直徑僅34.6mm！中北大學變徑履帶式機器人登頂TRO：無纜、帶力覺、硬/軟管道都能鉆！

管道機器人卷出新高度！

履帶式機器人憑借牽引力大、越障能力強，一直是管道檢測的主力選手。

但長期以來有個尷尬的現實：能主動變徑、具備獨立履帶模塊的履帶式機器人，直徑通常在80mm以上。至于 80mm 以下的細管道（如小尺寸油氣管網、人體結腸等），這類機器人基本“進不去”。

能不能讓履帶式機器人也“瘦”下來，同時具備主動變徑、獨立履帶模塊、力覺感知，還能無纜自主？

近日，中北大學聯合香港中文大學、上海交通大學團隊給出了答案。他們研發的變徑履帶式微型機器人VCMR，以直徑34.6mm、長度41mm的迷你身軀，實現了34.6~89.6mm的主動變徑范圍，還集成了接觸力感知，可無纜自主探索80mm以下的硬/軟管道。

該成果發表在機器人領域頂刊IEEE Transactions on Robotics (TRO)。中北大學高晉陽教授為第一作者和通訊作者，中北大學譚秋林教授、香港中文大學張立教授為共同通訊作者，上海交通大學顏國正教授等為共同作者。

這是目前文獻報道的同時集成主動變徑、獨立履帶驅動、接觸力感知三大核心功能的最小尺寸履帶式機器人。

01.

三個“普通”設計，拼出不普通的微型化

VCMR 的核心思路說起來不復雜：把傳統履帶機器人的三大件—變徑機構、履帶機構、力覺傳感器—以微型化為目標全部重新設計。

變徑機構：采用一組四連桿+兩片彎折簧片（FSL）架構，替代傳統雙組連桿設計。既為履帶機構提供彈性穩定支撐，又支持其被動傾斜適配變徑管與彎管，還有效縮短了機身軸向長度。

履帶機構：選用6mm商用行星減速電機，搭配自研硅膠履帶與履帶驅動輪，將履帶機構高度壓縮至僅 9.5mm。機器人集成三組履帶機構，配合FSL彈性連接與電機負載特性形成的被動差速，無需主動差速控制，就能平滑通過彎管。

力覺感知：變徑機構與履帶機構的卡扣連接里“藏”一個商用薄膜壓力傳感器，幾乎不占額外體積，就能實時監測履帶機構與管壁的接觸壓力。再疊加對履帶機構驅動電機電流的實時監測，VCMR相當于有了兩路“力覺”反饋。

02.

有了力覺，VCMR會“自己調整”

有了接觸力N和電機電流ICTM 兩個反饋量，VCMR可實現在未知管道中自適應運動。

它采用“狀態調整+主動移動”兩階段循環的運動策略：先以接觸力N為反饋調節變徑機構，待牽引力達標后切換至主動移動階段；移動中持續監測履帶機構電機電流ICTM，若出現空轉（管徑變大）或堵轉（管徑變小），則切換回狀態調整階段重新匹配管徑。

整個過程無需人工干預、無需預先知道管道參數，機器人邊走邊調，真正實現了自適應探索。

03.

實測性能：37.3g的VCMR能負重100g垂直爬管

VCMR 的性能在一系列實驗中得到了驗證：

垂直硬管：自重37.3g的VCMR能負重100g砝碼垂直爬管，平均速度3.54cm/s；

垂直硬管

垂直軟管：即使軟管壁“包覆效應”增加運動阻力，VCMR仍能負重50g砝碼垂直爬管，平均速度1.45cm/s；

水平硬管：VCMR可拖200g砝碼絲滑通過直管（平均速度4.51cm/s）+彎管（平均速度4.18cm/s）。值得一提的是，過彎全程依靠FSL彈性連接與被動差速實現，無需主動控制干預。

變徑硬/軟管自適應運動：在 40-60-80mm 變徑硬管、40-60-45mm 變徑軟管（錐度均為 10°）中可自主適配管徑變化，變徑過渡段耗時22.43~42.68s。

結腸模型探查：針對總長150cm、含4處急彎（最小曲率3cm）的體外結腸模型，VCMR 依靠兩路“力覺”反饋自主應對運動失效：模擬體內壓迫環境下50s走完全程，任意路徑下 51s走完全程，平均速度均接近3cm/s。

這個速度優于其他無線結腸探測機器人（足式、尺蠖式、磁驅式等），展示了履帶式運動在效率上的天然優勢。

04.

無纜化：傳統微電機的“逆襲”

值得一提的是，VCMR是完全無纜的，由商業化3.7V的鋰電池直接供電。

這恰好回應了一個有趣的問題：在軟體機器人、新型驅動器（形狀記憶合金、介電彈性體、磁驅動等）層出不窮的今天，傳統微電機驅動的微型機器人還有沒有戲？

VCMR給出的答案是：有。

微電機可以直接由電池驅動，不需要外部磁場、氣壓源或高壓電源等，配合精巧的機械設計，就能實現真正自主的無纜作業。這在很多實際場景（如工業管道遠程檢測、體內無創探查）中是硬需求。

05.

局限與展望

當然，VCMR 目前還有局限，如：暫未集成視覺與定位模塊、管徑較大時容易側翻、無法自主通行分支管網等。

后續團隊將圍繞三個方向迭代優化：一是集成微型視覺與定位感知，補齊環境探查能力；二是開展低功耗設計，延長無纜續航里程；三是研發雙模塊主動導向構型，適配 T 型分支等復雜管網，推動其真正落地小尺寸復雜管道檢測場景。

從直徑80mm到34.6mm，這不只是尺寸的縮小，更是機械設計、傳感集成和自適應控制的協同突破。當履帶式運動的高效可靠遇上微型化的精巧設計，管道微型機器人的能力邊界，又向前推進了一步。