Soft-Kletterroboter mit Magnetfüßen zur multimodalen Fortbewegung

Jun 03, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 8377 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Inspektionsroboter, die zur Inspektion künstlicher Strukturen eingesetzt werden können, haben ein erhebliches Potenzial für industrielle Anwendungen, bestehende Soft-Roboter sind jedoch nicht gut für die Erkundung komplexer Metallstrukturen mit vielen Hindernissen geeignet. In diesem Artikel wird ein sanft kletternder Roboter vorgeschlagen, der für solche Bedingungen gut geeignet ist, da der Roboter Füße mit kontrollierbarer Magnethaftung verwendet. Es verwendet weiche aufblasbare Aktuatoren, um diese Adhäsion sowie die Verformung des Körpers zu steuern. Der vorgeschlagene Roboter besteht aus einem Roboterkörper, der sich biegen und verlängern lässt, Roboterfüßen, die magnetisch an metallischen Oberflächen haften und sich von ihnen lösen können, und Drehgelenken, die jeden Fuß mit dem Körper verbinden, um dem Roboter zusätzliche Flexibilität zu verleihen. Es kombiniert dehnbare weiche Aktuatoren für die Verformung des Körpers und kontraktile lineare Aktuatoren für die Roboterfüße, und der Roboter kann komplexe Verformungen des Körpers erzeugen, die es ihm ermöglichen, eine Vielzahl von Szenarien zu meistern. Die Fähigkeiten des vorgeschlagenen Roboters wurden durch die Implementierung von drei Szenarien auf metallischen Oberflächen überprüft: Kriechen, Klettern und Übergang zwischen Oberflächen. Die Roboter konnten fast abwechselnd kriechen oder klettern und von horizontalen Flächen zu vertikalen Flächen nach oben oder unten wechseln.

Stahlkonstruktionen werden in verschiedenen Industriebereichen eingesetzt, von Tiefbauanlagen bis hin zu Spezialgeräten und Fahrzeugen wie Portalkränen, Containern, Brücken, Schienenfahrzeugen und großen Baumaschinen. Sicherheitsüberprüfungen und Wartungsarbeiten an diesen Bauwerken sind derzeit vollständig auf Arbeitskräfte angewiesen, diese Bauwerke sind jedoch häufig sehr groß und bestehen aus einer komplexen Anordnung von miteinander verbundenen Streben oder Platten. Diese Eigenschaften machen die Inspektion dieser Strukturen zeitaufwändig und mühsam und können zu Verletzungen des Arbeiters durch wiederholte Bewegungen oder Stürze führen. Aus diesen Gründen wurden verschiedene Arten von Inspektionsrobotern für diese Art von Strukturen entwickelt1,2.

Es wurden verschiedene Arten starrer Roboter entwickelt, die mit unterschiedlichen Befestigungsmethoden an verschiedenen Oberflächen haften können. Wandklettermethoden für vierbeinige Wandkletterroboter wurden mithilfe von Magneten, Haken, Gecko-inspirierten Strukturen und nassen Klebepads entwickelt3,4,5,6,7. Es wurden Ansätze für vierrädrige Roboter entwickelt, die in der Lage sind, an Wänden zu haften, indem sie elektrische Kanalventilatoren oder Magnete verwenden, während die Räder den Roboter bewegen8,9. Es wurden kriechende Roboter mit Schienen mit unterschiedlichen Haftmechanismen wie Magneten oder Saugnäpfen eingesetzt, die in der Lage sind, fortgeschrittene Bewegungen wie die Bewegung vom Boden zur Wand und das Überwinden von Hindernissen auszuführen10,11,12. Biomimetische Raupenroboter mit ähnlichen Mechanismen haben nachweislich eine bemerkenswerte Fähigkeit, Hindernisse zu überwinden13,14. Roboter mit integrierten Sensorsystemen und Batterien haben ihre Fähigkeit unter Beweis gestellt, Ermüdungserscheinungen und Risse an Brücken zu analysieren15,16. Allerdings sind diese Roboter, die Motoren und starre Mechanismen verwenden, sperrig und nicht flexibel genug, sodass sie nur in sehr offenen Umgebungen wie regelmäßigen und durchgehenden Oberflächen mit großen Abständen und wenigen Hindernissen eingesetzt werden können.

Soft-Roboter sind aufgrund der weichen Materialien, aus denen sie bestehen, von Natur aus nachgiebig, und diese Nachgiebigkeit ermöglicht ihnen eine hohe Anpassungsfähigkeit an ihre Umgebung17,18. Es wurden biomimetische Wurm- und Raupenroboter entwickelt, die Reibung zur kriechenden Fortbewegung nutzen19,20,21,22. Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese nicht in der Lage sind, Wände zu erklimmen. Sie können für das Rohrklettern modifiziert werden, indem Füße verwendet werden, die sich um den äußeren Abschnitt des Rohrs wickeln, um eine Greifkraft zu erzeugen23,24,25,26, und durch das Innere von Rohren, indem ihre Füße ausgeweitet werden, um Reibung mit dem Rohr zu erzeugen27,28, 29. Die Füße biomimetischer Roboter mit von Geckos und Würmern inspirierten Gangarten können durch Saugnäpfe ersetzt werden, um die Haftung zu erhöhen und das Klettern auf vertikalen Flächen wie Wänden zu ermöglichen30,31,32. Die Verwendung von segmentierten und omnidirektionalen Biegekörpern hat den Übergang zwischen Boden und Wand ermöglicht33,34, dies wurde jedoch nicht für den Übergang zu Wänden in einem rechten Winkel nach unten vom Boden nachgewiesen. Ein potenzielles Problem bei der Verwendung von Saugnäpfen zur Haftung besteht darin, dass sie nur auf flachen und unstrukturierten Oberflächen funktionieren, was ihre Anwendung in realen Szenarien stark einschränkt. Als Alternative wurden elektrostatisch klebende Kriechroboter entwickelt35,36,37, diese erfordern jedoch für den Betrieb hohe Spannungen, die in industriellen Umgebungen möglicherweise nicht sicher sind.

In diesem Artikel wird ein Kletterroboter vorgeschlagen, der magnetische Adhäsion nutzt und weiche aufblasbare Aktuatoren nutzt, um die magnetische Adhäsion der Füße zu steuern und den Körper zu verformen. Dadurch kann der Roboter problemlos auf magnetischen Oberflächen arbeiten und zwischen senkrechten Oberflächen wechseln. Der Roboterkörper besteht aus einem verformbaren Scherenmechanismus, der linear, horizontal und vertikal verformt werden kann, und nutzt dehnbare weiche Aktuatoren mit einer anfänglichen Zickzack-Konfiguration, um Dehnkräfte zu erzeugen, die die Verformung des Roboterkörpers vorantreiben. Außerdem verfügt er an jedem Ende des Körpers über Drehgelenke, um den Bewegungsbereich des Roboters zu vergrößern. Es werden die Konstruktion und Montage des Roboters gezeigt, gefolgt von einer Bewertung der Leistung der einzelnen Elemente des Roboters. Abschließend werden die Fähigkeiten des Roboters zum Kriechen, Klettern und zum Übergang zwischen senkrechten Flächen demonstriert.

In dieser Arbeit wird ein kriechender weicher Roboter mit magnetischen Füßen vorgeschlagen, bei dem weiche aufblasbare Aktuatoren verwendet werden, um den Körper zu verformen und die magnetische Haftung der Füße des Roboters zu steuern (Abb. 1a). Der Roboter besteht aus einem sich biegenden Roboterkörper, magnetischen Füßen und Drehgelenken, die jeden Fuß mit dem Körper verbinden, um der Bewegung des Körpers beim Übergang zwischen Oberflächen zusätzliche Flexibilität zu verleihen. Der Körper kann sich bidirektional beugen, zusammenziehen und ausdehnen und ist für die Krabbel- und Drehbewegungen verantwortlich. Die Drehgelenke werden speziell für Übergänge zwischen Flächen, beispielsweise zwischen dem Boden und einer Wand, eingesetzt. Die Besonderheit dieses Krabbelroboters ist seine Fähigkeit, sich mithilfe weicher aufblasbarer Aktuatoren magnetisch an magnetischen Oberflächen anzubringen und von diesen zu lösen.

(a) Roboterkonstruktion bestehend aus zwei Füßen, zwei Drehgelenken und einem Roboterkörper, (b) Montage eines Magnetfußes, (c) Montage eines Drehgelenks und (d) Montage eines Roboterkörpers.

Jeder Roboterfuß besteht aus zwei Flächen, die in derselben Ebene liegen, wobei eine fest ist und die andere sich über bewegliche Scharniere um ihre Mitte verformen kann (Abb. 1b). Die Magnete befinden sich auf der verformbaren Oberfläche und es entsteht eine Haftung, wenn beide Oberflächen auf derselben Ebene liegen. Durch die Rotation der Oberfläche mit den Magneten lösen sich die Magnete vom Boden und die Füße verlieren ihre Haftung. Eine starre Stützstruktur wird verwendet, um die Füße mit dem Drehgelenk zu verbinden, und Beutelmotoren werden verwendet, um die Magnete vom Boden zu lösen38,39. Diese Beutelmotoren bestehen aus einem mit thermoplastischem Polyurethan (TPU) überzogenen technischen Nylongewebe, das mit einem Impulssiegelgerät versiegelt wird. Links und rechts an der Faltfläche jedes Fußes sind drei Neodym-Magnete angebracht, also insgesamt sechs Magnete pro Fuß. Bei den Magneten handelt es sich um Permanentmagnete, die eine Magnetkraft von 5000 Gauss haben und ausreichen, um die Haftung des Roboters an magnetischen Oberflächen in unterschiedlichen Ausrichtungen aufrechtzuerhalten.

Die Rotationsgelenke, die die Füße mit dem Körper verbinden, bestehen aus einem Gelenk mit einem Freiheitsgrad (DOF) und einer starren Rotationsachse, die sich in vertikaler Richtung drehen kann (Abb. 1c). Die Betätigung dieses Gelenks erfolgt durch die Druckbeaufschlagung dehnbarer weicher Aktuatoren, die zwischen dem Gelenk und dem Körper installiert sind. Obwohl sich der Körper in die gleiche Richtung wie das Gelenk biegen kann, erzeugt der Körper eine sanfte und eher begrenzte Biegeverformung, während die Drehgelenke an jedem Ende des Roboters eine Verformung um eine definierte Achse erzeugen. Diese Bewegung ist notwendig, damit die Enden des Roboters nach Haftpunkten suchen können und gleichzeitig die Haftung der Roboterfüße beim Übergang zwischen senkrechten Flächen aufrechterhalten wird.

Der Roboterkörper besteht aus einem flexiblen Scherenmechanismus mit weichen Dehnungsaktoren, die die Kontraktion und Streckung des Scherenmechanismus bewirken (Abb. 1d). Scherenmechanismen werden im Allgemeinen verwendet, um starre lineare Verformungen entlang einer einzelnen Achse zu erzeugen. Der im Roboter verwendete Scherenmechanismus besteht jedoch aus 3D-gedruckten TPU-Teilen, deren Flexibilität es dem Mechanismus ermöglicht, sich seitlich sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung zu biegen. Dehnbare Soft-Aktuatoren sind auf jeder der vier Seiten des Mechanismus so positioniert, dass die Aktuatoren an der Ober- und Unterseite des Roboters den Roboter in die entgegengesetzte Richtung biegen und die an den Seiten des Roboters eine Biegung des Roboters in die entgegengesetzte Richtung bewirken druckbeaufschlagte Aktuatoren. Die Streckung des Körpers erfolgt durch gleichzeitige Betätigung der oberen und unteren Aktuatoren, die Kontraktion durch gleichzeitige Betätigung der seitlichen Aktuatoren.

Wie bereits erwähnt, wird die Verformung des Scherenmechanismus und der Drehgelenke durch weiche Dehnungsaktoren realisiert, die aus zwei aufblasbaren Schläuchen bestehen, die auf beiden Seiten einer zickzackförmigen flexiblen Struktur platziert sind. Die aufblasbaren Schläuche bestehen aus dem gleichen Material wie der Beutelmotor und die zickzackförmige flexible Struktur aus dem gleichen TPU-Material wie der Scherenmechanismus. Die aufblasbaren Schläuche werden zunächst der Form der zickzackförmigen flexiblen Struktur folgend gebogen und blasen sich bei Druckbeaufschlagung in eine gerade Position auf, wodurch eine große Kraft zwischen beiden Enden des Aktuators entsteht. Durch die Entleerung der Schläuche werden die Schläuche durch die flexible Struktur in ihre ursprüngliche Position zurückgedrückt.

Die pneumatische Steuerung der Aktuatoren erfolgt über einen Echtzeitcontroller (CompactRIO, NI), zwei elektropneumatische Regler (ITV2030, SMC) mit jeweils acht Pneumatikkanälen und einer externen Pneumatikpumpe zur Bereitstellung des Luftdrucks (Abb. 1e). Zehn der sechzehn Kanäle werden zur Steuerung des Roboters verwendet, wobei zwei für den Vorder- und Hinterfuß, vier für die oberen und unteren Dehnaktoren des Vorder- und Hinterfußes, zwei für die oberen und unteren Dehnaktoren des Körpers usw. verwendet werden zwei für die linken und rechten Extensionsaktuatoren des Körpers.

Der Vorgang des Anbringens und Lösens der Magnetfüße an der Kontaktfläche ist notwendig, um die für Inchworm-Roboter typische verankerungsbasierte Fortbewegung zu erzeugen. Die Füße haften mithilfe der an jedem Fuß angebrachten Permanentmagnete an ferromagnetischen Oberflächen, und Beutelmotoren werden verwendet, um die Oberfläche mit den Magneten von der Kontaktfläche zu lösen. Beim Aufblasen dehnen sich die Beutelmotoren seitlich aus und ziehen sich entlang ihrer Länge zusammen, während sie eine Kraft erzeugen, die die freien Enden der Bodenfläche, die die Magnete enthält, dreht (Abb. 2a). Sobald sich die Magnete von der ferromagnetischen Oberfläche lösen, erzeugen sie nur noch eine schwache Magnetkraft. Wenn die Beutelmotoren drucklos sind, biegt sich die Bodenfläche, die die Magnete enthält, aufgrund der von den Magneten erzeugten Kraft in Richtung der ferromagnetischen Oberfläche.

(a) Verformung der Füße für den Adhäsionstest und (b) Ergebnisse des Adhäsionskrafttests für die Füße bei verschiedenen magnetischen Oberflächenwinkeln.

Die Haftkraft des Roboterfußes in verschiedenen Winkeln wurde gemessen, indem der magnetische Oberflächenwinkel mithilfe eines physikalischen Winkelbegrenzers variiert und die Beutelmotoren betätigt wurden. Anschließend wird die Fußbaugruppe mithilfe einer linearen Zugprüfmaschine (ESM-750, MARK-10), die mit einem 100-N-Kraftmessgerät (M5-20, MARK-10) und einer linearen Geschwindigkeit von 40 mm/min ausgestattet ist, von der magnetischen Oberfläche abgezogen. Min. Um die Füße zu lösen, ist eine Kraft von 36 N erforderlich, wenn die magnetische Oberfläche in einem Winkel von 0° steht (Abb. 2b). Durch eine geringfügige Änderung des magnetischen Oberflächenwinkels verringert sich die Haftkraft sogar deutlich, sie sinkt bei einem Winkel von 5° auf 5,42 N und bei einem Winkel von 20° auf 1,76 N. Diese Kraft reicht aus, um die Füße auf nicht horizontalen Oberflächen zu halten und ihnen dennoch das Gleiten entlang der Oberfläche zu ermöglichen, während der andere Fuß in einer festen Position bleibt.

Die Verformung des Roboterkörpers erfolgt durch das Aufblasen dehnbarer weicher Aktuatoren. Diese weichen Aktuatoren bestehen aus zwei aufblasbaren Schläuchen, die auf beiden Seiten einer zickzackförmigen verformbaren Struktur angebracht sind, die sich bei Druckbeaufschlagung der Schläuche entfaltet (Abb. 3a). Im Roboter werden drei Dimensionen dieser Aktuatoren verwendet. Die unterschiedlichen Abmessungen und Orte, an denen sie verwendet werden, sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Dehnungsverformung der verschiedenen Aktuatoren aus dem Gleichgewicht wurde ohne Nutzlast mithilfe eines Markers getestet, wobei die Verschiebung mit a aufgezeichnet wurde Bewegungsverfolgungsgerät (Optitrack, V120:Trio). Alle Abmessungen zeigten bereits bei Drücken von 20 kPa eine starke Verformung und dann einen leichten Anstieg, wenn der Druck auf 120 kPa erhöht wurde (Abb. 3b). Gleichzeitig werden die Rohre gerade, wodurch ihre Länge entlang der Achse des Aktuators zunimmt und entlang der Rohrlänge aufgrund der Abrundung ihrer Struktur schrumpft. So wurde festgestellt, dass sich Aktoren mit breiteren Rohren weniger stark ausdehnen als solche mit dünneren Rohren, da die breiteren Rohre aufgrund der ausgeprägteren Rundung ihrer Struktur entlang ihrer Länge schrumpfen. Auch im Vergleich zu 20 mm breiten Aktoren weisen Aktoren mit einer Breite von 15 mm insbesondere bei niedrigeren Drücken einen deutlich größeren Fehlerbereich auf. Dies liegt daran, dass der Druck beginnt, das Skelett zu verformen, das der Ausdehnung Widerstand leistet und zu seitlichen Verformungen führen kann, die zu größeren Schwankungen im frühen Teil der Verformung führen können. Das Kraft-Verschiebungs-Verhalten jeder Aktuatordimension wurde von ihrem jeweiligen Gleichgewichtspunkt aus gemessen (Abb. 3c), und die Aktuatoren erzeugten während der gesamten Bewegung eine relativ konstante Kraft. Breitere Aktuatoren konnten bei gleicher Aktuatorlänge eine höhere Spitzenkraft erzeugen, während längere Aktuatoren eine etwas geringere Kraft erzeugten als kürzere, da sich die Rohre leichter seitlich verformen.

(a) Verschiebung des weichen Dehnungsaktuators, (b) die Dehnungsverformung gegenüber dem Druck für verschiedene Aktuatorabmessungen und (c) die Kraft gegenüber der Verformung für verschiedene Aktuatorabmessungen bei einem Druck von 120 kPa.

Der flexible Scherenmechanismus in Kombination mit den dehnbaren Soft-Aktuatoren ermöglicht die Verformung des Roboters. Die kriechende Vorwärtsbewegung in horizontaler oder vertikaler Richtung wird durch abwechselndes Strecken und Zusammenziehen des Körpers erreicht. Die Streckung des Körpers wird durch gleichzeitige Druckbeaufschlagung der oberen und unteren weichen Dehnungsaktuatoren erreicht, um den Roboterkörper auszufahren, während die seitlichen Aktuatoren drucklos sind. Die Kontraktion des Körpers erfolgt durch Druckbeaufschlagung der seitlichen Aktuatoren, während die oberen und unteren Aktuatoren drucklos sind.

Die seitliche Biegung des Körpers wird durch Druckbeaufschlagung der Aktuatoren auf der Seite erreicht, zu der sich der Roboter beugen soll. In horizontaler Position wurde der Winkel zwischen den beiden Enden der Roboter für unterschiedliche Druckwerte in den Aktuatoren gemessen (Abb. 4a). Es ist zu erkennen, dass sich der Winkel mit zunehmendem Druck relativ linear ändert, da der Körper des Roboters einen Widerstand bietet, der mit seiner Verschiebung zunimmt (Abb. 4b,c). Die vertikale Biegung des Körpers wird durch Druckbeaufschlagung der Aktuatoren auf der gegenüberliegenden Seite erreicht, zu der sich der Roboter beugen soll (Abb. 4d). Zunächst wurde der Roboter dazu gebracht, sich aus der horizontalen Position nach oben zu beugen, indem die unteren Aktuatoren aufgeblasen wurden (Abb. 4e). In diesem Fall ist ausreichend Druck erforderlich, um das freie Ende des Roboters anzuheben und bei einem Druck von 120 kPa einen Winkel von 78° zu erreichen. Das Herunterbeugen kann nur mithilfe der Schwerkraft erfolgen, die oberen Aktuatoren können jedoch verwendet werden, um eine abgerundete Form zu erzeugen, die beim Überbrücken zwischen parallelen Flächen beim Freiräumen von Ecken hilfreich sein kann. Der maximale Winkel, der beim Abwärtsbeugen erreicht wird, beträgt 102° bei einem Druck von 120 kPa (Abb. 4f). Bei den meisten Ergebnissen ist ein gewisser Winkelverformungsfehler zu erkennen, der wahrscheinlich durch Reibung im Körper, die Nichtlinearitäten des Aktuators selbst und die allgemeinen Nichtlinearitäten des verformbaren Scherenmechanismus des Roboterkörpers verursacht wird. Die Winkelwerte der vorherigen Experimente wurden mithilfe von Markierungen am Körper und an den Füßen gemessen und mithilfe trigonometrischer Funktionen mithilfe eines Bewegungsverfolgungsgeräts (Optitrack, V120:Trio) den Winkel extrahiert.

(a) Seitlicher Bewegungsbereich des Roboters, wenn er in der horizontalen Ebene platziert wird. Biegewinkel im Verhältnis zum Druck des Roboterkörpers bei (b) Biegung nach links und (c) Biegung nach rechts. (d) Bewegungsbereich des Roboters in der vertikalen Ebene, (e) Biegewinkel im Verhältnis zum Druck beim Biegen nach oben und (f) nach unten.

Die Drehgelenke, die den Körper mit den Füßen verbinden, können an jedem Ende des Roboters eine konzentrierte Verformung erzeugen (Abb. 5a). Dieses Gelenk enthält obere und untere Dehnantriebe, die sich im oberen und unteren Teil des Gelenks befinden. Das Drehen des Gelenks nach oben erfordert die Druckbeaufschlagung des unteren Aktuators und das Gelenk befindet sich zunächst in einem negativen Winkel zur Horizontalen, wenn die Aktuatoren drucklos sind. Der Winkel des Gelenks wurde wie zuvor mithilfe eines Markers und eines Bewegungsverfolgungsgeräts gemessen. Durch Druckbeaufschlagung des unteren Aktuators kann das Gelenk seinen maximalen Aufwärtswinkel von 38° bei einem Druck von 120 kPa erreichen (Abb. 5b). In diesem Fall ergibt sich ein besonders großer Fehlerbereich bei 60 bis 80 kPa, der auf die Nichtlinearitäten des im Gelenk verwendeten Aktors zurückzuführen ist. Dieser maximale Winkel ist auf die mechanischen Grenzen der Gelenkkonstruktion zurückzuführen. Die Abwärtsdrehung erfordert die Druckbeaufschlagung des oberen Aktuators und das Gelenk in dieser Richtung kann bei einem Druck von 120 kPa einen Winkel von -55° erreichen (Abb. 5c). Dieser Bewegungsbereich reicht aus, um dem Roboter dabei zu helfen, eine Vielzahl von Hindernissen zu überwinden.

(a) Verformung des Drehgelenks, (b) Drehwinkel gegenüber Druck bei Drehung nach oben und (c) nach unten.

Der vorgeschlagene Roboter ist in der Lage, horizontal zu kriechen, vertikal zu klettern und von einer horizontalen Oberfläche zu einer senkrechten Oberfläche nach oben oder unten zu wechseln. Der Roboter nutzt einen Zwei-Anker-Kriechmodus zur Fortbewegung und kann durch die magnetische Verankerung eines seiner Füße den Körper in jede Richtung verformen. Da der Körper steif genug ist, um zu verhindern, dass er sich unter seinem Eigengewicht verformt, ist die kriechende Fortbewegung die gleiche, unabhängig davon, ob man auf einer ebenen Fläche oder an einer Wand kriecht. Das horizontale oder vertikale Kriechen erfolgt also durch Verankern des hinteren Fußes, Strecken des Körpers, Verankern des Vorderfußes, Zusammenziehen des Körpers und Wiederholen dieses Vorgangs (Abb. 6a).

(a) Stufen für die kriechende oder kletternde Fortbewegung, (b) Stufen für den Übergang von einer horizontalen Fläche zu einer nach oben gerichteten vertikalen Fläche und (c) Stufen für einen Übergang von einer horizontalen Fläche zu einer nach unten gerichteten vertikalen Fläche.

Beim Transfer zwischen einer horizontalen Fläche und einer senkrecht nach oben gerichteten Fläche kriecht der Roboter mit zusammengezogenem Körper nahe an die Übergangskante zwischen Flächen, verankert den hinteren Fuß und nutzt eine Kombination aus Drehgelenken und flexiblen Scherenmechanismen, um den Körper zu strecken und zu verformen Wenn Sie Ihren Vorderfuß senkrecht auf die zweite Fläche stellen, sind möglicherweise weitere Streckungs- und Kontraktionszyklen erforderlich, bevor Sie beide Füße auf der zweiten Fläche verankern können (Abb. 6b). Die zusätzlichen Kontraktions- und Streckungszyklen können erforderlich sein, da die Schrittweite des Roboters geringer ist als die Körperlänge und ein einzelner Zyklus nicht ausreicht, um die gesamte Länge des Roboters auf die zweite Oberfläche zu bringen. Der Übergang zwischen einer horizontalen Fläche und einer senkrecht nach unten gerichteten Fläche erfolgt nach einem Vorgang, der dem der nach oben gerichteten Fläche sehr ähnlich ist (Abb. 6c). Zyklen aus Verankerung des hinteren Fußes, Streckung des Körpers, Verankerung des vorderen Fußes und Kontraktion des Körpers werden verwendet, um die Füße bei jedem Zyklus nach vorne zu bewegen, bis beide Füße auf die vertikale Oberfläche übergehen können (Zusatzvideo 1).

Zunächst wurde die kriechende Fortbewegungsfähigkeit des vorgeschlagenen Roboters auf einer ebenen Fläche getestet, wo die Streckung des Körpers durch gleichzeitige Druckbeaufschlagung der oberen und unteren Streckaktuatoren realisiert wurde (Abb. 7a). In diesem Szenario verwendete der Beutelmotor, der zum Lösen der Füße verwendet wurde, einen Druck von 20 kPa und die weichen Dehnaktuatoren, die für den Kontraktions- und Aufblasmechanismus des Körpers verwendet wurden, verwendeten einen Druck von 120 kPa. Die Schrittlänge des Roboters betrug 8,14 cm, was 27,1 % der Körperlänge pro Schritt entspricht, und die durchschnittliche Geschwindigkeit des Roboters betrug 5,31 mm/s (Abb. 7b). Es wäre möglich, die Schrittlänge des Roboters anzupassen, indem man einen geringeren Druck verwendet, um präzise Bewegungen des Roboters zu erzeugen, und eine höhere Flussrate in und aus den Aktuatoren könnte verwendet werden, um die Geschwindigkeit des Roboters weiter zu erhöhen.

(a) Druckmuster und (b) Bewegung während der kriechenden Fortbewegung. (c) Druckmuster und (d) Bewegung während der Kletterbewegung.

Das Klettern-Fortbewegungsszenario wurde in der vertikalen Achse implementiert, wobei die Schwerkraft entlang der Länge des Roboters wirkte. Es wurden ähnliche Drücke wie im horizontalen Kriechszenario verwendet, der Zeitpunkt der Betätigung der Körperverlängerung wurde jedoch geändert, sodass die oberen Aktuatoren des Roboterkörpers zuerst ausgefahren werden, um den Kontakt mit der Oberfläche aufrechtzuerhalten (Abb. 7c). Die durchschnittliche Verschiebung pro Schritt betrug etwa 8,08 cm (Abb. 7d), was etwas weniger ist als bei der horizontalen Kriechbewegung. Dies liegt an der Schwerkraft, die der Streckung des Roboters entgegenwirkt. Sowohl die Krabbel- als auch die Kletterbewegung wurden auch unter nassen Bedingungen getestet (Ergänzungsvideo 2).

Der Roboter kann mithilfe des zuvor detaillierten Prozesses (Abb. 8a) in einem senkrechten Winkel von einer horizontalen Ebene zu einer vertikalen Ebene wechseln. In den Drehgelenken in der Nähe der Hinter- und Vorderfüße werden Drücke von 80 kPa verwendet, um die Enden des Roboters zu biegen, in den Aktuatoren an der Unterseite des Roboterkörpers werden Drücke von 120 kPa verwendet, um den Körper nach oben zu biegen, und Drücke von 120 kPa kPa werden für die Kontraktion und Streckung des Roboterkörpers verwendet. Es ist zu beachten, dass nur die Aktuatoren an der Unterseite des Roboterkörpers für die Streckung des Körpers verwendet werden und dass diese entlüftet werden, während die Aktuatoren an der Seite des Roboterkörpers während der Kontraktion unter Druck gesetzt werden. Im ersten Schritt wird der hintere Fuß des Roboterkörpers fixiert und der vordere Fuß von der Oberfläche abgehoben. Insgesamt waren 6 Zyklen nötig, um mit beiden Füßen auf die senkrechte Wand treten zu können. Der umgekehrte Übergang erfolgt durch Befolgen der umgekehrten Schrittreihe mit insgesamt 4 Zyklen (Abb. 8b).

Demonstration des Übergangs vom (a) Boden zu einer nach oben gerichteten vertikalen Wand und (b) des umgekehrten Übergangs.

Der Roboter kann von einer vertikalen Ebene zu einer darüber liegenden horizontalen Platte wechseln (Abb. 9a). Zunächst wird die Vorderseite des Körpers auf die senkrechte Fläche bewegt, indem der Vorderfuß abgenommen, der Körper gestreckt, das Gelenk des Vorderfußes gebogen und die Vorderseite befestigt wird. Dann werden die Schritte Abnehmen des hinteren Fußes, Zusammenziehen des Körpers, Anbringen des hinteren Fußes, Abnehmen des vorderen Fußes und Strecken des Körpers wiederholt, bis sich der hintere Fuß nahe an der Kante befindet. In diesem Stadium kann der nächste Kontraktionsschritt verwendet werden, um den hinteren Fuß auf die horizontale Fläche zu bringen und den Übergang abzuschließen. Während des Übergangs werden die oberen Aktuatoren des Roboterkörpers zum Ausfahren des Roboterkörpers verwendet, damit die Füße trotz der Kraft der Oberflächenecke am Boden bleiben. Es wurden ähnliche Drücke wie beim vorherigen Test verwendet. Für den Übergang zwischen den beiden Oberflächen waren insgesamt 9 Zyklen erforderlich. Der umgekehrte Übergang erfolgt durch Befolgen der umgekehrten Schrittreihe mit insgesamt 11 Zyklen (Abb. 9b).

Demonstration des Übergangs von (a) einer vertikalen Wand zu einer horizontalen Fläche über dem Roboter und (b) des umgekehrten Übergangs.

In diesem Artikel wurde ein Kletterroboter vorgeschlagen, der magnetische Adhäsion nutzt und weiche aufblasbare Aktuatoren nutzt, um die magnetische Adhäsion der Füße zu steuern und den Körper zu verformen. Dadurch kann der Roboter multimodale Oberflächenübergänge zwischen metallischen Oberflächen erzeugen. Der vorgeschlagene Roboter kann die Haftkraft der Füße mithilfe von Beutelmotoren anpassen, um die Füße anzubringen und zu lösen, während sich der Körper des Roboters horizontal und vertikal biegen sowie zusammenziehen und ausdehnen kann. Zwischen den Füßen und dem Körper befinden sich zusätzliche Gelenke, um dem Roboter den Übergang zwischen Oberflächen zu erleichtern.

Die Fähigkeiten des vorgeschlagenen Roboters wurden durch die Demonstration von drei Szenarien überprüft: Kriechen, Klettern und Übergang zwischen Oberflächen. Der Roboter konnte mit nahezu der gleichen Schrittlänge klettern wie beim horizontalen Kriechen. Der Roboter musste mehrere Zyklen der Kontraktion und Streckung wiederholen, um zwischen Oberflächen zu wechseln. Der einfachste Teil dieses Übergangs war der Übergang von einer horizontalen Fläche zu einer nach oben gerichteten vertikalen Fläche, was 6 Zyklen erforderte. Der Übergang von einer horizontalen Fläche zu einer nach unten gerichteten vertikalen Fläche erforderte mit insgesamt 11 die meisten Zyklen. Um schnellere Übergänge zwischen Flächen zu ermöglichen, ist ein Roboterkörper mit einer größeren Schrittlänge erforderlich.

Der vorgeschlagene Roboter soll ausschließlich auf metallischen Oberflächen funktionieren. Dies bedeutet, dass der Roboter nicht wesentlich von der Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst wird und starke Haftkräfte ausüben kann, wenn er auf die richtige Art von Oberfläche trifft. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Integration von Aktuatoren mit größerem Durchmesser und höherem Hub konzentrieren, um niedrigere Drücke innerhalb des Roboterkörpers zu nutzen, sowie auf die Integration eines pneumatischen Systems für den ungebundenen Einsatz.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde durch ein von der koreanischen Regierung (Ministerium für Wissenschaft, IKT und Zukunftsplanung) finanziertes Stipendium der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt (Nr. 2020R1A4A1018227 und Nr. 2021R1A2C4001792).

School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon, 16419, Republik Korea

Gijun Park & ​​Hugo Rodrigue

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Der Hausarzt führte alle Experimente durch und erstellte alle Zahlen, der Hausarzt und die Personalabteilung verfassten und überprüften das Manuskript, der Hausarzt und die Personalabteilung entwickelten die ursprüngliche Forschungsidee, die Personalabteilung überwachte die Forschung und erhielt die Finanzierung für die Forschung.

Korrespondenz mit Hugo Rodrigue.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Park, G., Rodrigue, H. Weicher Kletterroboter mit Magnetfüßen für multimodale Fortbewegung. Sci Rep 13, 8377 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35667-7

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Eingegangen: 18. August 2022

Angenommen: 18. Mai 2023

Veröffentlicht: 24. Mai 2023

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

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