一種適用于剛性微型管道的變胞機(jī)器人

關(guān)鍵詞：微型管道；管道機(jī)器人；變胞機(jī)構(gòu)；Adams軟件

0 引言

管道運(yùn)輸具有輸送方式簡單、占地面積小、運(yùn)輸成本低等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。在長期使用管道運(yùn)輸物料的過程中，由于堵塞、腐蝕、制造缺陷等因素，管道內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生損傷。為了避免嚴(yán)重事故的發(fā)生，需要定期對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)與維護(hù)[1-2]。對(duì)于直徑在毫米級(jí)別的微型管道，如依靠人工進(jìn)行檢測(cè)，存在管內(nèi)難以直接進(jìn)入、檢測(cè)范圍難以全面覆蓋等困難；且操作人員可能面臨含輻射與毒害的環(huán)境[3]，故利用微型管道機(jī)器人代替人工完成管內(nèi)檢測(cè)、故障診斷以及清障等維護(hù)工作顯得尤為重要。微型管道機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展迅速，在核工業(yè)、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，已有許多有關(guān)管道機(jī)器人的研究成果[4-10]。目前，微型管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)基本采用固定不變的構(gòu)型和尺寸參數(shù)。但隨著管內(nèi)環(huán)境改變，僅依賴確定的尺寸往往無法使機(jī)器人的機(jī)構(gòu)性能達(dá)到最優(yōu)。變胞機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)變換、變自由度和可形成多種穩(wěn)定構(gòu)態(tài)的特性[11-12]，將變胞原理融入微型管道機(jī)器人設(shè)計(jì)，可以提高機(jī)器人在彎曲管道等復(fù)雜環(huán)境中的適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)能力。本文針對(duì)剛性微型管道，提出了一種基于變胞原理的微型機(jī)器人設(shè)計(jì)方案。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)原理

1. 1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微型管道的工作條件要求機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)尺寸小、輕質(zhì)化性能好，能夠在22 mm管徑的直管段、“L”形管段、三通管段內(nèi)以穩(wěn)定的姿態(tài)進(jìn)行移動(dòng)，并具備轉(zhuǎn)向能力。

在比較了不同類型管道機(jī)器人[13-15]的性能和開發(fā)成本后，確定采用形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)，移動(dòng)方式為蠕動(dòng)式。該機(jī)器人由錨固結(jié)構(gòu)和伸縮結(jié)構(gòu)組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，錨固結(jié)構(gòu)起支撐管壁的作用，伸縮結(jié)構(gòu)具有使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)動(dòng)和換向轉(zhuǎn)彎的功能。室溫狀態(tài)下，機(jī)器人總長為235 mm，徑向高度為22 mm。

1. 2 錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

錨固結(jié)構(gòu)如圖2所示。圍繞中心活塞桿圓周配置4個(gè)由4根桿組成的支撐桿機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)之間保持90°等角分布，中心活塞桿和套筒構(gòu)成往復(fù)運(yùn)動(dòng)的滑塊。套筒內(nèi)置了單程形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）彈簧和普通彈簧組成的驅(qū)動(dòng)器。形狀記憶合金在高低溫下的相變使彈簧產(chǎn)生形變，作用于套筒內(nèi)的活塞桿；在活塞桿的推動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)器可以控制支撐桿機(jī)構(gòu)的展開與收縮，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人貼緊和離開管道內(nèi)壁。室溫狀態(tài)下錨固結(jié)構(gòu)長為67 mm。

1. 3 伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

伸縮結(jié)構(gòu)如圖3 所示。整體由2 個(gè)八桿機(jī)構(gòu)分水平和豎直兩個(gè)方向且間隔90°鉸接在兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)圓盤上。伸縮結(jié)構(gòu)的連接桿件以轉(zhuǎn)動(dòng)副鉸接在一起，通過桿件之間角度的變化實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的伸長與收縮，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人完成蠕動(dòng)前進(jìn)；同時(shí)，采用變胞合并桿件的方式實(shí)現(xiàn)換向轉(zhuǎn)彎。室溫狀態(tài)下伸縮結(jié)構(gòu)長為80 mm。

伸縮結(jié)構(gòu)桿件合并時(shí)如圖4所示。前后兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)圓盤通過微型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制，前旋轉(zhuǎn)圓盤能夠?qū)⑺椒较虻陌藯U機(jī)構(gòu)合并到豎直方向，后旋轉(zhuǎn)圓盤則沿相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，將豎直的八桿機(jī)構(gòu)合并到水平方向。合并后桿件之間通過轉(zhuǎn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)左右旋轉(zhuǎn)，如圖5所示。

SMA彈簧作為驅(qū)動(dòng)器布置在伸縮結(jié)構(gòu)內(nèi)部，具體位置如圖6所示。伸縮驅(qū)動(dòng)的SMA彈簧布置在圖3中連接桿1和圓盤連接處及連接桿2和連接桿3連接處，其他對(duì)稱位置均采取同樣的形式布置；轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)的SMA彈簧布置在桿2和桿3、桿6和桿7的兩端及對(duì)稱位置。SMA彈簧的具體參數(shù)如表1所示。

1. 4 運(yùn)動(dòng)原理

機(jī)器人在管道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖7所示。1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期分為以下5步：

1） 機(jī)器人進(jìn)入管道中，前后錨固結(jié)構(gòu)同時(shí)處于張緊狀態(tài)支撐著管壁。

2） 后錨固結(jié)構(gòu)繼續(xù)保持張緊狀態(tài)，前錨固結(jié)構(gòu)松開，離開管壁。

3） 伸縮結(jié)構(gòu)連桿在形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)下伸長，帶動(dòng)前錨固結(jié)構(gòu)向前運(yùn)動(dòng)，前錨固結(jié)構(gòu)到達(dá)前端后支撐起管壁。

4） 前錨固結(jié)構(gòu)繼續(xù)保持張緊狀態(tài)，伸縮結(jié)構(gòu)保持伸長，后錨固結(jié)構(gòu)松開，離開管壁。

5） 伸縮結(jié)構(gòu)的連桿在形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)下收縮，帶動(dòng)后錨固結(jié)構(gòu)向前運(yùn)動(dòng)，后錨固結(jié)構(gòu)到達(dá)前段支撐起管壁。

重復(fù)上述步驟，該機(jī)器人就能在微型管道內(nèi)壁不斷行進(jìn)。

2 變胞機(jī)構(gòu)構(gòu)態(tài)變換描述

2. 1 構(gòu)型描述

變胞原理采用特定方法使機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)自由度的變化。其特性是自我重組和重構(gòu)且變胞機(jī)構(gòu)至少在1次自由度變化以后仍可繼續(xù)運(yùn)行[16]。變胞機(jī)構(gòu)的不同形態(tài)對(duì)應(yīng)不同的構(gòu)態(tài)，每一種構(gòu)態(tài)對(duì)應(yīng)不同的拓?fù)鋱D，每個(gè)拓?fù)鋱D又有其對(duì)應(yīng)的鄰接矩陣。鄰接矩陣用于描述構(gòu)件之間的連接關(guān)系，通過初等變換實(shí)現(xiàn)鄰接矩陣變換。分析構(gòu)態(tài)前后的鄰接矩陣，能夠明確地看出機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的變化，從而理解機(jī)構(gòu)如何通過減少或增加連接點(diǎn)來改變自身的自由度。圖8為變胞機(jī)器人的伸縮結(jié)構(gòu)（變胞機(jī)構(gòu)）構(gòu)態(tài)簡圖，從圖中可以更為清晰地看出水平和豎直方向八桿機(jī)構(gòu)的連接關(guān)系以及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

相對(duì)于構(gòu)態(tài)簡圖的描述，矩陣描述法更加直觀、高效。圖9和圖10分別為伸縮結(jié)構(gòu)變胞初態(tài)拓?fù)鋱D以及變胞終態(tài)拓?fù)鋱D。

根據(jù)拓?fù)鋱D，變胞機(jī)器人在通過三通、“L”形等轉(zhuǎn)彎管段時(shí)，伸縮單元變胞初態(tài)結(jié)構(gòu)的一側(cè)八桿機(jī)構(gòu)繞x 軸旋轉(zhuǎn)，與另一側(cè)的八桿機(jī)構(gòu)重合，此時(shí)，結(jié)構(gòu)的有效桿件數(shù)由16個(gè)合并為8個(gè)。

式中，Sij為矩陣內(nèi)第i 行第j 列的元素；p、q 均為構(gòu)件數(shù)。

若兩個(gè)桿件之間有運(yùn)動(dòng)副相連，Sij =1；若兩桿件之間沒有運(yùn)動(dòng)副相連，Sij =0。

構(gòu)態(tài)變換用鄰接矩陣表示為桿件i（i=1，2，…，8）與桿件（j j=9，10，…，16）對(duì)應(yīng)合并，對(duì)應(yīng)的矩陣中，j 行j 列的每一個(gè)元素加至i 行i 列成為過渡矩陣，然后消去合并連桿所在的行和列，得到新鄰接矩陣A1，即

2. 2 構(gòu)態(tài)變換分析

構(gòu)態(tài)變換的自由度直接關(guān)系到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力和適應(yīng)性，自由度的計(jì)算有助于理解機(jī)構(gòu)在特定變胞后能夠?qū)崿F(xiàn)的運(yùn)動(dòng)。

式中，F(xiàn) 為空間機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)；n 為構(gòu)件總數(shù)；g為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副的總數(shù)；fi為第i 個(gè)運(yùn)動(dòng)副的自由度。

圖11為變胞機(jī)構(gòu)變胞前后結(jié)構(gòu)簡圖。建立空間直角坐標(biāo)系O-xyz 以及空間十六桿機(jī)構(gòu)整體，變胞前結(jié)構(gòu)的所有桿件連接處均為鉸接，Lk、Nk （k=1，2，3，4）為球銷副，自由度為2；Ak、Bk、Mk （k=1，2，3，4）為轉(zhuǎn)動(dòng)副。以旋轉(zhuǎn)盤為固定機(jī)架，由圖11（a）可知，機(jī)構(gòu)構(gòu)件總數(shù)n 為24，運(yùn)動(dòng)副總數(shù)為28，除球銷副外自由度均為1。由式（4）計(jì)算可得變胞前的構(gòu)態(tài)自由度為8。

將自由度為1的旋轉(zhuǎn)盤連接桿A1M1B1、A4M4B4繞x 軸方向旋轉(zhuǎn)90°，之后與桿A2M2B2、A3M3B3重合，得到變胞后構(gòu)態(tài)，L1、L3、N1、N3為球銷副，自由度為2；A1、A3、B1、B3、M1、M3為轉(zhuǎn)動(dòng)副。由圖11（b）可知，機(jī)構(gòu)構(gòu)件總數(shù)n 為14，運(yùn)動(dòng)副總數(shù)為16。同理，變胞后構(gòu)態(tài)的自由度為2。

3 基于Adams 軟件的動(dòng)力學(xué)仿真

3. 1 虛擬樣機(jī)模型建立

利用SolidWorks 軟件建立微型管道機(jī)器人和管道環(huán)境的三維模型，模型保留關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)副和機(jī)械結(jié)構(gòu)，其他部分簡化。將簡化后模型導(dǎo)入到Adams軟件中，導(dǎo)入結(jié)果如圖12所示。

3. 2 仿真描述

虛擬樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)共添加移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副、球副、固定副等運(yùn)動(dòng)副118個(gè)。添加運(yùn)動(dòng)副后，對(duì)樣機(jī)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)添加驅(qū)動(dòng)，同時(shí)設(shè)置驅(qū)動(dòng)函數(shù)，按照微型管道機(jī)器人管內(nèi)蠕動(dòng)原理進(jìn)行編寫。定義驅(qū)動(dòng)約束29個(gè)，對(duì)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)施加扭力，同時(shí)對(duì)機(jī)器人與管道接觸部分添加接觸力。其中主要的參數(shù)有彈簧剛度系數(shù)K、非線性彈簧指數(shù)e、阻尼系數(shù)emax、穿透距d等。整體添加自身重力及外力62個(gè)（其中，彈力20個(gè)，接觸力42個(gè)）。

變胞機(jī)器人在彎管中的運(yùn)動(dòng)仿真過程如圖13所示。整體運(yùn)動(dòng)仿真過程分為三部分：第一部分時(shí)間參數(shù)設(shè)定為0～40 s[圖13（a）與圖13（b）]，前后錨固結(jié)構(gòu)與伸縮結(jié)構(gòu)的配合運(yùn)動(dòng)使機(jī)器人沿管道中心線蠕動(dòng)前進(jìn)；第二部分時(shí)間參數(shù)設(shè)定為40～50 s[圖13（c）與圖13（d）]，在轉(zhuǎn)彎管段的過渡階段伸縮結(jié)構(gòu)進(jìn)行變胞運(yùn)動(dòng)，前后微型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可旋轉(zhuǎn)圓盤帶動(dòng)連桿進(jìn)行合并；第三部分時(shí)間參數(shù)設(shè)定為50～105s[圖13（e）與圖13（f）]，結(jié)構(gòu)在完成桿件合并后，繼續(xù)前進(jìn)的同時(shí)控制轉(zhuǎn)向的驅(qū)動(dòng)部分使整體發(fā)生彎折，同時(shí)轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)伸縮桿收縮、外側(cè)伸縮桿延長。

3. 3 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)束后，在后處理模塊中獲取了質(zhì)心及各構(gòu)件的位移、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩、接觸力、關(guān)節(jié)角速度及角加速度等運(yùn)動(dòng)曲線，驗(yàn)證了本次設(shè)計(jì)的變胞機(jī)器人蠕動(dòng)過程良好的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

圖14所示為0～105 s內(nèi)機(jī)器人質(zhì)心沿笛卡兒坐標(biāo)系z(mì) 軸（管道中心軸線）方向的位移曲線。由圖14可以看出，變胞機(jī)器人在蠕動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)一定的回縮，但位移整體沿z 軸呈遞增趨勢(shì)。

圖15所示為錨固結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的速度-時(shí)間曲線。由圖15可知，速度隨時(shí)間呈周期性變化。

圖16所示為伸縮結(jié)構(gòu)的連桿質(zhì)心運(yùn)動(dòng)曲線。由于整體質(zhì)心的位移曲線無法表示變胞運(yùn)動(dòng)的情況，且變胞運(yùn)動(dòng)發(fā)生在40～50 s，因此，桿件合并過程可以用伸縮結(jié)構(gòu)的其中一組連桿（包括機(jī)構(gòu)連桿和轉(zhuǎn)向桿）在40～55 s的質(zhì)心位移曲線表示。

圖17所示為微型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩隨時(shí)間變化曲線。由圖17可知，微型電動(dòng)機(jī)在40～50 s驅(qū)動(dòng)內(nèi)側(cè)圓盤旋轉(zhuǎn)，使伸縮結(jié)構(gòu)與豎直方向上的桿件進(jìn)行合并。

圖18、圖19所示分別為伸縮結(jié)構(gòu)連桿的質(zhì)心速度、角速度曲線。沿y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的伸縮結(jié)構(gòu)連桿增加了繞z 軸旋轉(zhuǎn)的速度分量；而后，速度隨時(shí)間變化出現(xiàn)諧波狀抖動(dòng)。分析其原因是桿件合并帶來的碰撞和振動(dòng)。在搭建實(shí)際樣機(jī)時(shí)，可以通過控制微型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向速度和變胞位置精度來削弱抖動(dòng)現(xiàn)象。

4 試驗(yàn)研究與驗(yàn)證

基于前述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)仿真分析，通過試驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的微型管道變胞機(jī)器人是否能順利進(jìn)行變胞構(gòu)態(tài)變換、蠕動(dòng)前進(jìn)以及通過不同類型管道。

4. 1 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

機(jī)器人可以通過直徑為22 mm的“L”形管道和三通管道。兩種管道均為透明亞克力材質(zhì)，內(nèi)徑為22 mm，外徑為27 mm。其中，“L”形管道橫向和縱向管段長均為300 mm；三通管道水平方向管段長為600 mm，豎直方向管段長為300 mm。

4. 2 試驗(yàn)方案

1） 使用恒溫箱在冷熱環(huán)境下交替處理SMA 彈簧，消除殘余應(yīng)力，使SMA彈簧獲得較好的調(diào)校，得到穩(wěn)定的性能。

2） 基于Arduino開發(fā)板設(shè)計(jì)微型管道變胞機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括SMA加熱控制電路的搭建、電阻反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，以實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)前進(jìn)時(shí)錨固結(jié)構(gòu)和伸縮結(jié)構(gòu)的先后配合以及轉(zhuǎn)向時(shí)變胞構(gòu)態(tài)轉(zhuǎn)變。

3） 控制試驗(yàn)樣機(jī)蠕動(dòng)通過水平直管、豎直直管、“L”形管、三通管道，以驗(yàn)證其管道通過性能。

4） 通過升降溫的周期響應(yīng)速度對(duì)水平蠕動(dòng)和豎直爬升蠕動(dòng)速度進(jìn)行理論評(píng)估，并記錄試驗(yàn)中實(shí)際速度數(shù)值，進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。

4. 3 樣機(jī)搭建

以前述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù)為依據(jù)，在機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真模擬研究的基礎(chǔ)上對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行選型和配置；機(jī)器人的機(jī)身部分使用光敏樹脂材料，以激光固化的加工方式得到；選用帶控制器的M10步進(jìn)微型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，帶動(dòng)橫向連桿旋轉(zhuǎn)合并至縱向連桿。

將以上所有零件按照模型組裝好，進(jìn)行樣機(jī)制作。轉(zhuǎn)動(dòng)副部分選用M2的不銹鋼內(nèi)六角螺栓和螺母鉸接（部分使用M1. 4）。在組裝好的試驗(yàn)樣機(jī)上安裝SMA彈簧和微型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，最后與控制電路板連接。組裝后的樣機(jī)模型如圖20所示，與理論模型基本一致，可在22 mm的管道內(nèi)自由移動(dòng)，室溫狀態(tài)下長度為235 mm，總質(zhì)量為56 g，符合預(yù)期。

4. 4 管道通過試驗(yàn)

試驗(yàn)要求：控制試驗(yàn)樣機(jī)蠕動(dòng)通過水平管段、“L”形管道、豎直管段、三通管道，以驗(yàn)證管道通過性。由于水平直管段運(yùn)動(dòng)不具有代表性，在后幾種管道均能體現(xiàn)，故主要開展管道機(jī)器人通過水平方向的“L”形管、從水平方向向豎直方向轉(zhuǎn)彎并移動(dòng)通過三通管道的試驗(yàn)。

機(jī)器人在“L”形管道的整體運(yùn)動(dòng)規(guī)劃為：機(jī)器人進(jìn)入管道后通過錨固和伸縮結(jié)構(gòu)配合，使機(jī)身蠕動(dòng)前進(jìn)到達(dá)轉(zhuǎn)彎管段，變胞機(jī)構(gòu)控制微型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行桿件合并的構(gòu)態(tài)變化；接著，由轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)器控制機(jī)身向左側(cè)彎折進(jìn)入轉(zhuǎn)彎過渡階段；機(jī)器人繼續(xù)蠕動(dòng)直至通過彎管，變胞機(jī)構(gòu)控制彎折的機(jī)身回正并分離桿件，繼續(xù)蠕動(dòng)直至通過管道尾部。其運(yùn)動(dòng)過程如圖21所示。

機(jī)器人在豎直三通管道的整體運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與水平“L”形管道近似，不同的是，在轉(zhuǎn)彎時(shí)，需要控制機(jī)身向上彎折進(jìn)入豎直管段，并控制機(jī)器人持續(xù)向上運(yùn)動(dòng)通過豎直管道。其運(yùn)動(dòng)過程如圖22所示。

兩種運(yùn)動(dòng)過程中，在變胞機(jī)器人蠕動(dòng)前進(jìn)時(shí)，設(shè)置錨固結(jié)構(gòu)SMA驅(qū)動(dòng)器的初始占空比為40%，通電加熱時(shí)間為2 s；設(shè)置伸縮結(jié)構(gòu)SMA驅(qū)動(dòng)器的初始占空比為15%，通電加熱時(shí)間為2 s；在試驗(yàn)中通過按鍵控制占空比變化以控制運(yùn)動(dòng)精度。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，該變胞機(jī)器人在管道內(nèi)1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的步距為43 mm，完成1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期所需的時(shí)間為18 s，即機(jī)器人管內(nèi)移動(dòng)平均速度為2. 4 mm/s。機(jī)器人通過“L”形管道轉(zhuǎn)彎用時(shí)61 s，通過“L”形管道總時(shí)間為223 s；機(jī)器人通過三通管道轉(zhuǎn)彎階段用時(shí)69 s，通過三通管道總時(shí)間為241 s。驅(qū)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間會(huì)受其運(yùn)動(dòng)方向影響，其原因是機(jī)器人在豎直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)身自身重力使形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)伸長和收縮的響應(yīng)時(shí)間變長。

5 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)了基于SMA驅(qū)動(dòng)并引入變胞原理的微型管道機(jī)器人。其中，錨固和伸縮結(jié)構(gòu)相互配合，可使機(jī)器人沿管道完成直線蠕動(dòng)；變胞機(jī)構(gòu)通過桿件的重合，可使機(jī)器人發(fā)生整體彎折，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)轉(zhuǎn)彎的功能。

2） 基于拉格朗日法對(duì)管道機(jī)器人的伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，使用Adams軟件對(duì)微型管道變胞機(jī)器人蠕動(dòng)前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真與分析，為樣機(jī)搭建和試驗(yàn)研究提供了參考。

3） 搭建微型管道變胞機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī)，以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)為參考，在動(dòng)力學(xué)仿真模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了管道機(jī)器人以蠕動(dòng)的方式通過水平“L”形管道和三通管道，并記錄了機(jī)器人管內(nèi)移動(dòng)速度，達(dá)到了預(yù)期的試驗(yàn)研究目標(biāo)。