Robô escala paredes para tarefas de vigilância, inspeção e manutenção

Empunhando duas garras, um motor e uma cauda que balança como o pêndulo de um relógio de pêndulo, um pequeno robô chamado ROCR ("rocker") escala uma parede acarpetada de 2,5 metros em pouco mais de 15 segundos - o primeiro robô projetado para escalar com eficiência e se movem como alpinistas humanos ou macacos balançando em árvores.

“Embora este robô eventualmente possa ser usado para inspeção, manutenção e vigilância, provavelmente o maior potencial de curto prazo é como uma ferramenta de ensino ou como um brinquedo muito legal ”, diz o desenvolvedor de robôs William Provancher, professor assistente de engenharia mecânica na Universidade de Utah.

Seu estudo sobre o desenvolvimento do ROCR Oscillating Climbing Robot deve ser publicado online este mês pela Transactions on Mechatronics, um jornal do Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos e da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos.

Provancher e seus colegas escreveram que a maioria dos robôs escaladores “se destinam à manutenção ou inspeção em ambientes como o exterior de edifícios, pontes ou represas, tanques de armazenamento, instalações nucleares ou reconhecimento dentro de edifícios. ”

Mas até agora, a maioria dos robôs escaladores não foram projetados com eficiência em mente, apenas com mais objetivo básico:não cair da parede que estão escalando.

“Embora os robôs de escalada anteriores se concentrassem em questões como velocidade, aderência à parede e decisão de como e para onde se mover, o ROCR é o primeiro para se concentrar na escalada com eficiência ”, diz Provancher.

Um robô escalador anterior subiu cerca de quatro vezes mais rápido do que o ROCR, que pode subir a 6,2 polegadas por segundo, mas o ROCR alcançou 20 por cento de eficiência em testes de escalada, “O que é relativamente impressionante, dado que o motor de um carro tem aproximadamente 25% de eficiência”, afirma Provancher.

A eficiência do robô é definida como a relação entre o trabalho realizado no ato de subir e a energia elétrica consumida por o robô, diz ele.

Desenvolvimento do provedor elopment, teste e estudo do robô autocontido foi co-autoria de Mark Fehlberg, um aluno de doutorado em engenharia mecânica da Universidade de Utah, e Samuel Jensen-Segal, um ex-aluno de mestrado de Utah agora trabalhando como engenheiro para um New Hampshire companhia.

A National Science Foundation e a University of Utah financiaram a pesquisa.

ROCR é um Swinger que se arremessa para o topo
Outros pesquisadores estudaram uma variedade de maneiras de escalar robôs para grudar em paredes, incluindo adesivos secos, microespinhos, os chamados espinhos "dáctilos" ou garras grandes como ROCRs, ventosas, ímãs e até mesmo uma mistura de adesivo e garras para imitar lagartixas que escalam paredes.

Agora que vários métodos foram testados e comprovados para robôs escalarem uma variedade de superfícies de parede, “se você quiser ter um robô com versatilidade e missão -vida, a eficiência sobe para o topo da lista de coisas em que se concentrar ", diz Provancher.

No entanto," há muito mais trabalho a ser feito "antes que os robôs de escalada sejam de uso comum, ele acrescenta.

Alguns robôs escaladores anteriores eram grandes, com duas a oito pernas. O ROCR, por outro lado, é pequeno e leve:apenas 12,2 polegadas de largura, 18 polegadas de comprimento de cima para baixo e pesando apenas 1,2 libra.

O motor que aciona a cauda do robô e uma estrutura curva, semelhante a uma viga. barra estabilizadora anexada à parte superior do corpo do robô. A parte superior do corpo também tem duas pequenas garras de aço em forma de gancho para afundar em uma parede acarpetada enquanto o robô sobe. Sem o estabilizador, as garras do ROCR tendiam a se mover para longe da parede conforme ele subia e caía.

O motor aciona uma engrenagem no topo da cauda, ​​fazendo com que ela balance para frente e para trás, o que impulsiona o robô para cima. Uma bateria está no final da cauda e fornece a massa necessária para girar o robô para cima.

“O ROCR alternativamente agarra a parede com uma mão de cada vez e balança a cauda, ​​causando um centro de mudança de gravidade que levanta sua mão livre, que então agarra a superfície de escalada ”, diz o estudo. “As mãos trocam de funções de aperto e o ROCR balança a cauda na direção oposta.”

O ROCR é independente e autônomo, com um microcomputador, sensores e eletrônica de potência para executar os movimentos desejados da cauda para fazê-lo subir .

Provancher diz que para alcançar eficiência, ROCR imita animais e máquinas.

“Ele persegue este objetivo de eficiência com um design que imita sistemas eficientes tanto na natureza quanto feitos pelo homem, " ele diz. “Ele imita um gibão balançando entre as árvores e o pêndulo de um relógio de pêndulo, ambos extremamente eficientes.”

O estudo diz:“As principais inovações do ROCR - sua estratégia de escalada com eficiência energética e simples projeto mecânico - surge da observação de deslocamento de massa em alpinistas humanos e movimento braquiativo [de balanço] em animais. ”

Simulando e testando um robô escalador
Antes de testar o próprio robô, Provancher e seus colegas usaram um software de computador para simular a escalada do ROCR, usando essa simulação para avaliar as estratégias de escalada mais eficientes e ajustar as características físicas do robô.

Em seguida, eles conduziu experimentos, variando a velocidade e a distância em que a cauda do robô balançava, para determinar como fazer o robô escalar com mais eficiência um pedaço de compensado de 2,5 metros de altura coberto com um tapete de felpa curta.

O robô operou com mais rapidez e eficiência quando funcionou próximo à ressonância - próximo à frequência natural do robô - semelhante à maneira como o pêndulo de um relógio de pêndulo oscila em sua frequência natural. Com a cauda balançando mais lentamente, ele escalou, mas não tão rápida ou eficientemente.

Os pesquisadores descobriram que ele alcançava a maior eficiência - 20 por cento - quando a cauda balançava para frente e para trás 120 graus (ou 60 graus para cada lado direto para baixo), quando a cauda balançava para frente e para trás 1,125 vezes por segundo e quando as garras estavam espaçadas 4,9 polegadas.

Quando a cauda balançou duas vezes por segundo, foi muito rápido e o ROCR saltou da parede e foi preso por um cabo de segurança, de modo que não foi danificado.

Provancher diz que o estudo é o primeiro para definir uma referência para a eficiência de escalar robôs com os quais os modelos futuros podem ser comparados. Ele diz que o trabalho futuro incluirá a melhoria do design do robô, integrando mecanismos mais complexos para agarrar paredes de vários tipos, como tijolo e arenito, e investigando maneiras mais complexas de controlar o robô - tudo com o objetivo de melhorar a eficiência.

“Eficiências de escalada mais altas estenderão a vida útil da bateria de um robô autônomo e autônomo e expandirão a variedade de tarefas que o robô pode realizar”, diz ele.
William Provancher, Universidade de Utah.

O ROCR Oscillating Climbing Robot desenvolvido pelo engenheiro mecânico William Provancher da Universidade de Utah e seus colegas podem escalar paredes acarpetadas com eficiência usando duas garras em forma de gancho, um motor e uma cauda que balança como o pêndulo de um relógio de pêndulo. Pesando apenas 1,2 libra e medindo 12,2 polegadas de largura por 18 polegadas de comprimento, ele tem usos potenciais para vigilância, inspeção, manutenção, ensino de engenharia e até mesmo como um brinquedo.