摘要：本文聚焦于闭腔充气结构的软体机器人设计及其在狭窄空间探测中的应用。针对传统机械臂在狭窄空间适应性不足的问题，详细阐述了闭腔充气式软体机器人的设计原理，包括结构设计、材料选择及驱动系统构建。通过实验与仿真分析，深入研究其在狭窄空间内的运动性能、环境适应性及探测功能表现，并对影响适应性的因素进行优化，旨在提升软体机器人在狭窄空间探测任务中的效能，为相关领域的实际应用提供理论与技术支持。

关键词：闭腔充气结构；软体机器人；系统构建

一、引言

在众多实际场景中，如工业管道检测、灾难救援时对废墟缝隙的探索、医疗领域人体腔道检查等，都对能在狭窄空间作业的探测设备提出了需求。传统机械臂凭借刚性结构与精确控制，在常规环境下表现出色，然而面对狭窄、复杂且不规则的空间，其局限性便凸显出来。刚性结构导致灵活性差，难以在狭小曲折路径中穿行，且易与狭窄空间壁发生碰撞，不仅损伤机械臂自身，还可能对被探测环境造成破坏[1]。

软体机器人以其独特的柔性和可变形特性，成为解决狭窄空间探测难题的有力方案。其中，闭腔充气式软体机器人利用气体充放改变自身形态，展现出良好的适应潜力。研究此类机器人的设计与优化，对于拓展狭窄空间探测手段、提升探测效率与安全性具有重要意义[2]。

二、闭腔充气式软体机器人设计原理

闭腔充气式软体机器人主体由柔性外壳与内部闭腔构成，柔性外壳需高弹性、耐疲劳，常用硅胶等材料，其弹性模量低、易变形且生物相容性好，适用于医疗等场景；内部闭腔为关键设计，多采用多腔室结构，独立腔室利于精细局部变形控制，联通腔室可协调整体运动，如仿蠕虫机器人通过依次排列的闭腔充放气实现爬行 [3]。材料选择上，闭腔内部支撑用柔性纤维增强材料，如含碳纤维或芳纶纤维的柔性聚合物，兼顾强度与柔性；驱动气体传输管道选聚氨酯材料，保障气密性与柔韧性。驱动系统以小型气泵或气瓶为气源，配合高精度压力传感器与电磁阀精准控制闭腔充气量和压力，通过控制电路与算法，依据运动需求及环境反馈调节各闭腔气压，例如转弯时调节对应闭腔电磁阀实现动作 [4]。

三、机器人在狭窄空间的运动性能分析

闭腔充气式软体机器人在狭窄空间有三种主要运动模式：蠕动模式通过依次充放气产生收缩伸展波前进，类似蚯蚓运动；蜿蜒爬行模式利用多腔室交替充气产生侧向弯曲，实现蛇形移动，适配曲折通道；膨胀挤压前进模式通过局部大幅充气挤压环境开辟空间，适用于极狭窄区域。其运动速度受充气速率、闭腔结构及环境摩擦力影响，优化后在直径 50mm 的 PVC 管道中，蠕动速度达28mm/s ，蜿蜒爬行速度为 22mm/s ，膨胀挤压前进速度约 15mm/s_o 。负载能力由闭腔气压与材料强度决定，实验显示在 0.3MPa 气压下，可承受自身重量 3.2 倍的负载阻力，满足多数狭窄空间探测的运动需求[5]。

四、狭窄空间环境适应性研究

闭腔充气式软体机器人对不同形状狭窄空间适应性良好，面对圆形管道，通过均匀充气调整自身外径与之贴合，实现稳定前进；在方形或不规则空间，依托多腔室结构，通过局部充气改变形状，填充间隙前行，如模拟方形管道实验中，对四角附近闭腔单独充气，使边角贴合管壁，防侧滑且顺利通过。当狭窄空间存在障碍物、弯道、台阶等复杂路况时，机器人可凭柔性与运动模式灵活应对，遇障碍物能改变局部形状绕开，面对弯道通过控制不同部位闭腔充气转弯；在有台阶的狭窄空间，采用先膨胀挤压上方空间、再逐步收缩移动的方式攀爬，如模拟废墟救援场景实验中，成功绕过障碍物、通过弯道并攀爬过一定高度台阶，抵达指定探测位置。

五、探测功能实现与优化

闭腔充气式软体机器人可搭载多种小型探测设备以实现探测功能，前端安装的微型摄像头能进行视觉探测，获取空间图像信息；配备的气体传感器可检测有害气体浓度，适用于工业管道泄漏检测等场景；还可搭载温度传感器、压力传感器等，综合获取环境多参数数据，如医疗人体腔道探测中，温度传感器能监测腔道内温度变化以辅助疾病诊断。机器人获取数据后，通过无线通信模块实时传输至外部控制终端，采用抗干扰能力强的通信协议与频段保证传输稳定。控制终端利用数据处理算法分析处理数据，如对摄像头图像用图像识别算法识别管道裂缝、异物等缺陷，对气体传感器数据进行阈值判断确定是否气体泄漏超标。

六、结论

闭腔充气式软体机器人在狭窄空间探测领域展现出传统机械臂无法比拟的优势。通过合理的结构设计、材料选择、驱动系统构建及一系列适应性优化策略，该类机器人在运动性能、环境适应能力及探测功能实现上取得良好效果。

然而，目前仍存在一些待解决问题，如进一步提高运动速度与能源利用效率、提升复杂环境下长期稳定运行能力等。未来研究可围绕这些问题深入开展，推动闭腔充气式软体机器人在狭窄空间探测领域更广泛、高效的应用，为工业、医疗、救援等众多领域发展提供有力支持。

参考文献：

[1]Chen F， Song Z， Chen S， et al. Morphological design for pneumatic soft actuators and robots with desired deformation behavior[J]. IEEE Transactions on Robotics， 2023， 39（6）： 4408-4428.

[2]Xu R， Chen C， Sun J， et al. The design， manufacture and application of multistable mechanical metamaterials-a state-of-the-art review[J]. International Journal of Extreme Manufacturing， 2023， 5（4）： 042013.

[3]Ye W， Zhao L， Luo X， et al. Perceptual soft end-effectors for future unmanned agriculture[J]. Sensors， 2023， 23（18）： 7905.

[4]Sui D， Wang T， Zhao S， et al. An envelo** soft gripper with high-load carrying capacity： design， characterization and application[J]. IEEE Robotics and Automation Letters， 2021， 7（1）： 373-380.

[5]Aydin A， Raison N， Khan M S， et al. Simulation-based training and assessment in urological surgery[J]. Nature Reviews Urology， 2016， 13（9）： 503-519.