软体管道机器人工作机理与设计方法

For small diameter pipeline inspection and maintenance, a lot of problems remain unresolved due to limited accessibility, pipe branching, bending, deformation, etc. This project proposes an innovative concept that develops the latest soft robotic technologies to creatively solve problems faced by current in-pipe robots. The major objective of this project is to investigate design methodologies for soft in-pipe robot, and to reveal the working mechanism of soft robots in the complex and constrained pipeline environment, and furthermore, to develop theoretical principles for the development, characterization and application of soft in-pipe robot for small diameter pipeline inspection and maintenance. To study the working mechanism and design principles of soft in-pipe robot, a key scientific problem must be resolve: Deformation of soft robot in the constrained environment of pipelines. To this end, three critical issues are identified. They are: 1.Modeling and analysis of soft robot in constrained environments of pipelines, 2. Design principle and working mechanisms of soft robots inside pipelines, 3. Characterization and performance evaluation of soft in-pipe robots. The research in this project will lay down the foundation for research and development of practical in-pipe robots.

软体机器人拥有柔软的身体、优良的灵活性和强大的环境适应性，非常适合复杂环境作业。面对传统管道机器人难以适应的小直径复杂管道，软体管道机器人是一个行之有效的解决方案。目前针对软体管道机器人的研究还很零散，不系统，不深入，还远未形成能够支撑软体管道机器人进入实用化的理论与方法。由此，项目围绕软体管道机器人的工作机理与设计方法，通过“约束环境中软体单元建模与分析”、“软体管道机器人结构设计及其工作原理研究”、“软体管道机器人性能研究”3个分内容的研究，解决“管道约束环境中软体单元非自由变形机理”这一关键科学问题，实现“提出软体管道机器人的设计方法，揭示其在复杂管道约束环境中的工作机理”的项目目标。通过该研究，将形成软体管道机器人设计、分析方法，为软体管道机器人的研制和应用提供理论依据，为管道机器人的研究提供新的思想，为约束环境中软体机器人的研究提供参考。具有重要的理论价值和广阔的应用前景。

传统管道机器人因其刚性结构而难以适应小直径复杂管道，刚性结构在作业过程中易发生卡阻，作业过程对管道本体也不够友好，软体管道机器人是解决以上问题的可行方案。本项目通过开展“约束环境中软体单元建模与分析”、“软体管道机器人结构设计及其工作原理研究”、“软体管道机器人性能研究”3个分内容的研究，解决了“管道约束环境中软体单元非自由变形机理”这一关键科学问题，具体研究结果如下：. 1.完成了自由空间中软体单元形态变化研究：建立了单元体弯曲模型，研究了弯曲变形量与驱动气压之间的变化关系，得出弯曲变形量随着气压的变化呈现非线性的关系；建立了单元体伸缩模型，研究了驱动压力与伸长率之间的关系；建立了单元体变刚度模型，研究了轴向刚度和径向刚度与气压之间的关系。. 2.完成了约束环境中软体的单元建模、仿真与实验，运用有限元仿真软件对软体单元进行仿真研究：研究了不同颗粒填充物、不同驱动压力下软体弯曲单元曲率及弯曲变形量的变化规律；研究了不同驱动压力下软体伸缩单元伸长率的变化规律，发现伸缩率跟随气压增大呈非线性变化；研究了弹性管壁对伸展变形体轴向伸展能力的影响，发现弹性管和约束层存储的能量与轴向伸长量之间呈正相关。. 3.完成了约束环境中软体单元结构进行设计，开展了约束环境中软体弯曲、伸缩、膨胀和变刚度单元结构的研究，并完成了多代实验样机。. 4.完成了软体管道机器人结构设计，根据各个软体单元的结构设计与实验结果，研究了软体管道机器人结构设计方法。. 5.开展了软体管道机器人实验研究，研究了管道机器人在直管中的运动性能，在斜管及三通管中的选择过弯和爬坡性能，在障碍管道中的越障性能，实验结果展示出了软体管道机器人优良的运动性能。. 以上研究成果的取得，为软体管道机器人的研制、推广和应用奠定了基础。