Robot trepador suave con pies magnéticos para locomoción multimodal

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 8377 (2023) Citar este artículo

590 Accesos

Detalles de métricas

Los robots de inspección que se pueden usar para inspeccionar estructuras hechas por el hombre tienen un potencial significativo para aplicaciones industriales, pero los robots blandos existentes no son adecuados para la exploración de estructuras metálicas complejas con muchos obstáculos. Este documento propone un robot de escalada suave muy adecuado para tales condiciones, ya que el robot utiliza pies con una adherencia magnética controlable. Utiliza actuadores inflables blandos para controlar esta adherencia, así como la deformación del cuerpo. El robot propuesto consiste en un cuerpo de robot que puede doblarse y alargarse, pies de robot que pueden adherirse y separarse magnéticamente de superficies metálicas, y juntas giratorias que conectan cada pie al cuerpo para darle al robot flexibilidad adicional. Combina actuadores suaves extensionales para la deformación del cuerpo y actuadores lineales contráctiles para los pies del robot, y el robot puede producir deformaciones complejas del cuerpo que le permiten superar una variedad de escenarios. Las capacidades del robot propuesto se verificaron mediante la implementación de tres escenarios sobre superficies metálicas: gatear, escalar y transiciones entre superficies. Los robots podían gatear o escalar casi indistintamente, podían hacer la transición hacia y desde superficies horizontales a superficies verticales hacia arriba o hacia abajo.

Las estructuras de acero se utilizan en diversos campos industriales, desde instalaciones de ingeniería civil hasta equipos y vehículos especializados, como grúas pórtico, contenedores, puentes, vehículos ferroviarios y maquinaria de construcción de gran tamaño. Los controles de seguridad y el trabajo de mantenimiento de estas estructuras actualmente dependen completamente de la mano de obra, pero estas estructuras suelen ser muy grandes y están compuestas por un conjunto complejo de puntales o paneles unidos entre sí. Estas características hacen que la inspección de estas estructuras consuma mucho tiempo, sea tediosa y pueda causar lesiones al trabajador por movimientos repetidos o caídas. Por estas razones, se han desarrollado varios tipos de robots de inspección para este tipo de estructuras1,2.

Se han desarrollado diversos tipos de robots rígidos que pueden adherirse a diversas superficies utilizando diferentes métodos de fijación. Los métodos para trepar paredes para robots trepadores de cuatro patas se han desarrollado mediante el uso de imanes, ganchos, estructuras inspiradas en gecos y almohadillas de adhesión húmedas3,4,5,6,7. Se han desarrollado enfoques para robots de cuatro ruedas capaces de adherirse a las paredes utilizando ventiladores de conductos eléctricos o utilizando imanes mientras las ruedas mueven el robot8,9. Se han utilizado robots reptantes que utilizan pistas con diferentes mecanismos de adherencia como imanes o ventosas capaces de realizar movimientos avanzados como pasar del suelo a la pared y superar obstáculos10,11,12. Se ha demostrado que los robots biomiméticos similares a gusanos con mecanismos similares tienen una notable capacidad para superar obstáculos13,14. Los robots con sistemas de detección a bordo y baterías han demostrado sus capacidades para analizar la fatiga y las grietas en los puentes15,16. Sin embargo, estos robots que utilizan motores y mecanismos rígidos son voluminosos y carecen de flexibilidad, de modo que se limitan a operar en entornos muy abiertos, como superficies regulares y continuas con grandes espacios libres y con pocos obstáculos.

Los robots blandos son inherentemente compatibles debido a los materiales blandos de los que están compuestos, y este cumplimiento les permite ser altamente adaptables a su entorno17,18. Se han desarrollado robots biomiméticos de gusanos y orugas que utilizan la fricción para la locomoción de rastreo19,20,21,22. Pero estos no han demostrado ser capaces de escalar paredes. Se pueden modificar para escalar tuberías usando pies que envuelven la sección exterior de la tubería para producir una fuerza de agarre23,24,25,26, y a través del interior de las tuberías expandiendo sus pies para crear fricción con la tubería27,28, 29 Los pies de los robots biomiméticos que usan marchas inspiradas en gecos y gusanos pueden reemplazarse por ventosas para aumentar la adherencia y permitir la escalada de superficies verticales como paredes30,31,32. El uso de cuerpos de flexión segmentados y omnidireccionales ha permitido la transición entre el suelo y la pared33,34, pero esto no se ha demostrado para la transición a paredes en un ángulo recto hacia abajo desde el suelo. Un problema potencial con el uso de ventosas para la adhesión es que solo funcionan en superficies planas y sin textura, lo que limita severamente su aplicación en escenarios reales. Los robots de arrastre con adhesivo electrostático se han desarrollado como una alternativa35,36,37, pero requieren altos voltajes para su funcionamiento, lo que puede no ser seguro en un entorno industrial.

Este artículo propone un robot trepador que utiliza adherencia magnética y hace uso de actuadores inflables blandos para controlar la adherencia magnética de los pies y deformar el cuerpo. Esto permite que el robot opere fácilmente en superficies magnéticas y haga la transición entre superficies perpendiculares. El cuerpo del robot consta de un mecanismo de tijera deformable capaz de deformarse lineal, horizontal y verticalmente, y utiliza actuadores blandos de extensión con una configuración inicial en zigzag para producir fuerzas de extensión para impulsar la deformación del cuerpo del robot. También tiene juntas giratorias en cada extremo del cuerpo para aumentar el rango de movimiento del robot. Se muestra el diseño y montaje del robot seguido de una evaluación del rendimiento de los elementos individuales del robot. Finalmente, se demuestran las capacidades del robot para gatear, escalar y hacer transiciones entre superficies perpendiculares.

En este trabajo se propone un robot blando reptante con pies magnéticos donde se utilizan actuadores inflables blandos para deformar el cuerpo y controlar la adhesión magnética de los pies del robot (Fig. 1a). El robot consta de un cuerpo de robot que se dobla, pies magnéticos y articulaciones giratorias que conectan cada pie al cuerpo para dar flexibilidad adicional al movimiento del cuerpo cuando se cambia de una superficie a otra. El cuerpo puede doblarse bidireccionalmente, contraerse y extenderse, y es responsable de los movimientos de gateo y giro. Las juntas de rotación se utilizan específicamente para la transición entre superficies, como entre el suelo y una pared. La particularidad de este robot que se arrastra es su capacidad para unirse y separarse magnéticamente de superficies magnéticas mediante actuadores inflables blandos.

(a) Diseño de robot que consta de dos pies, dos juntas rotatorias y un cuerpo de robot, (b) ensamblaje de pie magnético, (c) ensamblaje de junta rotacional y (d) ensamblaje de cuerpo de robot.

Cada pie de robot consta de dos superficies ubicadas en un mismo plano donde una se fija y la otra puede deformarse alrededor de su centro a través de bisagras vivas (Fig. 1b). Los imanes se ubican en la superficie deformable y la adhesión se produce cuando ambas superficies se encuentran en el mismo plano. La rotación de la superficie que contiene los imanes hace que los imanes se desprendan del suelo y los pies pierdan adherencia. Se utiliza una estructura de soporte rígida para conectar los pies a la articulación rotacional y se utilizan motores de bolsa para separar los imanes del suelo38,39. Estos motores de bolsa están hechos de un tejido técnico de nailon cubierto de poliuretano termoplástico (TPU) que se sella con un sellador de impulso. Se adjuntan tres imanes de neodimio a la izquierda y derecha de la superficie plegable de cada pie para un total de seis imanes por pie. Los imanes son imanes permanentes que tienen una potencia magnética de 5000 Gauss y son suficientes para mantener la adherencia del robot a las superficies magnéticas en diferentes orientaciones.

Las articulaciones de rotación que unen los pies al cuerpo consisten en una articulación de un solo grado de libertad (DOF) con un eje de rotación rígido que puede girar en la dirección vertical (Fig. 1c). El accionamiento de esta articulación se logra mediante la presurización de actuadores extensibles suaves instalados entre la articulación y el cuerpo. Aunque el cuerpo puede doblarse en la misma dirección que la articulación, el cuerpo produce una deformación por flexión suave y bastante limitada, mientras que las articulaciones giratorias producen una deformación alrededor de un eje definido en cada extremo del robot. Este movimiento es necesario para que los extremos del robot tengan la capacidad de buscar puntos de adhesión mientras se mantiene la adhesión de los pies del robot al realizar la transición entre superficies perpendiculares.

El cuerpo del robot consta de un mecanismo de tijera flexible con actuadores suaves de extensión que se utilizan para producir la contracción y extensión del mecanismo de tijera (Fig. 1d). Los mecanismos de tijera generalmente se utilizan para producir deformaciones lineales rígidas a lo largo de un solo eje, pero el mecanismo de tijera utilizado en el robot está hecho de piezas de TPU impresas en 3D cuya flexibilidad permite que el mecanismo se doble lateralmente en las direcciones horizontal y vertical. Los actuadores blandos extensibles se colocan en cada uno de los cuatro lados del mecanismo de modo que los actuadores de las partes superior e inferior del robot doblen el robot en la dirección opuesta, y los de los lados del robot hagan que el robot se doble hacia el lado opuesto. actuadores presurizados. La extensión del cuerpo se produce por el accionamiento simultáneo de los actuadores superior e inferior, y su contracción por el accionamiento simultáneo de los actuadores laterales.

Como se mencionó anteriormente, la deformación del mecanismo de tijera y las juntas de rotación se realiza a través de actuadores extensibles suaves que consisten en dos tubos inflables colocados a ambos lados de una estructura flexible en forma de zigzag. Los tubos inflables están hechos del mismo material que el motor de la bolsa y la estructura flexible en forma de zigzag está hecha del mismo material de TPU que el mecanismo de tijera. Los tubos inflables se doblan inicialmente siguiendo la forma de la estructura flexible en forma de zigzag y se inflan en una posición recta tras la presurización, lo que produce una gran fuerza entre ambos extremos del actuador. El desinflado de los tubos hace que la estructura flexible los empuje hacia atrás hasta su posición original.

El control neumático de los actuadores se realiza mediante un controlador en tiempo real (CompactRIO, NI), dos reguladores electroneumáticos (ITV2030, SMC) con ocho canales neumáticos cada uno y una bomba neumática externa para suministrar la presión de aire (Fig. 1e). Diez de los dieciséis canales se usan para controlar el robot, donde dos se usan para el pie delantero y trasero, cuatro para los actuadores de extensión superior e inferior del pie delantero y trasero, dos para los actuadores de extensión superior e inferior del cuerpo, y dos para los actuadores de extensión izquierdo y derecho del cuerpo.

El proceso de conexión y desconexión de los pies magnéticos de la superficie de contacto es necesario para producir la locomoción basada en el anclaje típica de los robots oruga. Los pies se adhieren a las superficies ferromagnéticas utilizando los imanes permanentes ubicados en cada pie y se utilizan motores de bolsa para separar la superficie que contiene los imanes de la superficie de contacto. Cuando se inflan, los motores de la bolsa se expanden lateralmente y se contraen a lo largo mientras producen una fuerza que hace girar los extremos libres de la superficie inferior que contiene los imanes (Fig. 2a). Una vez separados de la superficie ferromagnética, los imanes producen solo una fuerza magnética débil. Cuando los motores de la bolsa están despresurizados, la superficie inferior que contiene los imanes se desdobla hacia la superficie ferromagnética debido a la fuerza producida por los imanes.

(a) Deformación de los pies para la prueba de adherencia, y (b) resultados de la prueba de fuerza de adherencia para los pies en diferentes ángulos de superficie magnética.

La fuerza adhesiva del pie del robot en diferentes ángulos se midió variando el ángulo de la superficie magnética utilizando un limitador de ángulo físico y accionando los motores de la bolsa. Luego, el ensamblaje del pie se extrae de la superficie magnética utilizando una máquina de ensayo de tracción lineal (ESM-750, MARK-10) equipada con un dinamómetro de 100 N (M5-20, MARK-10) y una velocidad lineal de 40 mm/ minutos Se requiere una fuerza de 36 N para separar los pies cuando la superficie magnética está en un ángulo de 0° (Fig. 2b). Cambiar el ángulo de la superficie magnética incluso ligeramente reduce significativamente la fuerza de adhesión que se reduce a 5,42 N en un ángulo de 5° y 1,76 N en un ángulo de 20°. Esta fuerza es suficiente para mantener los pies en superficies no horizontales pero permitiéndoles deslizarse a lo largo de la superficie mientras el otro pie permanece en una posición fija.

La deformación del cuerpo del robot se produce mediante el inflado de actuadores extensibles blandos. Estos actuadores blandos consisten en dos tubos inflables colocados a ambos lados de una estructura deformable en forma de zigzag que se despliega al presurizar los tubos (Fig. 3a). En el robot se usan tres dimensiones de estos actuadores y las diferentes dimensiones y ubicaciones donde se usan se muestran en la Tabla 1. La deformación de extensión del equilibrio de los diferentes actuadores se probó sin ninguna carga útil usando un marcador con el desplazamiento registrado usando un dispositivo de seguimiento de movimiento (Optitrack, V120:Trio). Todas las dimensiones exhibieron una gran deformación incluso a presiones de 20 kPa y luego un ligero aumento a medida que la presión aumenta a 120 kPa (Fig. 3b). Los tubos se vuelven rectos simultáneamente, lo que aumenta su longitud a lo largo del eje del actuador y se contrae a lo largo del tubo debido al redondeo de su estructura. Por lo tanto, se observó que los actuadores con tubos más anchos se extendían menos que los que tenían tubos más delgados, ya que los tubos más anchos se encogían a lo largo de su longitud debido al redondeo más pronunciado de su estructura. También en comparación con los actuadores de 20 mm de ancho, los actuadores con un ancho de 15 mm muestran un rango de error significativamente mayor, especialmente a presiones más bajas. Esto se debe a que la presión comienza a deformar el esqueleto que resiste la expansión y puede causar deformaciones laterales que resultan en mayores variaciones en la primera parte de la deformación. El comportamiento de fuerza versus desplazamiento de cada dimensión del actuador se midió desde su punto de equilibrio respectivo (Fig. 3c), y los actuadores produjeron una fuerza relativamente constante durante todo el movimiento. Los actuadores más anchos pudieron producir una fuerza máxima más alta para la misma longitud del actuador, mientras que los actuadores más largos produjeron una fuerza ligeramente menor que los más cortos debido a que los tubos se deformaban lateralmente más fácilmente.

(a) Desplazamiento del actuador extensible suave, (b) la deformación de extensión frente a la presión para diferentes dimensiones del actuador, y (c) la fuerza frente a la deformación para diferentes dimensiones del actuador a una presión de 120 kPa.

El mecanismo de tijera flexible en combinación con los actuadores extensibles blandos es lo que permite la deformación del robot. La locomoción del gateo hacia adelante en dirección horizontal o vertical se logra extendiendo y contrayendo alternativamente el cuerpo. La extensión del cuerpo se logra presurizando simultáneamente los actuadores blandos extensibles superior e inferior para extender el cuerpo del robot con los actuadores laterales despresurizados, y la contracción del cuerpo presurizando los actuadores laterales con los actuadores superior e inferior despresurizados.

La flexión lateral del cuerpo se logra presurizando los actuadores en el lado hacia el que se hace que el robot se doble. En posición horizontal, se midió el ángulo entre los dos extremos de los robots para diferentes valores de presiones en los actuadores (Fig. 4a). Se puede ver que el ángulo cambia de forma relativamente lineal con un aumento de la presión ya que el cuerpo del robot ofrece una resistencia que aumenta con su desplazamiento (Fig. 4b, c). La flexión vertical del cuerpo se logra presurizando los actuadores en el lado opuesto hacia el que se hace que el robot se doble (Fig. 4d). Primero, se hizo que el robot se doblara hacia arriba desde la posición horizontal inflando los actuadores inferiores (Fig. 4e). En este caso, es necesaria una presión suficiente para levantar el extremo libre del robot y alcanza un ángulo de 78° a una presión de 120 kPa. La flexión hacia abajo se puede hacer usando solo la gravedad, pero los actuadores superiores se pueden usar para producir una forma redondeada que puede ayudar a despejar las esquinas cuando se hace la transición entre superficies paralelas. El ángulo máximo alcanzado mientras se dobla hacia abajo es de 102° a una presión de 120 kPa (Fig. 4f). Se puede ver algún error de deformación angular en la mayoría de los resultados que probablemente se deba a la fricción en el cuerpo, las no linealidades del propio actuador y las no linealidades generales del mecanismo de tijera deformable del cuerpo del robot. Los valores de ángulo de los experimentos anteriores se midieron usando marcadores en el cuerpo y los pies y usando funciones trigonométricas para extraer el ángulo usando un dispositivo de seguimiento de movimiento (Optitrack, V120: Trio).

(a) Rango de movimiento lateral del robot cuando se coloca en el plano horizontal. Ángulo de flexión versus presión del cuerpo del robot cuando (b) se dobla hacia la izquierda y (c) se dobla hacia la derecha. (d) Rango de movimiento del robot en el plano vertical, (e) ángulo de flexión versus presión cuando se dobla hacia arriba y (f) hacia abajo.

Las juntas de rotación que conectan el cuerpo con los pies pueden producir una deformación concentrada en cada extremo del robot (Fig. 5a). Esta articulación contiene accionadores de extensión superior e inferior ubicados en las partes superior e inferior de la articulación. Girar la junta hacia arriba requiere la presurización del actuador inferior y la junta está inicialmente en un ángulo negativo con respecto a la horizontal cuando los actuadores no están presurizados. El ángulo de la articulación se midió usando un marcador y un dispositivo de seguimiento de movimiento como se hizo anteriormente. La presurización del actuador inferior permite que la junta alcance su ángulo ascendente máximo de 38° a una presión de 120 kPa (Fig. 5b). En este caso, existe un rango de error particularmente grande de 60 a 80 kPa que se debe a las no linealidades del actuador utilizado en la junta. Este ángulo máximo se debe al límite mecánico del diseño de la junta. La rotación hacia abajo requiere presurizar el actuador superior y la junta en esta dirección puede alcanzar un ángulo de -55° a una presión de 120 kPa (Fig. 5c). Este rango de movimiento es suficiente para ayudar al robot a superar una amplia gama de obstáculos.

(a) Deformación de la junta de rotación, (b) ángulo de rotación frente a la presión al girar hacia arriba y (c) hacia abajo.

El robot propuesto es capaz de gatear horizontalmente, trepar verticalmente y pasar de una superficie horizontal a una superficie perpendicular hacia arriba o hacia abajo. El robot utiliza un modo de locomoción de rastreo de dos anclas y, al anclar magnéticamente uno de sus pies, puede deformar el cuerpo en cualquier dirección. Como el cuerpo es lo suficientemente rígido para evitar que se deforme por su propio peso, la locomoción del gateo es la misma tanto si se arrastra sobre una superficie plana como si se sube por una pared. Así, el gateo horizontal o vertical se realiza anclando el pie trasero, expandiendo el cuerpo, anclando el pie delantero, contrayendo el cuerpo y repitiendo este proceso (Fig. 6a).

(a) Escalones para la locomoción de gatear o trepar, (b) escalones para la transición de una superficie horizontal a una superficie vertical hacia arriba, y (c) escalones para una transición de una superficie horizontal a una superficie vertical hacia abajo.

La transferencia entre una superficie horizontal y una superficie perpendicular hacia arriba implica que el robot se arrastre cerca del borde de transición entre las superficies con el cuerpo contraído, anclando el pie trasero y usando una combinación de las articulaciones giratorias y las deformaciones del mecanismo de tijera flexible para extender el cuerpo y traer el pie delantero perpendicular a la segunda superficie, entonces pueden ser necesarios ciclos adicionales de extensión y contracción antes de poder anclar ambos pies en la segunda superficie (Fig. 6b). Los ciclos adicionales de contracción y extensión pueden ser necesarios ya que la zancada del robot es menor que la longitud del cuerpo y un solo ciclo no es suficiente para llevar toda la longitud del robot a la segunda superficie. La transferencia entre una superficie horizontal y una superficie perpendicular hacia abajo implica un proceso muy similar al de la superficie hacia arriba (Fig. 6c). Se utilizan ciclos de anclaje del pie trasero, extensión del cuerpo, anclaje del pie delantero y contracción del cuerpo para mover los pies hacia adelante en cada ciclo hasta que ambos pies puedan hacer la transición a la superficie vertical (Video complementario 1).

Primero, la capacidad de locomoción de rastreo del robot propuesto se probó en una superficie plana donde la extensión del cuerpo se realizó presurizando simultáneamente los actuadores de extensión superior e inferior (Fig. 7a). Para este escenario, el motor de la bolsa utilizado para separar los pies utilizó una presión de 20 kPa y los actuadores suaves de extensión utilizados para el mecanismo de contracción e inflación del cuerpo utilizaron una presión de 120 kPa. La longitud de zancada del robot fue de 8,14 cm, que corresponde al 27,1 % de la longitud del cuerpo por zancada, y la velocidad media del robot fue de 5,31 mm/s (Fig. 7b). Sería posible ajustar la longitud de la zancada del robot usando una presión más baja para producir desplazamientos precisos del robot y se podría usar un caudal más alto dentro y fuera de los actuadores para aumentar aún más la velocidad del robot.

(a) Patrones de presión y (b) movimiento durante la locomoción de rastreo. (c) Patrones de presión y (d) movimiento durante la locomoción de escalada.

El escenario de locomoción ascendente se implementó en el eje vertical con la gravedad actuando a lo largo del robot. Se usaron presiones similares a las del escenario de rastreo horizontal, pero se cambió el tiempo de activación de la extensión del cuerpo para que los actuadores superiores del cuerpo del robot se extiendan primero para mantener el contacto con la superficie (Fig. 7c). El desplazamiento promedio por zancada fue de aproximadamente 8,08 cm (Fig. 7d), que es ligeramente menor que para la locomoción de arrastre horizontal. Esto se debe a la gravedad que actúa contra la extensión del robot. Tanto la locomoción de gateo como la de trepar también se probaron en condiciones húmedas (Video complementario 2).

El robot puede pasar de un plano horizontal a uno vertical en un ángulo perpendicular usando el proceso detallado anteriormente (Fig. 8a). Se utilizan presiones de 80 kPa en las juntas de rotación cerca de las patas delanteras y traseras para doblar los extremos del robot, se utilizan presiones de 120 kPa en los actuadores de la parte inferior del cuerpo del robot para arquear el cuerpo hacia arriba y presiones de 120 kPa kPa se utilizan para la contracción y extensión del cuerpo del robot. Cabe señalar que solo los actuadores de la parte inferior del cuerpo del robot se utilizan para la extensión del cuerpo, y que estos se desinflan mientras se presurizan los actuadores del lateral del cuerpo del robot durante la contracción. Durante el primer paso, el pie trasero del cuerpo del robot se fija y el pie delantero se levanta de la superficie. Fueron necesarios un total de 6 ciclos para poder hacer la transición de ambos pies a la pared vertical. La transición inversa se realiza siguiendo la serie inversa de pasos usando un total de 4 ciclos (Fig. 8b).

Demostración de la transición de (a) el suelo a una pared vertical hacia arriba, y (b) la transición opuesta.

El robot puede pasar de un plano vertical a una placa horizontal situada encima (Fig. 9a). Primero, la parte delantera del cuerpo se mueve sobre la superficie perpendicular separando la pata delantera, extendiendo el cuerpo, doblando la articulación de la pata delantera y uniendo la parte delantera. Luego se repiten los pasos de soltar el pie trasero, contraer el cuerpo, sujetar el pie trasero, soltar el pie delantero y extender el cuerpo hasta que el pie trasero esté cerca del borde. En esta etapa, el siguiente paso de contracción se puede usar para llevar el pie trasero a la superficie horizontal para terminar la transición. Durante la transición, los actuadores superiores del cuerpo del robot se utilizan para la extensión del cuerpo del robot para mantener los pies adheridos al suelo a pesar de la fuerza de la esquina de la superficie. Se utilizaron presiones similares a las de la prueba anterior. Fueron necesarios un total de 9 ciclos para la transición entre las dos superficies. La transición inversa se realiza siguiendo la serie inversa de pasos usando un total de 11 ciclos (Fig. 9b).

Demostración de la transición de (a) una pared vertical a una superficie horizontal sobre el robot, y (b) la transición inversa.

Este artículo propuso un robot trepador que usa adhesión magnética y hace uso de actuadores inflables blandos para controlar la adhesión magnética de los pies y deformar el cuerpo. Esto permite que el robot produzca transiciones superficiales multimodales entre superficies metálicas. El robot propuesto puede ajustar la fuerza adhesiva de los pies utilizando motores de bolsa para unir y separar los pies, mientras que el cuerpo del robot puede doblarse horizontal y verticalmente, así como contraerse y extenderse. Se encuentran juntas adicionales entre los pies y el cuerpo para permitir que el robot haga la transición entre las superficies más fácilmente.

Las capacidades del robot propuesto se verificaron mediante la demostración de tres escenarios: gatear, trepar y hacer la transición entre superficies. El robot pudo trepar con casi la misma longitud de zancada que cuando gateaba horizontalmente. El robot tuvo que repetir múltiples ciclos de contracción y extensión para transferirse entre superficies. La parte más fácil de esta transición fue la transferencia de una superficie horizontal a una superficie vertical hacia arriba, lo que requirió 6 ciclos. La transición de una superficie horizontal a una superficie vertical hacia abajo tomó la mayor cantidad de ciclos con un total de 11. Será necesario un cuerpo de robot con una mayor longitud de zancada para permitir transiciones más rápidas entre superficies.

El robot propuesto está destinado a funcionar únicamente en superficies metálicas. Esto significa que el robot no se ve afectado significativamente por la condición de la superficie y puede ejercer fuertes fuerzas adhesivas si se encuentra el tipo adecuado de superficie. El trabajo futuro se centrará en la integración de actuadores de mayor diámetro con mayor carrera para usar presiones más bajas dentro del cuerpo del robot y en la integración de un sistema neumático para aplicaciones sin ataduras.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Lattanzi, D. & Miller, G. Revisión de sistemas de inspección de infraestructura robótica. J. Infraestructura. sist. 23, 04017004 (2017).

Artículo Google Académico

Fisher, M. et al. Una descripción general de los desafíos de verificación y validación para los robots de inspección. Robótica 10, 67 (2021).

Artículo Google Académico

Bandyopadhyay, T. et al. Magneto: un robot de inspección versátil de múltiples miembros. Internacional IEEE/RSJ. Conf. Intel. Sistema de robots. (IROS) 2018, 2253–2260 (2018).

Google Académico

Bian, S. et al. Un robot trepamuros de cuatro patas con espinas y un conjunto de setas en miniatura inspirado en longicorn y gecko. J. Bionic Ing. 18, 292–305 (2021).

Artículo Google Académico

Uno K, Takada N, Okawara T, et al., HubRobo: un robot trepador ligero de varias extremidades para la exploración en terrenos desafiantes, en 2020 IEEE-RAS 20th International Conference on Humanoid Robots (Humanoids). 2021. pág. 209–215.

Sangbae, K. et al. Escalada vertical lisa con adherencia direccional. Trans. IEEE. Robot. 24, 65–74 (2008).

Artículo Google Académico

Él, B. et al. Robot trepador biónico inspirado en la adhesión húmeda. Trans. IEEE/ASME. Mecatrón. 19, 312–320 (2014).

Artículo Google Académico

Enjikalayil Abdulkader, R. et al. Sparrow: Un robot trepador magnético para la medición autónoma de espesores en el mantenimiento de cascos de barcos. J. Mar. Sci. Ing. 8, 469 (2020).

Artículo Google Académico

Papadimitriou A, Andrikopoulos G, Nikolakopoulos G. Desarrollo y control de un robot trepador diferencial basado en la adhesión de vórtice. 18.ª Conferencia Europea de Control (ECC) de 2019, 2019:1610–1615.

Hu, J. et al. Un robot trepamuros sobre orugas magnéticas con capacidad de alta carga útil en la superficie convexa. Robot. Auton. sist. https://doi.org/10.1016/j.robot.2021.103907 (2021).

Artículo Google Académico

Kermorgant, O. Un robot trepador magnético para realizar soldaduras autónomas en la industria de la construcción naval. Robot. Comput.-Integr. Fabricación 53, 178–186 (2018).

Artículo Google Académico

Lee, G. et al. MultiTrack: un robot de orugas multienlazado con adherencia por succión para escalada y transición. Robot. Auton. sist. 72, 207–216 (2015).

Artículo Google Académico

Guan, Y. et al. Un robot trepamuros bípedo modular con alta movilidad y función de manipulación. Trans. IEEE/ASME. Mecatrón. 18, 1787-1798 (2013).

Artículo Google Académico

Khan, MB et al. iCrawl: un robot que se arrastra inspirado en un gusano. Acceso IEEE 8, 200655–200668 (2020).

Artículo Google Académico

Nguyen, ST & La, HM Un robot trepador para la inspección de puentes de acero. J. Intel. Robot. sist. https://doi.org/10.1007/s10846-020-01266-1 (2021).

Artículo Google Académico

Nguyen, ST et al. Un práctico robot trepador para la inspección de puentes de acero. Internacional IEEE Conf. Robot. automático (ICRA) 2020, 9322–9328 (2020).

Google Académico

Rodrigue, H. et al. Una descripción general de los actuadores y robots acoplados con aleación con memoria de forma. Robot blando. 4, 3–15 (2017).

Artículo PubMed Google Académico

Rus, D. & Tolley, MT Diseño, fabricación y control de robots blandos. Naturaleza 521, 467–475 (2015).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Joey, ZG, Calderón, AA & Pérez-Arancibia, NO Un robot de rastreo suave inspirado en una lombriz de tierra controlado por fricción. Internacional IEEE Conf. Robot. Biomim. (ROBIO) 2017, 834–841 (2017).

Google Académico

Koh, J.-S. y Cho, K.-J. Robot de rastreo inspirado en un gusano de pulgada con forma de omega con actuadores de resorte SMA de gran índice y paso (LIP). Trans. IEEE/ASME. Mecatrón. 18, 419–429 (2013).

Artículo Google Académico

Wang, W. et al. Locomoción de un robot inspirado en un gusano de pulgada hecho de compuesto suave inteligente (SSC). Bioinspir. Biomim. 9, 046006 (2014).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Xie, R. et al. PISRob: Un robot blando neumático para moverse como un gusano. Internacional IEEE Conf. Robot. automático (ICRA) 2018, 3448–3453 (2018).

Google Académico

Singh G, Patiballa S, Zhang X, et al. Un robot blando trepador de tuberías. Conferencia internacional sobre robótica y automatización (ICRA), Montreal, Canadá, 2019: 8450–8456.

Liao, B. et al. Robot trepador suave inspirado en la locomoción sinuosa de la serpiente. Rob suave. 7, 500–511 (2020).

Artículo Google Académico

Jiang, Y. et al. Robot multimodal trepador de tuberías con garras de origami y suaves patas modulares. Bioinspir. Biomim. 15, 026002 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Rozen-Levy, S., Messner, W. & Trimmer, BA El diseño y desarrollo de Branch Bot: un robot suave inspirado en una oruga que se arrastra por las ramas. En t. J.Robot. Res. 40, 24–36 (2019).

Artículo Google Académico

Verma, MS et al. Un robot trepador de tubos blandos. Robot blando. 5, 133–137 (2018).

Artículo PubMed Google Académico

Manfredi, L. et al. Un globo doble de gusano de pulgada neumático blando (SPID) para colonoscopia. ciencia Rep. 9, 11109 (2019).

Artículo ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhang, B. et al. Robot blando con forma de gusano para entornos tubulares complicados. Robot blando. 6, 399–413 (2019).

Artículo PubMed Google Académico

Schiller, L., Seibel, A. & Schlattmann, J. Hacia un robot suave trepador inspirado en un gecko. Frente. neurorobot. 13, 106 (2019).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Tang, Y. et al. Actuador de adhesión conmutable para robot blando trepador anfibio. Robot blando. 5, 592–600 (2018).

Artículo PubMed Google Académico

Seibel, A. & Schiller, L. El diseño de ingeniería sistemática ayuda a crear nuevas máquinas blandas. Robot. Biomim. 5, 5 (2018).

Artículo Google Académico

Zhang Y, Yang D, Yan P, et al. Robots blandos multimodales inspirados en gusanos de pulgada con locomoción de arrastre, escalada y transición. Transacciones IEEE sobre robótica 2021;1–14.

Huang, W. et al. Robot blando multimodal para entornos complejos que utiliza un actuador de flexión omnidireccional biónico. Acceso IEEE 8, 193827–193844 (2020).

Artículo Google Académico

Cao, J. et al. Robot suave sin ataduras capaz de una locomoción estable utilizando actuadores electrostáticos suaves. Mecánica extrema. Letón. 21, 9–16 (2018).

Artículo Google Académico

Qin, L. et al. Un versátil robot de rastreo suave con locomoción rápida. Robot blando. 6, 455–467 (2019).

Artículo PubMed Google Académico

Gu, G. et al. Robots trepadores de pared blandos. ciencia Robot. 3, eaat2874 (2018).

Artículo PubMed Google Académico

Niiyama, R. et al. Motores de bolsa: actuadores blandos imprimibles integrados con diseño computacional. Rob suave. 2, 59–70 (2015).

Artículo Google Académico

Lee, H., Oh, N. y Rodrigue, H. Expansión de los patrones del motor de la bolsa para la actuación de flexión suave programable: Habilitación de adaptaciones de sistemas robóticos suaves. Robot IEEE. automático revista 27, 65–74 (2020).

Artículo Google Académico

Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado por la subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno de Corea (Ministerio de Ciencia, TIC y Planificación Futura) (No. 2020R1A4A1018227 y No. 2021R1A2C4001792).

Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad Sungkyunkwan, Suwon, 16419, República de Corea

Parque Gijun y Hugo Rodrigue

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

GP realizó todos los experimentos y preparó todas las figuras, GP y HR escribieron y revisaron el manuscrito, GP y HR propusieron la idea de investigación original, HR supervisó la investigación y obtuvo financiación para la investigación.

Correspondencia a Hugo Rodrigue.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Vídeo complementario 1.

Vídeo complementario 2.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Park, G., Rodrigue, H. Robot de escalada suave con pies magnéticos para locomoción multimodal. Informe científico 13, 8377 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35667-7

Descargar cita

Recibido: 18 Agosto 2022

Aceptado: 18 de mayo de 2023

Publicado: 24 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35667-7

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.