直径仅34.6mm！中北大学变径履带式机器人登顶TRO：无缆、带力觉、硬/软管道都能钻！

管道机器人卷出新高度！

履带式机器人凭借牵引力大、越障能力强，一直是管道检测的主力选手。

但长期以来有个尴尬的现实：能主动变径、具备独立履带模块的履带式机器人，直径通常在80mm以上。至于 80mm 以下的细管道（如小尺寸油气管网、人体结肠等），这类机器人基本“进不去”。

能不能让履带式机器人也“瘦”下来，同时具备主动变径、独立履带模块、力觉感知，还能无缆自主？

近日，中北大学联合香港中文大学、上海交通大学团队给出了答案。他们研发的变径履带式微型机器人VCMR，以直径34.6mm、长度41mm的迷你身躯，实现了34.6~89.6mm的主动变径范围，还集成了接触力感知，可无缆自主探索80mm以下的硬/软管道。

该成果发表在机器人领域顶刊IEEE Transactions on Robotics (TRO)。中北大学高晋阳教授为第一作者和通讯作者，中北大学谭秋林教授、香港中文大学张立教授为共同通讯作者，上海交通大学颜国正教授等为共同作者。

这是目前文献报道的同时集成主动变径、独立履带驱动、接触力感知三大核心功能的最小尺寸履带式机器人。

01.

三个“普通”设计，拼出不普通的微型化

VCMR 的核心思路说起来不复杂：把传统履带机器人的三大件—变径机构、履带机构、力觉传感器—以微型化为目标全部重新设计。

变径机构：采用一组四连杆+两片弯折簧片（FSL）架构，替代传统双组连杆设计。既为履带机构提供弹性稳定支撑，又支持其被动倾斜适配变径管与弯管，还有效缩短了机身轴向长度。

履带机构：选用6mm商用行星减速电机，搭配自研硅胶履带与履带驱动轮，将履带机构高度压缩至仅 9.5mm。机器人集成三组履带机构，配合FSL弹性连接与电机负载特性形成的被动差速，无需主动差速控制，就能平滑通过弯管。

力觉感知：变径机构与履带机构的卡扣连接里“藏”一个商用薄膜压力传感器，几乎不占额外体积，就能实时监测履带机构与管壁的接触压力。再叠加对履带机构驱动电机电流的实时监测，VCMR相当于有了两路“力觉”反馈。

02.

有了力觉，VCMR会“自己调整”

有了接触力N和电机电流ICTM 两个反馈量，VCMR可实现在未知管道中自适应运动。

它采用“状态调整+主动移动”两阶段循环的运动策略：先以接触力N为反馈调节变径机构，待牵引力达标后切换至主动移动阶段；移动中持续监测履带机构电机电流ICTM，若出现空转（管径变大）或堵转（管径变小），则切换回状态调整阶段重新匹配管径。

整个过程无需人工干预、无需预先知道管道参数，机器人边走边调，真正实现了自适应探索。

03.

实测性能：37.3g的VCMR能负重100g垂直爬管

VCMR 的性能在一系列实验中得到了验证：

垂直硬管：自重37.3g的VCMR能负重100g砝码垂直爬管，平均速度3.54cm/s；

垂直硬管

垂直软管：即使软管壁“包覆效应”增加运动阻力，VCMR仍能负重50g砝码垂直爬管，平均速度1.45cm/s；

水平硬管：VCMR可拖200g砝码丝滑通过直管（平均速度4.51cm/s）+弯管（平均速度4.18cm/s）。值得一提的是，过弯全程依靠FSL弹性连接与被动差速实现，无需主动控制干预。

变径硬/软管自适应运动：在 40-60-80mm 变径硬管、40-60-45mm 变径软管（锥度均为 10°）中可自主适配管径变化，变径过渡段耗时22.43~42.68s。

结肠模型探查：针对总长150cm、含4处急弯（最小曲率3cm）的体外结肠模型，VCMR 依靠两路“力觉”反馈自主应对运动失效：模拟体内压迫环境下50s走完全程，任意路径下 51s走完全程，平均速度均接近3cm/s。

这个速度优于其他无线结肠探测机器人（足式、尺蠖式、磁驱式等），展示了履带式运动在效率上的天然优势。

04.

无缆化：传统微电机的“逆袭”

值得一提的是，VCMR是完全无缆的，由商业化3.7V的锂电池直接供电。

这恰好回应了一个有趣的问题：在软体机器人、新型驱动器（形状记忆合金、介电弹性体、磁驱动等）层出不穷的今天，传统微电机驱动的微型机器人还有没有戏？

VCMR给出的答案是：有。

微电机可以直接由电池驱动，不需要外部磁场、气压源或高压电源等，配合精巧的机械设计，就能实现真正自主的无缆作业。这在很多实际场景（如工业管道远程检测、体内无创探查）中是硬需求。

05.

局限与展望

当然，VCMR 目前还有局限，如：暂未集成视觉与定位模块、管径较大时容易侧翻、无法自主通行分支管网等。

后续团队将围绕三个方向迭代优化：一是集成微型视觉与定位感知，补齐环境探查能力；二是开展低功耗设计，延长无缆续航里程；三是研发双模块主动导向构型，适配 T 型分支等复杂管网，推动其真正落地小尺寸复杂管道检测场景。

从直径80mm到34.6mm，这不只是尺寸的缩小，更是机械设计、传感集成和自适应控制的协同突破。当履带式运动的高效可靠遇上微型化的精巧设计，管道微型机器人的能力边界，又向前推进了一步。