Robot rampicante morbido con piedi magnetici per la locomozione multimodale

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8377 (2023) Citare questo articolo

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I robot di ispezione che possono essere utilizzati per ispezionare strutture create dall’uomo hanno un potenziale significativo per le applicazioni industriali, ma i robot morbidi esistenti non sono adatti per l’esplorazione di strutture metalliche complesse con molti ostacoli. Questo articolo propone un robot per l'arrampicata morbida adatto a tali condizioni poiché il robot utilizza piedi con un'adesione magnetica controllabile. Utilizza attuatori gonfiabili morbidi per controllare questa adesione e la deformazione del corpo. Il robot proposto è costituito da un corpo robot che può piegarsi e allungarsi, piedi robot che possono aderire e staccarsi magneticamente dalla superficie metallica e giunti rotanti che collegano ciascun piede al corpo per conferire al robot ulteriore flessibilità. Combina attuatori morbidi estensionali per la deformazione del corpo e attuatori lineari contrattili per i piedi del robot, e il robot può produrre deformazioni complesse del corpo che gli consentono di superare una varietà di scenari. Le capacità del robot proposto sono state verificate attraverso l'implementazione di tre scenari su superfici metalliche: gattonare, arrampicarsi e passare da una superficie all'altra. I robot potrebbero strisciare o arrampicarsi in modo quasi intercambiabile, potrebbero passare da e verso superfici orizzontali a superfici verticali verso l'alto o verso il basso.

Le strutture in acciaio sono utilizzate in vari campi industriali che vanno dalle strutture di ingegneria civile alle attrezzature e veicoli specializzati come gru a portale, container, ponti, veicoli ferroviari e grandi macchinari edili. I controlli di sicurezza e gli interventi di manutenzione su queste strutture dipendono attualmente interamente dalla manodopera, ma queste strutture sono spesso molto grandi e composte da un complesso assemblaggio di montanti o pannelli uniti tra loro. Queste caratteristiche rendono l'ispezione di queste strutture lunga, noiosa e possono causare lesioni al lavoratore attraverso movimenti ripetuti o cadute. Per questi motivi sono stati sviluppati vari tipi di robot di ispezione per questi tipi di strutture1,2.

Sono stati sviluppati diversi tipi di robot rigidi che possono aderire a diverse superfici utilizzando diversi metodi di fissaggio. I metodi di arrampicata sui muri per i robot a quattro zampe sono stati sviluppati attraverso l'uso di magneti, ganci, strutture ispirate ai gechi e cuscinetti di adesione bagnati3,4,5,6,7. Sono stati sviluppati approcci per robot a quattro ruote in grado di aderire alle pareti utilizzando ventilatori elettrici o magneti mentre le ruote muovono il robot8,9. Sono stati utilizzati robot striscianti che utilizzano cingoli con diversi meccanismi di adesione come magneti o ventose in grado di eseguire movimenti avanzati come lo spostamento dal suolo al muro e il superamento di ostacoli10,11,12. È stato dimostrato che robot biomimetici simili a vermi con meccanismi simili hanno una notevole capacità di superare gli ostacoli13,14. I robot con sistemi di rilevamento e batterie integrati hanno dimostrato la loro capacità di analizzare la fatica e le crepe sui ponti15,16. Tuttavia, questi robot che utilizzano motori e meccanismi rigidi sono ingombranti e privi di flessibilità, tanto che sono limitati a funzionare in ambienti molto aperti come superfici regolari e continue con ampi spazi liberi e con pochi ostacoli.

I robot morbidi sono intrinsecamente conformi grazie ai materiali morbidi di cui sono composti e questa conformità consente loro di essere altamente adattabili al loro ambiente17,18. Sono stati sviluppati robot biomimetici per vermi e vermi che utilizzano l'attrito per la locomozione strisciante19,20,21,22. Ma questi non hanno dimostrato di essere in grado di arrampicarsi sui muri. Possono essere modificati per l'arrampicata sui tubi utilizzando i piedi che avvolgono la sezione esterna del tubo per produrre una forza di presa23,24,25,26 e attraverso l'interno dei tubi espandendo i piedi per creare attrito con il tubo27,28, 29. I piedi dei robot biomimetici che utilizzano andature ispirate al geco e al verme possono essere sostituiti da ventose per aumentare l'adesione e consentire l'arrampicata su superfici verticali come le pareti30,31,32. L'uso di corpi flettenti segmentati e omnidirezionali ha consentito la transizione tra terreno e parete33,34, ma ciò non è stato dimostrato per la transizione verso pareti ad angolo retto verso il basso rispetto al suolo. Un potenziale problema con l'uso delle ventose per l'adesione è che funzionano solo su superfici piane e non strutturate, il che limita fortemente la loro applicazione in scenari reali. Come alternativa sono stati sviluppati robot striscianti adesivi elettrostatici35,36,37, ma richiedono tensioni elevate per il funzionamento che potrebbero non essere sicure in un ambiente industriale.