天津大学研制出3D打印模块式软体机器人,可用于管道检查

3D打印科研前沿
2021
01/07
09:44
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2021年1月7日,南极熊获悉,天津大学的研究人员3D打印出了一种可定制的模块式软体机器人,它能够在工业设施的管道上爬行,并进行检查和实时监控。

这个机器人设备具有一系列软弯曲机制和模块化抓手,能够灵活地攀爬奇形怪状的设施。管道断裂往往会导致生产延误,许多公司仍在手动检查,因此这个机器人可能代表了一种新的、更有效的替代方案。

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△团队的3D打印机器人可以减少对人工管道检查的需求,图片来自《IEEE Robotics and Automation》杂志

隐藏的管道攀爬艺术

在许多工厂中,管道是工业效率和最终生产效率所依赖的重要基础。即使是微小的破损,也会对生产造成很大的干扰,因此,不断地检查管道是否有泄漏已经成为一些大型企业的必要条件。

目前,工业企业往往采用工作人员手动监测管道,但这种方法既耗费人力,又有潜在的危险性,尤其是当管道中携带有危险化学品时。因此,开发能够代替承担这种危险任务的机器人,已经成为一个重要的研究领域。

虽然之前的研究已经产生了一系列的机器人解决方案,但它们往往是内侧或外侧的管道攀爬装置,而不是两者兼而有之。更重要的是,前者需要封闭运输网络才能工作,而对于埋在地下的管道,从外部维护是无法避免的。

不过,随着近来软性机器人技术的发展,制造复杂的设备变得更加容易。通过采用3D打印技术,天津大学团队创建了一个优化的设备,能够比以前更灵活地检查管道。

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△科学家们3D打印机器人采用了模块化设计,使他们能够根据应用情况进行调整,图片来自《IEEE Robotics and Automation》杂志

天津大学团队的3D打印设计

为了最大限度地提高机器人的灵活性,科学家们设计了一个一体式的软性弯曲机构,能够承受高水平的变形。使用CAD软件来创建装置,并使团队能够随意添加模块或调整抓手的直径。

机器人的布局包括一个中间部分,两端有夹持器,以及三根进气管,可以按需控制和施加压力。通过交替给设备的抓手加压和减压,机器人能够进行 "攀爬 "运动,尽管是在他们的直接控制下。

在测试过程中,机器人展示了85Nmm的扭矩输出,足以以14mm p/s的速度攀爬直径为16-38mm的管道。机器人还能够以45°和90°的角度缩放丙烯酸网络,有可能成为检查倾斜管道的理想选择,因为这些管道可能难以航行。

机器人能够在内部和外部攀爬,并在纵向或横向方向上旋转。未来,科学家们打算将传感器集成到他们的设备中,让它成为一个自主的管道维护解决方案。

3D打印的软机器人

由于3D打印提供的设计灵活性,越来越多的研究人员已经能够生产出创新的机器人,能够实现行走、攀爬和摇摆动作。

蔚山国立科学技术研究所(UNIST)的研究人员创造了一个3D打印的爬墙机器人。受壁虎的启发,他们的四足机器人甚至能够攀爬潮湿的表面。
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同样,UNIST的另一个团队将3D打印与注塑相结合,制造了一个行走的海星形机器人。五个 "肢体 "就像生物力学系统中的肌腱一样,可以通过驱动来进行受控运动。
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来自伊利诺伊大学的科学家们将老鼠的脊髓融合到一个软性机器人中,制造出一个3D打印的行走微型机器人。这款生物机器人的动力来自于脊柱中模式化的肌肉收缩,进而移动它的 "脚"。
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研究人员的研究成果详见他们题为 "Fully 3D-printed Modular Pip-climbing Robot"的论文,该论文由Disheng Xie, Jianbin Liu, Rongjie Kang and Siyang Zuo. 共同撰写。



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