自主的管道維護(hù)解決方案。

3D打印的軟機(jī)器人

由于3D打印提供的設(shè)計靈活性，越來越多的研究人員已經(jīng)能夠生產(chǎn)出創(chuàng)新的機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)行走、攀爬和搖擺動作。

蔚山國立科學(xué)技術(shù)研究所（UNIST）的研究人員創(chuàng)造了一個3D打印的爬墻機(jī)器人。受壁虎的啟發(fā)，他們的四足機(jī)器人甚至能夠攀爬潮濕的表面。

同樣，UNIST的另一個團(tuán)隊將3D打印與注塑相結(jié)合，制造了一個行走的海星形機(jī)器人。五個 "肢體 "就像生物力學(xué)系統(tǒng)中的肌腱一樣，可以通過驅(qū)動來進(jìn)行受控運(yùn)動。

來自伊利諾伊大學(xué)的科學(xué)家們將老鼠的脊髓融合到一個軟性機(jī)器人中，制造出一個3D打印的行走微型機(jī)器人。這款生物機(jī)器人的動力來自于脊柱中模式化的肌肉收縮，進(jìn)而移動它的 "腳"。

研究人員的研究成果詳見他們題為 "Fully 3D-printed Modular Pip-climbing Robot"的論文，該論文由Disheng Xie, Jianbin Liu, Rongjie Kang and Siyang Zuo. 共同撰寫。