ROCR: легкий, энергоэффективный робот, карабкающийся по стенам как гиббон

С парой крючковидных когтей, моторным хвостом, качающимся как маятник дедовских часов, и легкой рамой, робот ROCR («rocker») поднимается по 8-футовой ковровой стене чуть более чем за 15 секунд. Первый робот, спроектированный для эффективного лазания с эмуляцией движения человеческих альпинистов и древесных приматов, ROCR предлагает перспективную платформу для задач инспекции, обслуживания и наблюдения.

"Хотя конечные приложения ROCR будут в инспекции, обслуживании и наблюдении, его наибольшее немедленное воздействие лежит в качестве учебного инструмента и убедительной демонстрации робототехники", — говорит Уильям Прованчер, доцент механического инженерии Университета Юта и ведущий разработчик проекта.

Результаты команды появятся в сети в этом месяце в Transactions on Mechatronics, совместном журнале IEEE и ASME. Статья под названием «ROCR Oscillating Climbing Robot» устанавливает первый бенчмарк для эффективности лазающих роботов, предоставляя точку отсчета для будущих дизайнов.

Почему эффективность важна

Большинство лазающих роботов до сих пор приоритизируют стабильность над эффективностью, гарантируя, что они не упадут, пока стремятся к скорости или адгезии. Однако ROCR — первый, фокусирующийся на энергетической эффективности, достигая коэффициента полезного действия лазания 20% — заметная цифра по сравнению с примерно 25% эффективностью двигателя внутреннего сгорания автомобиля.

Эффективность здесь определяется как отношение механической работы, выполненной при подъеме, к электрической энергие, извлеченной из батареи робота. Оптимизируя синхронизацию и амплитуду качания хвоста, ROCR балансирует потребление энергии и скорость подъема.

Особенности дизайна

• Размеры: 12,2 дюйма в ширину × 18 дюймов в длину (сверху вниз)
• Вес: 1,2 фунта
• Расстояние между когтями: 4,9 дюйма
• Амплитуда качания хвоста: 120° (60° по каждой стороне от вертикали)
• Оптимальная частота качания: 1,125 Гц (1,125 раз в секунду)
• Скорость лазания: 6,2 дюйма/с на ковровой фанере

Хвост робота приводится в движение небольшим мотором, вращающим шестеренку, заставляя хвост осциллировать. Батарея, установленная у основания хвоста, обеспечивает необходимую массу для маятниковоподобного движения. Две стальные крючковидные когти робота хватают стену по очереди, смещая центр тяжести для поднятия свободного когтя к следующему захвату.

Тестирование и результаты

До построения прототипа команда использовала компьютерные симуляции для определения самых энергоэффективных стратегий лазания. Экспериментальные испытания затем подтвердили эти выводы: робот работал лучше всего при работе близко к своей естественной резонансной частоте, похоже на то, как маятник дедовских часов качается наиболее эффективно на своей присущей частоте.

Когда хвост качался слишком быстро (два раза в секунду), робот терял контакт со стеной и ловился страховочным шнуром. При оптимальных 1,125 Гц ROCR достиг 20% эффективности и поддерживал стабильный подъем без падений.

Будущие направления

Прованчер и соавторы планируют улучшить дизайн ROCR, добавив более сложные механизмы захвата для работы с более широким спектром поверхностей — включая кирпич, песчаник и другие промышленные материалы. Они также стремятся разработать более продвинутые алгоритмы управления, еще больше повышающие эффективность и универсальность задач.

Увеличивая срок службы батареи за счет более высокой эффективности, ROCR может выполнять более длительные миссии в автономных, самодостаточных операциях — расширяя свою полезность для реальных задач инспекции, обслуживания и наблюдения.

Разработка ROCR финансировалась Национальным научным фондом и Университетом Юта. Исследовательская команда включает Марка Фехльберга, аспиранта по механическому инженерии, и Самуэля Дженсен-Сегала, бывшего магистранта Юты, сейчас работающего инженером в Нью-Гэмпшире.

Робот ROCR Oscillating Climbing Robot, разработанный Уильямом Прованчером и коллегами в Университете Юта, демонстрирует эффективное лазание по стене с двумя крючковидными когтями, мотором и маятниковым хвостом. Весом всего 1,2 фунта и размерами 12,2 дюйма в ширину на 18 дюймов в длину, ROCR предлагает потенциальные приложения в наблюдении, инспекции, обслуживании, инженерном образовании и как увлекательная игрушка.