Robot trepa paredes para tareas de vigilancia, inspección y mantenimiento

Con dos garras, un motor y una cola que se balancea como el péndulo de un reloj de pie, un pequeño robot llamado ROCR ("balancín") trepa por una pared alfombrada de 8 pies en poco más de 15 segundos:el primer robot de este tipo diseñado para trepar de manera eficiente. y moverse como escaladores humanos o simios columpiándose a través de los árboles.

“Si bien este robot eventualmente puede usarse para inspección, mantenimiento y vigilancia, probablemente el mayor potencial a corto plazo sea como herramienta de enseñanza o como un juguete realmente genial ”, dice el desarrollador de robots William Provancher, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Utah.

Su estudio sobre el desarrollo del robot trepador oscilante ROCR está programado para su publicación en línea este mes por Transactions on Mechatronics, una revista del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos y la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos.

Provancher y sus colegas escribieron que la mayoría de los robots trepadores “están diseñados para mantenimiento o inspección en entornos como el exterior de edificios, puentes o presas, tanques de almacenamiento, instalaciones nucleares o reconocimiento dentro de los edificios ”.

Pero hasta ahora, la mayoría de los robots trepadores no se diseñaron teniendo en cuenta la eficiencia, solo objetivo básico:no caerse de la pared por la que están trepando.

“Si bien los robots trepadores anteriores se han centrado en cuestiones como la velocidad, la adherencia a la pared y la decisión de cómo y dónde moverse, ROCR es la primera para concentrarse en escalar de manera eficiente ”, dice Provancher.

Un robot escalador anterior ha ascendido aproximadamente cuatro veces más rápido que ROCR, que puede escalar a 6.2 pulgadas por segundo, pero ROCR logró un 20 por ciento de eficiencia en las pruebas de escalada, “Lo cual es relativamente impresionante dado que el motor de un automóvil tiene aproximadamente un 25 por ciento de eficiencia”, dice Provancher.

La eficiencia del robot se define como la relación entre el trabajo realizado en el acto de escalar y la energía eléctrica consumida por el robot, dice.

El desarrollador de Provancher Mark Fehlberg, un estudiante de doctorado en ingeniería mecánica de la Universidad de Utah, y Samuel Jensen-Segal, un ex estudiante de maestría de Utah que ahora trabaja como ingeniero en New Hampshire, escribieron en colaboración, pruebas y estudio del robot autónomo. empresa.

La Fundación Nacional de Ciencias y la Universidad de Utah financiaron la investigación.

ROCR es un swinger que se abre camino hasta la cima
Otros investigadores han estudiado una variedad de formas para que los robots trepadores se adhieran a las paredes, incluidos adhesivos secos, microespinas, las llamadas espinas "dactyl" o garras grandes como ROCR, ventosas, imanes e incluso una mezcla de adhesivo y garras para imitar a los geckos trepadores de paredes.

Ahora que se han probado y probado varios métodos para que los robots trepen una variedad de superficies de paredes, “si va a tener un robot con versatilidad y misión -En la vida, la eficiencia llega a lo más alto de la lista de cosas en las que concentrarse ”, dice Provancher.

Sin embargo,“ hay mucho más trabajo por hacer ”antes de que los robots trepadores sean de uso común, agrega.

Algunos robots trepadores anteriores han sido grandes, con dos a ocho patas. ROCR, en contraste, es pequeño y liviano:solo 12.2 pulgadas de ancho, 18 pulgadas de largo de arriba a abajo y pesa solo 1.2 libras.

El motor que impulsa la cola del robot y una curva, similar a una viga barra estabilizadora adjunta a la parte superior del cuerpo del robot. La parte superior del cuerpo también tiene dos pequeñas garras de acero en forma de gancho para hundirse en una pared alfombrada mientras el robot sube. Sin el estabilizador, las garras de ROCR tendían a alejarse de la pared a medida que subía y caía.

El motor impulsa un engranaje en la parte superior de la cola, lo que hace que la cola se balancee hacia adelante y hacia atrás, lo que impulsa el robot hacia arriba. Una batería está al final de la cola y proporciona la masa necesaria para mover el robot hacia arriba.

“Alternativamente, ROCR agarra la pared con una mano a la vez y balancea su cola, causando un centro del cambio de gravedad que levanta su mano libre, que luego se agarra a la superficie de escalada ”, dice el estudio. "Las manos intercambian tareas de agarre y ROCR mueve su cola en la dirección opuesta".

ROCR es autónomo y autónomo, con una microcomputadora, sensores y electrónica de potencia para ejecutar los movimientos de cola deseados para hacerlo subir .

Provancher dice que para lograr la eficiencia, ROCR imita a los animales y las máquinas.

“Persigue este objetivo de eficiencia con un diseño que imita los sistemas eficientes tanto en la naturaleza como creados por el hombre, " él dice. “Imita un gibón que se balancea entre los árboles y el péndulo de un reloj de pie, ambos extremadamente eficientes”.

El estudio dice:“Las innovaciones centrales de ROCR:su estrategia de escalada energéticamente eficiente y simple diseño mecánico:surgen de la observación de los cambios de masa en los escaladores humanos y el movimiento braquiativo [de balanceo] en los animales ”.

Simulación y prueba de un robot trepador
Antes de probar el robot en sí, Provancher y sus colegas utilizaron software de computadora para simular la escalada de ROCR, utilizando dicha simulación para evaluar las estrategias de escalada más eficientes y afinar las características físicas del robot.

Luego, realizaron experimentos, variando qué tan rápido y qué tan lejos se balanceaba la cola del robot, para determinar cómo hacer que el robot trepara de manera más eficiente por una pieza de madera contrachapada de 8 pies de altura cubierta con una alfombra de pelo corto.

El robot operó más rápido y de manera más eficiente cuando se acercó a la resonancia, cerca de la frecuencia natural del robot, de manera similar a la forma en que el péndulo de un reloj de pie oscila en su frecuencia natural. Con su cola balanceándose más lentamente, subió pero no tan rápida o eficientemente.

Los investigadores encontraron que lograba la mayor eficiencia - 20 por ciento - cuando la cola giraba hacia adelante y hacia atrás 120 grados (o 60 grados para cada lado de hacia abajo), cuando la cola se balanceaba hacia adelante y hacia atrás 1,125 veces por segundo y cuando las garras estaban separadas 4,9 pulgadas.

Cuando la cola se balanceó dos veces por segundo, fue demasiado rápido y ROCR saltó de la pared y fue atrapado por un cordón de seguridad para que no se dañara.

Provancher dice que el estudio es el primero establecer un punto de referencia para la eficiencia de los robots trepadores con el que se puedan comparar los modelos futuros. Él dice que el trabajo futuro incluirá la mejora del diseño del robot, la integración de mecanismos más complejos para agarrar paredes de varios tipos, como ladrillos y areniscas, e investigar formas más complejas de controlar el robot, todo con el objetivo de mejorar la eficiencia.

“Una mayor eficiencia de escalada extenderá la vida útil de la batería de un robot autónomo y autónomo y ampliará la variedad de tareas que el robot puede realizar”, dice.

William Provancher, Universidad de Utah.

El robot de escalada oscilante ROCR desarrollado por el ingeniero mecánico de la Universidad de Utah William Provancher y sus colegas puede escalar paredes alfombradas de manera eficiente utilizando dos garras en forma de gancho, un motor y una cola que se balancea como el péndulo de un reloj de pie. Con un peso de solo 1.2 libras y una medida de 12.2 pulgadas de ancho por 18 pulgadas de largo, tiene usos potenciales para vigilancia, inspección, mantenimiento, enseñanza de ingeniería e incluso como juguete.