Робот лазит по стенам для наблюдения, осмотра и технического обслуживания

Обладая двумя когтями, двигателем и хвостом, который качается, как маятник напольных часов, маленький робот по имени ROCR («рокер») карабкается по покрытой ковром 8-футовой стене чуть более чем за 15 секунд - первый такой робот, предназначенный для эффективного лазания. и передвигаться, как люди-скалолазы или обезьяны, пробирающиеся сквозь деревья.

«Хотя этот робот в конечном итоге может быть использован для инспекций, обслуживания и наблюдения, вероятно, наибольший краткосрочный потенциал - это инструмент обучения или действительно классная игрушка », - говорит разработчик роботов Уильям Прованчер, доцент кафедры машиностроения в Университете Юты.

Его исследование по разработке качающегося альпинистского робота ROCR будет опубликовано в сети в этом месяце компанией Transactions. on Mechatronics, журнал Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике и Американского общества инженеров-механиков.

Прованчер и его коллеги написали, что большинство альпинистских роботов «предназначены для технического обслуживания или проверки в en окружающей среде, такой как внешняя часть зданий, мосты или плотины, резервуары для хранения, ядерные объекты или разведка внутри зданий ».

Но до сих пор большинство альпинистских роботов проектировались не с расчетом на эффективность, а только с большей основная цель:не упасть со стены, по которой они карабкаются.

«В то время как предыдущие скалолазные роботы были сосредоточены на таких вопросах, как скорость, прилипание к стене и решение, как и куда двигаться, ROCR - первая Чтобы сосредоточиться на эффективном лазании », - говорит Прованчер.

Один из предыдущих скалолазных роботов поднимался примерно в четыре раза быстрее, чем ROCR, который может подниматься со скоростью 6,2 дюйма в секунду, но ROCR достиг 20-процентной эффективности в тестах на лазание. «Что довольно впечатляет, учитывая, что двигатель автомобиля эффективен примерно на 25 процентов», - говорит Прованчер.

Эффективность робота определяется как отношение работы, выполняемой во время подъема, к электрической энергии, потребляемой - говорит он, - робот.

Разработчик Provancher В соавторстве с Марком Фельбергом, докторантом в области машиностроения Университета штата Юта, и Сэмюэлем Дженсен-Сигалом, бывшим магистрантом штата Юта, сейчас работающим инженером в Нью-Гэмпшире, ведется поиск, тестирование и изучение автономного робота. компания.

Исследование финансировалось Национальным научным фондом и Университетом штата Юта.

ROCR - это свингер, который пробивает себе дорогу к вершине
Другие исследователи изучали различные способы прикрепления лазающих роботов к стенам, включая сухой клей, микрошипы, так называемые «дактильные» шипы или большие когти, такие как ROCR, присоски, магниты и даже смесь сухих клей и когти для имитации лазания по стенам гекконов.

Теперь, когда для роботов были опробованы и проверены различные методы лазания по различным поверхностям стен, «если вы собираетесь иметь робота с универсальностью и миссией» «Жизнь, эффективность поднимается на первое место в списке вещей, на которых нужно сосредоточиться», - говорит Прованчер.

Тем не менее, «предстоит еще много работы», прежде чем скалолазные роботы станут обычным явлением, - сказал он. - добавляет.

Некоторые предыдущие скалолазные роботы были большими, от двух до восьми ног. ROCR, напротив, маленький и легкий:всего 12,2 дюйма в ширину, 18 дюймов в длину сверху вниз и весит всего 1,2 фунта.

Двигатель, который приводит в движение хвост робота, и изогнутый, похожий на балку стабилизатор поперечной устойчивости прикрепляется к верхней части тела робота. На верхней части тела также есть два небольших стальных крючкообразных когтя, которые вонзаются в стену, покрытую ковром, по мере того, как робот поднимается. Без стабилизатора когти ROCR имели тенденцию отходить от стены, когда он поднимался, и он падал.

Мотор приводит в движение шестерню в верхней части хвоста, заставляя хвост раскачиваться вперед и назад, что продвигает робота вверх. Батарея находится на конце хвоста и обеспечивает массу, необходимую для поворота робота вверх.

«ROCR поочередно захватывает стену одной рукой и поворачивает хвостом, вызывая центр гравитационного сдвига, который поднимает свободную руку, которая затем захватывает поверхность для лазания », - говорится в исследовании. «Руки меняются функциями захвата, и ROCR поворачивает хвост в противоположном направлении».

ROCR является автономным и автономным, с микрокомпьютером, датчиками и силовой электроникой для выполнения желаемых движений хвостом, чтобы заставить его подняться .

Прованчер говорит, что для достижения эффективности ROCR имитирует животных и машины.

«Он преследует цель повышения эффективности с помощью конструкции, которая имитирует эффективные системы как в природе, так и в природе, " он говорит. «Он имитирует качающегося между деревьями гиббона и маятник напольных часов, которые чрезвычайно эффективны».

В исследовании говорится:«Основные инновации ROCR - это энергоэффективная стратегия лазания и простота механический дизайн - возникает в результате наблюдения за перемещением масс у альпинистов и брахиативным [раскачивающимся] движением у животных ».

Моделирование и тестирование альпинистского робота
Перед тестированием самого робота Прованчер и его коллеги использовали компьютерное программное обеспечение для моделирования восхождения ROCR, используя такое моделирование для оценки наиболее эффективных стратегий лазания и точной настройки физических характеристик робота.

Затем они провели эксперименты, варьируя скорость и расстояние поворота хвоста робота, чтобы определить, как заставить робота наиболее эффективно взбираться на кусок фанеры высотой 8 футов, покрытый ковром с коротким ворсом.

Робот работал быстрее и эффективнее всего, когда он работал около резонанса - около собственной частоты робота - подобно тому, как маятник старинных часов качается на своей собственной частоте. Его хвост раскачивался медленнее, и он поднимался, но не так быстро и эффективно.

Исследователи обнаружили, что наибольшая эффективность - 20 процентов - достигается при повороте хвоста вперед и назад на 120 градусов (или 60 градусов в сторону). с каждой стороны прямо вниз), когда хвост качался вперед и назад 1,125 раза в секунду и когда когти находились на расстоянии 4,9 дюйма друг от друга.

Когда хвост качался со скоростью два раза в секунду, это было слишком быстро, и ROCR отскочил от стены и был зацеплен страховочным тросом, чтобы не повредить.

Прованчер говорит, что это первое исследование. установить эталон эффективности альпинистских роботов, с которым можно будет сравнивать будущие модели. Он говорит, что будущая работа будет включать улучшение конструкции робота, интеграцию более сложных механизмов для захвата различных стен, таких как кирпич и песчаник, и исследование более сложных способов управления роботом - все нацелено на повышение эффективности.

«Повышение эффективности лазания продлит время автономной работы автономного робота и расширит спектр задач, которые робот может выполнять», - говорит он.

Уильям Прованчер, Университет Юты.

Осциллирующий альпинистский робот ROCR, разработанный инженером-механиком из Университета штата Юта Уильямом Прованчером и его коллегами, может эффективно взбираться на покрытые ковром стены с помощью двух крючковидных когтей, двигателя и хвоста, который качается, как маятник старинных часов. Он весит всего 1,2 фунта и имеет размеры 12,2 дюйма в ширину и 18 дюймов в длину. Его можно использовать для наблюдения, инспекции, технического обслуживания, обучения инженерии и даже в качестве игрушки.