Roboter erklimmt Wände für Überwachungs-, Inspektions- und Wartungsaufgaben

Mit zwei Klauen, einem Motor und einem Schwanz, der wie das Pendel einer Großvateruhr schwingt, klettert ein kleiner Roboter namens ROCR („Rocker“) in etwas mehr als 15 Sekunden eine mit Teppich ausgelegte, 2,40 Meter hohe Wand hoch – der erste Roboter dieser Art, der effizient klettern kann und bewegen sich wie menschliche Kletterer oder Affen, die durch Bäume schwingen.

„Während dieser Roboter irgendwann für Inspektion, Wartung und Überwachung eingesetzt werden kann, liegt das wahrscheinlich größte kurzfristige Potenzial als Lehrmittel oder als A wirklich cooles Spielzeug“, sagt Roboterentwickler William Provancher, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der University of Utah.

Seine Studie zur Entwicklung des oszillierenden Kletterroboters ROCR wird diesen Monat von Transactions online veröffentlicht on Mechatronics, einer Zeitschrift des Institute of Electrical and Electronics Engineers und der American Society of Mechanical Engineers.

Provancher und seine Kollegen schrieben, dass die meisten Kletterroboter „für Wartung oder Inspektion in en“ Umgebungen wie das Äußere von Gebäuden, Brücken oder Staudämmen, Lagertanks, Nuklearanlagen oder die Aufklärung innerhalb von Gebäuden.“

Doch bisher wurden die meisten Kletterroboter nicht auf Effizienz ausgelegt, sondern auf mehr Hauptziel:nicht von der Wand zu fallen, die sie klettern.

„Während sich frühere Kletterroboter auf Themen wie Geschwindigkeit, Festhalten an der Wand und Entscheidung, wie und wo sie sich bewegen sollen, konzentrierten, ist ROCR der erste um sich auf effizientes Klettern zu konzentrieren“, sagt Provancher.

Ein vorheriger Kletterroboter ist etwa viermal schneller als der ROCR aufgestiegen, der mit einer Geschwindigkeit von 6,2 Zoll pro Sekunde klettern kann, aber ROCR erreichte bei Klettertests eine Effizienz von 20 Prozent. „Das ist relativ beeindruckend, wenn man bedenkt, dass der Motor eines Autos etwa 25 Prozent effizient ist“, sagt Provancher.

Die Effizienz des Roboters ist definiert als das Verhältnis der beim Aufstieg verrichteten Arbeit zur verbrauchten elektrischen Energie der Roboter, sagt er.

Provanchers dev Entwicklung, Erprobung und Studie des in sich geschlossenen Roboters wurde gemeinsam von Mark Fehlberg, einem Doktoranden in Maschinenbau an der University of Utah, und Samuel Jensen-Segal, einem ehemaligen Master-Studenten aus Utah, der jetzt als Ingenieur für ein New Hampshire arbeitet, verfasst Unternehmen.

Die National Science Foundation und die University of Utah haben die Forschung finanziert.

ROCR ist ein Swinger, der sich an die Spitze kratzt
Andere Forscher haben verschiedene Möglichkeiten untersucht, wie Kletterroboter an Wänden haften können, darunter Trockenkleber, Mikrostacheln, sogenannte „Daktylenstacheln“ oder große Krallen wie ROCRs, Saugnäpfe, Magnete und sogar eine Mischung aus Trocken Klebstoff und Klauen, um wandkletternde Geckos nachzuahmen.

Nun, da sich verschiedene Methoden für Roboter bewährt haben, um eine Vielzahl von Wandoberflächen zu erklimmen, „wenn Sie einen Roboter mit Vielseitigkeit und Mission haben wollen -Life steht die Effizienz ganz oben auf der Liste der Dinge, auf die man sich konzentrieren sollte“, sagt Provancher.

Trotzdem „es gibt noch viel zu tun“, bevor Kletterroboter allgemein verwendet werden, er fügt hinzu.

Einige frühere Kletterroboter waren groß, mit zwei bis acht Beinen. ROCR hingegen ist klein und leicht:nur 12,2 Zoll breit, 18 Zoll lang von oben nach unten und wiegt nur 1,2 Pfund.

Der Motor, der den Schwanz des Roboters antreibt, und ein gebogener, trägerartiger Stabilisierungsstange am Oberkörper des Roboters befestigt. Der Oberkörper hat auch zwei kleine, hakenartige Krallen aus Stahl, die beim Klettern des Roboters in einer mit Teppich ausgelegten Wand versenken. Ohne den Stabilisator bewegten sich die Klauen des ROCR beim Klettern und Fallen tendenziell von der Wand weg.

Der Motor treibt ein Zahnrad oben am Heck an, wodurch das Heck hin und her schwingt, was treibt den Roboter nach oben. Eine Batterie befindet sich am Ende des Schwanzes und sorgt für die nötige Masse, um den Roboter nach oben zu schwingen.

„ROCR greift alternativ mit einer Hand an die Wand und schwingt seinen Schwanz, wodurch eine Mitte entsteht der Schwerkraftverschiebung, die die freie Hand anhebt, die dann die Kletterfläche greift“, heißt es in der Studie. „Die Hände tauschen die Greifaufgaben und ROCR schwingt seinen Schwanz in die entgegengesetzte Richtung.“

ROCR ist in sich geschlossen und autonom, mit einem Mikrocomputer, Sensoren und Leistungselektronik, um die gewünschten Schwanzbewegungen auszuführen, damit es klettert .

Laut Provancher ahmt ROCR Tiere und Maschinen nach, um Effizienz zu erreichen.

„Es verfolgt dieses Ziel der Effizienz mit einem Design, das effiziente Systeme sowohl in der Natur als auch in der Natur nachahmt. " er sagt. „Es ahmt einen durch die Bäume schwingenden Gibbon und das Pendel einer Standuhr nach, die beide äußerst effizient sind.“

Die Studie sagt:„Die Kerninnovationen von ROCR – seine energieeffiziente Kletterstrategie und einfache mechanisches Design – ergeben sich aus der Beobachtung von Massenverschiebungen bei menschlichen Kletterern und brachiativen [schwingenden] Bewegungen bei Tieren.“

Simulieren und Testen eines Kletterroboters
Bevor der Roboter selbst getestet wurde, verwendeten Provancher und seine Kollegen Computersoftware, um das Klettern des ROCR zu simulieren, und verwendeten eine solche Simulation, um die effizientesten Kletterstrategien zu bewerten und die physikalischen Eigenschaften des Roboters fein abzustimmen.

Dann haben sie führten Experimente durch, bei denen variierte, wie schnell und wie weit der Schwanz des Roboters geschwungen wurde, um festzustellen, wie der Roboter am effizientesten ein 2,40 m hohes Stück Sperrholz hochkletterte, das mit einem kurzflorigen Teppich bedeckt war.

Der Roboter arbeitete am schnellsten und effizientesten, wenn er nahe der Resonanz – nahe der Eigenfrequenz des Roboters – lief, ähnlich wie das Pendel einer Standuhr mit seiner Eigenfrequenz schwingt. Mit seinem langsamer schwingenden Heck kletterte es, aber nicht so schnell oder effizient.

Die Forscher fanden heraus, dass es die größte Effizienz – 20 Prozent – ​​erreicht, wenn das Heck um 120 Grad (oder 60 Grad nach .) hin und her schwingt auf jeder Seite gerade nach unten), wenn der Schwanz 1,125 Mal pro Sekunde hin und her schwang und wenn die Klauen 4,9 Zoll voneinander entfernt waren.

Als das Heck zweimal pro Sekunde schwang, war es zu schnell und ROCR sprang von der Wand und wurde von einer Sicherheitsschnur aufgefangen, damit es nicht beschädigt wurde.

Provancher sagt, die Studie sei die erste einen Maßstab für die Effizienz von Kletterrobotern zu setzen, mit dem zukünftige Modelle verglichen werden können. Er sagt, dass zukünftige Arbeiten die Verbesserung des Roboterdesigns, die Integration komplexerer Mechanismen zum Greifen an Wänden verschiedener Art, wie Ziegel und Sandstein, und die Untersuchung komplexerer Möglichkeiten zur Steuerung des Roboters umfassen – alles mit dem Ziel, die Effizienz zu verbessern.

„Höhere Steigeffizienzen verlängern die Batterielebensdauer eines in sich geschlossenen, autonomen Roboters und erweitern die Vielfalt der Aufgaben, die der Roboter ausführen kann“, sagt er.

William Provancher, University of Utah.

Der oszillierende Kletterroboter ROCR, der vom Maschinenbauingenieur William Provancher und Kollegen der University of Utah entwickelt wurde, kann mit zwei hakenartigen Klauen, einem Motor und einem Schwanz, der wie das Pendel einer Standuhr schwingt, effizient auf Teppichwände klettern. Mit einem Gewicht von nur 1,2 Pfund und einer Länge von 12,2 Zoll in der Breite und Länge von 18 Zoll bietet es potenzielle Verwendungszwecke für Überwachung, Inspektion, Wartung, Lehringenieurwesen und sogar als Spielzeug.