Robot beklimt muren voor bewaking, inspectie en onderhoudsklussen

Met twee klauwen, een motor en een staart die zwaait als de slinger van een staande klok, klautert een kleine robot genaamd ROCR ("rocker") in iets meer dan 15 seconden over een met tapijt bedekte 8-voet muur - de eerste robot die is ontworpen om efficiënt te klimmen en bewegen als menselijke bergbeklimmers of apen die door bomen slingeren.

"Hoewel deze robot uiteindelijk kan worden gebruikt voor inspectie, onderhoud en bewaking, is waarschijnlijk het grootste potentieel op korte termijn als leermiddel of als echt cool speelgoed', zegt robotontwikkelaar William Provancher, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Utah.

Zijn onderzoek naar de ontwikkeling van de ROCR Oscillerende Klimrobot zal deze maand online worden gepubliceerd door Transactions op Mechatronics, een tijdschrift van het Institute of Electrical and Electronics Engineers en American Society of Mechanical Engineers.

Provancher en zijn collega's schreven dat de meeste klimrobots "bedoeld zijn voor onderhoud of inspectie in en omgevingen zoals de buitenkant van gebouwen, bruggen of dammen, opslagtanks, nucleaire installaties of verkenningen in gebouwen.”

Maar tot nu toe werden de meeste klimrobots niet ontworpen met het oog op efficiëntie, maar met een meer basisdoel:niet van de muur vallen die ze aan het beklimmen zijn.

"Terwijl eerdere klimrobots zich concentreerden op zaken als snelheid, vasthouden aan de muur en beslissen hoe en waar te bewegen, is ROCR de eerste om zich te concentreren op efficiënt klimmen', zegt Provancher.

Een eerdere klimrobot is ongeveer vier keer sneller gestegen dan ROCR, die kan klimmen met 6,2 inch per seconde, maar ROCR behaalde een efficiëntie van 20 procent bij klimtests, "wat relatief indrukwekkend is, aangezien de motor van een auto ongeveer 25 procent efficiënt is", zegt Provancher.

De efficiëntie van de robot wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de arbeid die wordt verricht tijdens het klimmen en de elektrische energie die de robot, zegt hij.

Provancher's ontwikkelaar elopment, testen en studie van de op zichzelf staande robot was co-auteur van Mark Fehlberg, een doctoraalstudent werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Utah, en Samuel Jensen-Segal, een voormalige masterstudent uit Utah die nu werkt als ingenieur voor een New Hampshire bedrijf.

De National Science Foundation en de Universiteit van Utah hebben het onderzoek gefinancierd.

ROCR is een swinger die zich een weg naar de top baant
Andere onderzoekers hebben verschillende manieren bestudeerd waarop klimrobots aan muren kunnen kleven, waaronder droge lijmen, microspines, zogenaamde "dactyl"-stekels of grote klauwen zoals ROCR's, zuignappen, magneten en zelfs een mix van droge lijm en klauwen om gekko's na te bootsen.

Nu verschillende methoden zijn uitgeprobeerd en bewezen voor robots om verschillende muuroppervlakken te beklimmen, "als je een robot wilt hebben met veelzijdigheid en missie -leven, efficiëntie stijgt naar de top van de lijst van dingen om op te focussen,” zegt Provancher.

Toch, “er is nog veel werk aan de winkel” voordat klimrobots algemeen worden gebruikt, hij voegt toe.

Sommige eerdere klimrobots waren groot, met twee tot acht poten. ROCR is daarentegen klein en lichtgewicht:slechts 12,2 inch breed, 18 inch lang van boven naar beneden en weegt slechts 1,2 pond.

De motor die de staart van de robot aandrijft en een gebogen, balkachtige stabilisatorstang bevestigd aan het bovenlichaam van de robot. Het bovenlichaam heeft ook twee kleine, stalen haakachtige klauwen om in een met tapijt beklede muur weg te zinken terwijl de robot klimt. Zonder de stabilisator hadden de klauwen van ROCR de neiging weg te bewegen van de muur terwijl deze klom en viel.

De motor drijft een tandwiel aan de bovenkant van de staart aan, waardoor de staart heen en weer zwaait, wat stuwt de robot omhoog. Een batterij bevindt zich aan het einde van de staart en levert de massa die nodig is om de robot omhoog te zwaaien.

“ROCR grijpt als alternatief de muur met één hand per keer vast en zwaait met zijn staart, waardoor een centrum ontstaat zwaartekrachtverschuiving die zijn vrije hand opheft, die vervolgens het klimoppervlak grijpt, "zegt de studie. "De handen wisselen grijptaken en ROCR zwaait zijn staart in de tegenovergestelde richting."

ROCR is op zichzelf staand en autonoom, met een microcomputer, sensoren en vermogenselektronica om de gewenste staartbewegingen uit te voeren om het te laten klimmen .

Provancher zegt dat om efficiëntie te bereiken, ROCR dieren en machines nabootst.

"Het streeft dit doel van efficiëntie na met een ontwerp dat efficiënte systemen nabootst, zowel in de natuur als door de mens gemaakt, " hij zegt. "Het bootst een gibbon na die door de bomen slingert en de slinger van een staande klok, die beide extreem efficiënt zijn."

Het onderzoek zegt:"De belangrijkste innovaties van ROCR - de energiezuinige klimstrategie en eenvoudige mechanisch ontwerp - ontstaan ​​door het observeren van massale verschuivingen bij menselijke klimmers en brachiatieve [zwaaiende] bewegingen bij dieren."

Een klimrobot simuleren en testen
Voordat ze de robot zelf testten, gebruikten Provancher en collega's computersoftware om ROCR's klimmen te simuleren, waarbij ze een dergelijke simulatie gebruikten om de meest efficiënte klimstrategieën te evalueren en de fysieke kenmerken van de robot te verfijnen.

Daarna gingen ze voerde experimenten uit, waarbij ze varieerden hoe snel en hoe ver de staart van de robot zwaaide, om te bepalen hoe de robot het meest efficiënt kon klimmen op een 8 meter hoog stuk triplex bedekt met een tapijt met korte dutjes.

De robot werkte het snelst en het meest efficiënt wanneer hij in de buurt van resonantie liep - in de buurt van de natuurlijke frequentie van de robot - vergelijkbaar met de manier waarop de slinger van een staande klok met zijn natuurlijke frequentie zwaait. Met zijn staart die langzamer zwaaide, klom hij maar niet zo snel of efficiënt.

De onderzoekers ontdekten dat hij de grootste efficiëntie – 20 procent – ​​bereikte wanneer de staart 120 graden heen en weer zwaaide (of 60 graden naar elke kant van recht naar beneden), wanneer de staart 1,125 keer per seconde heen en weer zwaaide en wanneer de klauwen 4,9 inch uit elkaar stonden.

Toen de staart twee keer per seconde zwaaide, was het te snel en sprong ROCR van de muur, en werd gevangen door een veiligheidskoord zodat het niet beschadigd werd.

Provancher zegt dat het onderzoek de eerste is om een ​​benchmark vast te stellen voor de efficiëntie van klimrobots waarmee toekomstige modellen kunnen worden vergeleken. Hij zegt dat toekomstige werkzaamheden zullen bestaan ​​uit het verbeteren van het ontwerp van de robot, het integreren van complexere mechanismen voor het vastgrijpen aan verschillende soorten muren, zoals baksteen en zandsteen, en het onderzoeken van complexere manieren om de robot te besturen - allemaal gericht op het verbeteren van de efficiëntie.

"Hogere klimefficiëntie zal de levensduur van de batterij van een op zichzelf staande, autonome robot verlengen en de verscheidenheid aan taken die de robot kan uitvoeren vergroten", zegt hij.

De ROCR Oscillerende Klimrobot, ontwikkeld door werktuigbouwkundig ingenieur William Provancher en collega's van de Universiteit van Utah, kan op een efficiënte manier muren met tapijt beklimmen met behulp van twee haakachtige klauwen, een motor en een staart die zwaait als de slinger van een staande klok. Met een gewicht van slechts 1,2 pond en een afmeting van 12,2 inch breed en 18 inch lang, kan hij worden gebruikt voor bewaking, inspectie, onderhoud, onderwijstechniek en zelfs als speelgoed.