Robot grimpeur souple à pieds magnétiques pour la locomotion multimodale

Mar 18, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8377 (2023) Citer cet article

590 accès

Détails des métriques

Les robots d'inspection qui peuvent être utilisés pour inspecter des structures artificielles ont un potentiel important pour les applications industrielles, mais les robots logiciels existants ne sont pas bien adaptés à l'exploration de structures métalliques complexes avec de nombreux obstacles. Cet article propose un robot d'escalade souple bien adapté à de telles conditions car le robot utilise des pieds avec une adhérence magnétique contrôlable. Il utilise des actionneurs gonflables souples pour contrôler cette adhérence ainsi que la déformation du corps. Le robot proposé se compose d'un corps de robot qui peut se plier et s'allonger, de pieds de robot qui peuvent adhérer et se détacher magnétiquement d'une surface métallique, et de joints rotatifs reliant chaque pied au corps pour donner au robot une flexibilité supplémentaire. Il combine des actionneurs souples en extension pour la déformation du corps et des actionneurs linéaires contractiles pour les pieds du robot, et le robot peut produire des déformations complexes du corps qui lui permettent de surmonter une variété de scénarios. Les capacités du robot proposé ont été vérifiées par la mise en œuvre de trois scénarios sur des surfaces métalliques : ramper, grimper et faire la transition entre les surfaces. Les robots pouvaient ramper ou grimper de manière presque interchangeable, pouvaient passer de et vers des surfaces horizontales à des surfaces verticales vers le haut ou vers le bas.

Les structures en acier sont utilisées dans divers domaines industriels allant des installations de génie civil aux équipements et véhicules spécialisés tels que les grues à portique, les conteneurs, les ponts, les véhicules ferroviaires et les gros engins de construction. Les contrôles de sécurité et les travaux de maintenance de ces ouvrages sont aujourd'hui entièrement dépendants de la main d'œuvre mais ces ouvrages sont souvent de très grandes dimensions et constitués d'un assemblage complexe de contrefiches ou de panneaux assemblés entre eux. Ces caractéristiques rendent l'inspection de ces structures chronophage, fastidieuse et peuvent occasionner des blessures au travailleur par des mouvements répétés ou des chutes. Pour ces raisons, différents types de robots d'inspection ont été développés pour ces types de structures1,2.

Divers types de robots rigides ont été développés qui peuvent adhérer à diverses surfaces en utilisant différentes méthodes de fixation. Des méthodes d'escalade de mur pour les robots d'escalade de mur à quatre pattes ont été développées grâce à l'utilisation d'aimants, de crochets, de structures inspirées du gecko et de tampons d'adhérence humides3,4,5,6,7. Des approches pour les robots à quatre roues capables d'adhérer aux murs ont été développées en utilisant des ventilateurs de conduit électriques ou en utilisant des aimants pendant que les roues déplacent le robot8,9. Des robots rampants utilisant des chenilles avec différents mécanismes d'adhérence ont été utilisés tels que des aimants ou des ventouses capables d'effectuer des mouvements avancés tels que se déplacer du sol au mur et franchir des obstacles10,11,12. Il a été démontré que les robots biomimétiques ressemblant à des chenilles avec des mécanismes similaires ont une capacité remarquable à surmonter les obstacles13,14. Des robots équipés de systèmes de détection embarqués et de batteries ont démontré leurs capacités à analyser la fatigue et les fissures sur les ponts15,16. Cependant, ces robots utilisant des moteurs et des mécanismes rigides sont encombrants et manquent de flexibilité de sorte qu'ils sont limités à fonctionner dans des environnements très ouverts tels que des surfaces régulières et continues avec de grands dégagements et peu d'obstacles.

Les robots souples sont intrinsèquement conformes en raison des matériaux souples dont ils sont composés, et cette conformité leur permet d'être hautement adaptables à leur environnement17,18. Des robots biomimétiques de vers et d'inchworms utilisant la friction pour la locomotion rampante ont été développés19,20,21,22. Mais ceux-ci ne se sont pas montrés capables d'escalader les murs. Ils peuvent être modifiés pour l'escalade de tuyaux en utilisant des pieds qui s'enroulent autour de la section extérieure du tuyau pour produire une force de préhension23,24,25,26, et à travers l'intérieur des tuyaux en élargissant leurs pieds pour créer une friction avec le tuyau27,28,29. Les pieds des robots biomimétiques utilisant des démarches inspirées du gecko et du ver peuvent être remplacés par des ventouses pour augmenter l'adhérence et permettre l'escalade de surfaces verticales telles que les murs30,31,32. L'utilisation de corps de flexion segmentés et omnidirectionnels a permis la transition entre le sol et le mur33,34, mais cela n'a pas été démontré pour la transition vers les murs à angle droit vers le bas à partir du sol. Un problème potentiel avec l'utilisation de ventouses pour l'adhérence est qu'elles ne fonctionnent que sur des surfaces planes et non texturées, ce qui limite considérablement leur application dans des scénarios réels. Des robots rampants adhésifs électrostatiques ont été développés comme alternative35,36,37, mais ceux-ci nécessitent des tensions élevées pour un fonctionnement qui peut ne pas être sûr dans un environnement industriel.

Cet article propose un robot grimpeur utilisant l'adhérence magnétique et utilisant des actionneurs gonflables souples pour contrôler l'adhérence magnétique des pieds et déformer le corps. Cela permet au robot de fonctionner facilement sur des surfaces magnétiques et de faire la transition entre des surfaces perpendiculaires. Le corps du robot se compose d'un mécanisme de ciseaux déformable capable d'être déformé linéairement, horizontalement et verticalement, et il utilise des actionneurs souples d'extension avec une configuration initiale en zigzag pour produire des forces d'extension pour entraîner la déformation du corps du robot. Il a également des articulations rotatives à chaque extrémité du corps pour augmenter l'amplitude de mouvement du robot. La conception et l'assemblage du robot sont illustrés, suivis d'une évaluation des performances des éléments individuels du robot. Enfin, les capacités du robot pour ramper, grimper et faire la transition entre des surfaces perpendiculaires sont démontrées.

Un robot souple rampant avec des pieds magnétiques est proposé dans ce travail où des actionneurs gonflables souples sont utilisés pour déformer le corps et contrôler l'adhérence magnétique des pieds du robot (Fig. 1a). Le robot se compose d'un corps de robot de flexion, de pieds magnétiques et d'articulations rotatives reliant chaque pied au corps pour donner une flexibilité supplémentaire au mouvement du corps lors de la transition entre les surfaces. Le corps peut se plier dans les deux sens, se contracter et s'étendre, et il est responsable des mouvements de rampement et de rotation. Les joints de rotation sont utilisés spécifiquement pour faire la transition entre des surfaces telles qu'entre le sol et un mur. La particularité de ce robot rampant est sa capacité à se fixer et à se détacher magnétiquement des surfaces magnétiques à l'aide d'actionneurs gonflables souples.

(a) Conception de robot composée de deux pieds, de deux articulations rotatives et d'un corps de robot, (b) assemblage d'un pied magnétique, (c) assemblage d'une articulation rotative et (d) assemblage d'un corps de robot.

Chaque pied de robot est constitué de deux surfaces situées dans le même plan où l'une est fixe et l'autre peut se déformer autour de son centre grâce à des charnières vivantes (Fig. 1b). Les aimants sont situés sur la surface déformable et l'adhérence se produit lorsque les deux surfaces sont dans le même plan. La rotation de la surface contenant les aimants provoque le détachement des aimants du sol et la perte d'adhérence des pieds. Une structure de support rigide est utilisée pour relier les pieds au joint rotatif et des moteurs de poche sont utilisés pour détacher les aimants du sol38,39. Ces moteurs de poche sont fabriqués à partir d'un textile technique en nylon recouvert de polyuréthane thermoplastique (TPU) qui est scellé à l'aide d'un scellant à impulsion. Trois aimants en néodyme sont fixés à gauche et à droite de la surface de pliage de chaque pied pour un total de six aimants par pied. Les aimants sont des aimants permanents qui ont une puissance magnétique de 5000 Gauss et sont suffisants pour maintenir l'adhérence du robot aux surfaces magnétiques dans différentes orientations.

Les articulations de rotation reliant les pieds au corps consistent en une articulation à un degré de liberté (DOF) avec un axe de rotation rigide qui peut tourner dans le sens vertical (Fig. 1c). L'actionnement de cette articulation est réalisé par la mise sous pression d'actionneurs souples en extension installés entre l'articulation et le corps. Bien que le corps puisse se plier dans la même direction que l'articulation, le corps produit une déformation en flexion douce et plutôt limitée tandis que les articulations rotatives produisent une déformation autour d'un axe défini à chaque extrémité du robot. Ce mouvement est nécessaire pour que les extrémités du robot aient la capacité de rechercher des points d'adhérence tout en maintenant l'adhérence des pieds du robot lors de la transition entre des surfaces perpendiculaires.

Le corps du robot se compose d'un mécanisme de ciseaux flexible avec des actionneurs souples d'extension utilisés pour produire la contraction et l'extension du mécanisme de ciseaux (Fig. 1d). Les mécanismes à ciseaux sont généralement utilisés pour produire des déformations linéaires rigides le long d'un seul axe, mais le mécanisme à ciseaux utilisé dans le robot est fabriqué à partir de pièces en TPU imprimées en 3D dont la flexibilité permet au mécanisme de se plier latéralement dans les directions horizontale et verticale. Des actionneurs souples d'extension sont positionnés sur chacun des quatre côtés du mécanisme de sorte que les actionneurs sur les parties supérieure et inférieure du robot plient le robot dans la direction opposée, et ceux sur les côtés du robot font plier le robot vers les actionneurs sous pression. L'extension du corps est provoquée par l'actionnement simultané des actionneurs supérieur et inférieur, et sa contraction par l'actionnement simultané des actionneurs latéraux.

Comme mentionné précédemment, la déformation du mécanisme à ciseaux et des joints de rotation est réalisée par des actionneurs souples en extension qui consistent en deux tubes gonflables placés de part et d'autre d'une structure flexible en forme de zigzag. Les tubes gonflables sont fabriqués dans le même matériau que le moteur de la poche et la structure flexible en forme de zigzag est fabriquée dans le même matériau TPU que le mécanisme à ciseaux. Les tubes gonflables sont initialement pliés en suivant la forme de la structure flexible en forme de zigzag et se gonflent dans une position droite lors de la pressurisation qui produit une force étendue entre les deux extrémités de l'actionneur. Le dégonflage des tubes amène la structure flexible à repousser les tubes dans leur position d'origine.

Le contrôle pneumatique des actionneurs est effectué à l'aide d'un contrôleur en temps réel (CompactRIO, NI), de deux régulateurs électropneumatiques (ITV2030, SMC) avec huit canaux pneumatiques chacun et d'une pompe pneumatique externe pour fournir la pression d'air (Fig. 1e). Dix des seize canaux sont utilisés pour contrôler le robot où deux sont utilisés pour le pied avant et arrière, quatre pour les actionneurs d'extension supérieur et inférieur du pied avant et arrière, deux pour les actionneurs d'extension supérieur et inférieur du corps, et deux pour les actionneurs d'extension gauche et droit du corps.

Le processus de fixation et de détachement des pieds magnétiques de la surface de contact est nécessaire pour produire la locomotion basée sur l'ancrage typique des robots inchworm. Les pieds adhèrent aux surfaces ferromagnétiques à l'aide des aimants permanents situés sur chaque pied et des moteurs de poche sont utilisés pour détacher la surface contenant les aimants de la surface de contact. Lorsqu'ils sont gonflés, les moteurs de la poche se dilatent latéralement et se contractent sur leur longueur tout en produisant une force qui fait tourner les extrémités libres de la surface inférieure contenant les aimants (Fig. 2a). Une fois détachés de la surface ferromagnétique, les aimants ne produisent qu'une faible force magnétique. Lorsque les moteurs de poche sont dépressurisés, la surface inférieure contenant les aimants se déplie vers la surface ferromagnétique en raison de la force produite par les aimants.

(a) Déformation des pieds pour le test d'adhérence, et (b) résultats du test de force d'adhérence pour les pieds à différents angles de surface magnétique.

La force d'adhérence du pied du robot à différents angles a été mesurée en faisant varier l'angle de la surface magnétique à l'aide d'un limiteur d'angle physique et en actionnant les moteurs de la poche. Ensuite, le pied est retiré de la surface magnétique à l'aide d'une machine d'essai de traction linéaire (ESM-750, MARK-10) équipée d'un dynamomètre de 100 N (M5-20, MARK-10) et d'une vitesse linéaire de 40 mm/min. Une force de 36 N est nécessaire pour détacher les pieds lorsque la surface magnétique est à un angle de 0° (Fig. 2b). Changer l'angle de la surface magnétique, même légèrement, réduit de manière significative la force d'adhérence qui se réduit à 5,42 N à un angle de 5° et à 1,76 N à un angle de 20°. Cette force est suffisante pour maintenir les pieds sur des surfaces non horizontales tout en leur permettant de glisser le long de la surface tandis que l'autre pied reste dans une position fixe.

La déformation du corps du robot se produit par le gonflage d'actionneurs souples d'extension. Ces actionneurs souples sont constitués de deux tubes gonflables placés de part et d'autre d'une structure déformable en forme de zigzag qui se déplie lors de la pressurisation des tubes (Fig. 3a). Trois dimensions de ces actionneurs sont utilisées dans le robot et les différentes dimensions et emplacements où ils sont utilisés sont indiqués dans le tableau 1. La déformation d'extension à partir de l'équilibre des différents actionneurs a été testée sans aucune charge utile en utilisant un marqueur avec le déplacement enregistré à l'aide d'un dispositif de suivi de mouvement (Optitrack, V120 : Trio). Toutes les dimensions ont présenté une grande déformation même à des pressions de 20 kPa, puis une légère augmentation lorsque la pression est augmentée à 120 kPa (Fig. 3b). Les tubes deviennent simultanément rectilignes ce qui augmente leur longueur le long de l'axe de l'actionneur et se rétrécit le long du tube du fait de l'arrondi de leur structure. Ainsi, les actionneurs avec des tubes plus larges s'étendaient moins que ceux avec des tubes plus minces car les tubes plus larges rétrécissaient sur leur longueur en raison de l'arrondi plus prononcé de leur structure. De plus, par rapport aux actionneurs de 20 mm de large, les actionneurs d'une largeur de 15 mm présentent une plage d'erreur significativement plus grande, en particulier à des pressions plus basses. En effet, la pression commence à déformer le squelette qui résiste à la dilatation et peut provoquer des déformations latérales entraînant des variations plus importantes au début de la déformation. Le comportement force/déplacement de chaque dimension d'actionneur a été mesuré à partir de leur point d'équilibre respectif (Fig. 3c), et les actionneurs ont produit une force relativement stable tout au long du mouvement. Les actionneurs plus larges étaient capables de produire une force de pointe plus élevée pour la même longueur d'actionneur, tandis que les actionneurs plus longs produisaient une force légèrement inférieure à celle des actionneurs plus courts en raison du fait que les tubes se déformaient plus facilement latéralement.

(a) Déplacement de l'actionneur souple d'extension, (b) la déformation d'extension en fonction de la pression pour différentes dimensions de l'actionneur, et (c) la force en fonction de la déformation pour différentes dimensions de l'actionneur à une pression de 120 kPa.

Le mécanisme de ciseaux flexible en combinaison avec les actionneurs souples d'extension est ce qui permet la déformation du robot. La locomotion rampante vers l'avant dans la direction horizontale ou verticale est obtenue en étendant et en contractant alternativement le corps. L'extension du corps est obtenue en pressurisant simultanément les actionneurs souples d'extension supérieur et inférieur pour étendre le corps du robot avec les actionneurs latéraux dépressurisés, et la contraction du corps en pressurisant les actionneurs latéraux avec les actionneurs supérieur et inférieur dépressurisés.

La flexion latérale du corps est obtenue en pressurisant les actionneurs du côté vers lequel le robot est amené à se plier. En position horizontale, l'angle entre les deux extrémités des robots a été mesuré pour différentes valeurs de pressions dans les actionneurs (Fig. 4a). On peut voir que l'angle change de manière relativement linéaire avec une augmentation de la pression car le corps du robot offre une résistance qui augmente avec son déplacement (Fig. 4b,c). La flexion verticale du corps est obtenue en pressurisant les actionneurs du côté opposé vers lequel le robot doit se pencher (Fig. 4d). Tout d'abord, le robot a été amené à se plier vers le haut à partir de la position horizontale en gonflant les actionneurs inférieurs (Fig. 4e). Dans ce cas, une pression suffisante est nécessaire pour soulever l'extrémité libre du robot et elle atteint un angle de 78° à une pression de 120 kPa. La flexion peut être effectuée en utilisant uniquement la gravité, mais les actionneurs supérieurs peuvent être utilisés pour produire une forme arrondie qui peut aider à dégager les coins lors de la transition entre des surfaces parallèles. L'angle maximal atteint lors de la flexion vers le bas est de 102° à une pression de 120 kPa (Fig. 4f). Une certaine erreur de déformation angulaire peut être observée pour la plupart des résultats, probablement causée par le frottement dans le corps, les non-linéarités de l'actionneur lui-même et les non-linéarités générales du mécanisme de ciseaux déformable du corps du robot. Les valeurs d'angle des expériences précédentes ont été mesurées à l'aide de marqueurs sur le corps et les pieds et à l'aide de fonctions trigonométriques pour extraire l'angle à l'aide d'un dispositif de suivi de mouvement (Optitrack, V120 : Trio).

(a) Amplitude de mouvement latérale du robot lorsqu'il est placé dans le plan horizontal. Angle de flexion en fonction de la pression du corps du robot lorsque (b) se penche vers la gauche et (c) se penche vers la droite. (d) Amplitude de mouvement du robot dans le plan vertical, (e) angle de flexion par rapport à la pression lors de la flexion vers le haut et (f) vers le bas.

Les articulations rotatives reliant le corps aux pieds peuvent produire une déformation concentrée à chaque extrémité du robot (Fig. 5a). Cette articulation contient des actionneurs d'extension supérieur et inférieur situés sur les parties supérieure et inférieure de l'articulation. La rotation du joint vers le haut nécessite la mise sous pression de l'actionneur inférieur et le joint est initialement à un angle négatif par rapport à l'horizontale lorsque les actionneurs ne sont pas sous pression. L'angle de l'articulation a été mesuré à l'aide d'un marqueur et d'un dispositif de suivi de mouvement comme précédemment. La mise sous pression de l'actionneur inférieur permet à l'articulation d'atteindre son angle maximum de 38° vers le haut à une pression de 120 kPa (Fig. 5b). Dans ce cas, il existe une plage d'erreur particulièrement large à 60 à 80 kPa qui est due aux non-linéarités de l'actionneur utilisé dans le joint. Cet angle maximal est dû à la limite mécanique de la conception du joint. La rotation vers le bas nécessite de pressuriser le vérin supérieur et l'articulation dans ce sens peut atteindre un angle de -55° à une pression de 120 kPa (Fig. 5c). Cette amplitude de mouvement est suffisante pour aider le robot à surmonter un large éventail d'obstacles.

(a) Déformation de l'articulation rotative, (b) angle de rotation en fonction de la pression lors de la rotation vers le haut et (c) vers le bas.

Le robot proposé est capable de ramper horizontalement, de grimper verticalement et de passer d'une surface horizontale à une surface perpendiculaire vers le haut ou vers le bas. Le robot utilise un mode de locomotion rampant à deux ancres et, en ancrant magnétiquement l'un de ses pieds, peut déformer le corps dans n'importe quelle direction. Comme le corps est suffisamment rigide pour l'empêcher de se déformer sous son propre poids, la locomotion rampante est la même que l'on rampe sur une surface plane ou sur un mur. Ainsi, ramper horizontalement ou verticalement se fait en ancrant le pied arrière, en élargissant le corps, en ancrant le pied avant, en contractant le corps et en répétant ce processus (Fig. 6a).

(a) des marches pour ramper ou grimper, (b) des marches pour passer d'une surface horizontale à une surface verticale ascendante, et (c) des marches pour passer d'une surface horizontale à une surface verticale descendante.

Le transfert entre une surface horizontale et une surface perpendiculaire vers le haut implique que le robot rampe près du bord de transition entre les surfaces avec le corps contracté, en ancrant le pied arrière et en utilisant une combinaison des articulations de rotation et des déformations du mécanisme de ciseaux flexibles pour étendre le corps et amener le pied avant perpendiculairement sur la deuxième surface, puis des cycles supplémentaires d'extension et de contraction peuvent être nécessaires avant de pouvoir ancrer les deux pieds sur la deuxième surface (Fig. 6b). Les cycles supplémentaires de contraction et d'extension peuvent être nécessaires car la foulée du robot est inférieure à la longueur du corps et un seul cycle n'est pas suffisant pour amener toute la longueur du robot sur la seconde surface. Le transfert entre une surface horizontale et une surface perpendiculaire vers le bas implique un processus très similaire à celui de la surface vers le haut (Fig. 6c). Des cycles d'ancrage du pied arrière, d'extension du corps, d'ancrage du pied avant et de contraction du corps sont utilisés pour déplacer les pieds vers l'avant à chaque cycle jusqu'à ce que les deux pieds puissent passer sur la surface verticale (Vidéo supplémentaire 1).

Tout d'abord, la capacité de locomotion rampante du robot proposé a été testée sur une surface plane où l'extension du corps a été réalisée en pressurisant simultanément les actionneurs d'extension supérieur et inférieur (Fig. 7a). Pour ce scénario, le moteur de poche utilisé pour détacher les pieds utilisait une pression de 20 kPa et les actionneurs souples d'extension utilisés pour le mécanisme de contraction et de gonflage du corps utilisaient une pression de 120 kPa. La longueur de foulée du robot était de 8,14 cm, ce qui correspond à 27,1 % de la longueur du corps par foulée, et la vitesse moyenne du robot était de 5,31 mm/s (Fig. 7b). Il serait possible d'ajuster la longueur de pas du robot en utilisant une pression plus faible pour produire des déplacements précis du robot et un débit plus élevé entrant et sortant des actionneurs pourrait être utilisé pour augmenter encore la vitesse du robot.

(a) Modèles de pression et (b) mouvement pendant la locomotion rampante. (c) Modèles de pression et (d) mouvement pendant la locomotion d'escalade.

Le scénario de locomotion en escalade a été mis en œuvre dans l'axe vertical avec la gravité agissant sur la longueur du robot. Des pressions similaires ont été utilisées comme dans le scénario de rampement horizontal, mais le moment de l'actionnement de l'extension du corps a été modifié de sorte que les actionneurs supérieurs du corps du robot s'étendent en premier pour maintenir le contact avec la surface (Fig. 7c). Le déplacement moyen par foulée était d'environ 8,08 cm (Fig. 7d), ce qui est légèrement inférieur à celui de la locomotion horizontale rampante. Ceci est dû à la gravité qui agit contre l'extension du robot. La locomotion rampante et grimpante a également été testée dans des conditions humides (vidéo supplémentaire 2).

Le robot peut passer d'un plan horizontal à un plan vertical à un angle perpendiculaire en utilisant le processus détaillé précédemment (Fig. 8a). Des pressions de 80 kPa sont utilisées dans les joints de rotation près des pieds arrière et avant pour plier les extrémités du robot, des pressions de 120 kPa sont utilisées dans les actionneurs situés au bas du corps du robot pour arquer le corps vers le haut, et des pressions de 120 kPa sont utilisées pour la contraction et l'extension du corps du robot. Il convient de noter que seuls les actionneurs situés au bas du corps du robot sont utilisés pour l'extension du corps, et que ceux-ci sont dégonflés tout en pressurisant les actionneurs situés sur le côté du corps du robot lors de la contraction. Au cours de la première étape, le pied arrière du corps du robot est fixé et le pied avant est soulevé de la surface. Au total, 6 cycles ont été nécessaires pour pouvoir faire la transition des deux pieds sur le mur vertical. La transition inverse se fait en suivant la série inverse d'étapes en utilisant un total de 4 cycles (Fig. 8b).

Démonstration de la transition de (a) le sol vers un mur vertical ascendant, et (b) la transition opposée.

Le robot peut passer d'un plan vertical à une plaque horizontale située au-dessus (Fig. 9a). Tout d'abord, l'avant du corps est déplacé sur la surface perpendiculaire en détachant le pied avant, en étendant le corps, en pliant l'articulation du pied avant et en attachant l'avant. Ensuite, les étapes de détachement du pied arrière, de contraction du corps, d'attache du pied arrière, de détachement du pied avant et d'extension du corps sont répétées jusqu'à ce que le pied arrière soit proche du bord. À ce stade, l'étape de contraction suivante peut être utilisée pour amener le pied arrière sur la surface horizontale pour terminer la transition. Pendant la transition, les actionneurs supérieurs du corps du robot sont utilisés pour l'extension du corps du robot afin de maintenir les pieds attachés au sol malgré la force du coin de la surface. Des pressions similaires à celles du test précédent ont été utilisées. Au total, 9 cycles ont été nécessaires pour faire la transition entre les deux surfaces. La transition inverse se fait en suivant la série inverse d'étapes en utilisant un total de 11 cycles (Fig. 9b).

Démonstration de la transition de (a) un mur vertical à une surface horizontale au-dessus du robot, et (b) la transition inverse.

Cet article propose un robot grimpeur utilisant l'adhérence magnétique et utilisant des actionneurs gonflables souples pour contrôler l'adhérence magnétique des pieds et déformer le corps. Cela permet au robot de produire des transitions de surface multimodales entre des surfaces métalliques. Le robot proposé peut ajuster la force d'adhérence des pieds à l'aide de moteurs de poche afin d'attacher et de détacher les pieds tandis que le corps du robot peut se plier horizontalement et verticalement ainsi que se contracter et s'étendre. Des articulations supplémentaires sont situées entre les pieds et le corps pour permettre au robot de passer plus facilement d'une surface à l'autre.

Les capacités du robot proposé ont été vérifiées grâce à la démonstration de trois scénarios : ramper, grimper et passer d'une surface à l'autre. Le robot a pu grimper avec presque la même longueur de foulée que lorsqu'il rampait horizontalement. Le robot devait répéter plusieurs cycles de contraction et d'extension pour effectuer le transfert entre les surfaces. La partie la plus simple de cette transition consistait à passer d'une surface horizontale à une surface verticale ascendante qui nécessitait 6 cycles. La transition d'une surface horizontale à une surface verticale descendante a pris le plus de cycles avec un total de 11. Un corps de robot avec une longueur de foulée plus élevée sera nécessaire pour permettre des transitions plus rapides entre les surfaces.

Le robot proposé est destiné à fonctionner uniquement sur des surfaces métalliques. Cela signifie que le robot n'est pas significativement affecté par l'état de surface et peut exercer de fortes forces d'adhérence si le type de surface approprié est rencontré. Les travaux futurs se concentreront sur l'intégration d'actionneurs de plus grand diamètre avec une course plus élevée pour utiliser des pressions plus faibles dans le corps du robot et sur l'intégration d'un système pneumatique pour une application sans attache.

Les ensembles de données générés pendant et/ou analysés pendant l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Lattanzi, D. & Miller, G. Examen des systèmes d'inspection d'infrastructures robotiques. J. Infrastructure. Syst. 23, 04017004 (2017).

Article Google Scholar

Fisher, M. et al. Un aperçu des défis de vérification et de validation pour les robots d'inspection. Robotique 10, 67 (2021).

Article Google Scholar

Bandyopadhyay, T. et al. Magneto : un robot d'inspection multi-membres polyvalent. IEEE/RSJ Int. Conf. Renseignement. Système de robots. (IROS) 2018, 2253-2260 (2018).

Google Scholar

Bian, S. et al. Un robot d'escalade à quatre pattes avec des épines et un réseau de soies miniatures inspiré du longicorne et du gecko. J. Bionic Eng. 18, 292–305 (2021).

Article Google Scholar

Uno K, Takada N, Okawara T, et al., HubRobo: A Lightweight Multi-Limbed Climbing Robot for Exploration in Challenging Terrain, en 2020 IEEE-RAS 20th International Conference on Humanoid Robots (Humanoids). 2021. p. 209–215.

Sangbae, K. et al. Escalade de surface verticale lisse avec adhérence directionnelle. IEEE Trans. Robot. 24, 65–74 (2008).

Article Google Scholar

Lui, B. et al. Robot grimpant bionique inspiré de l'adhérence humide. IEEE/ASME Trans. Mécatron. 19, 312-320 (2014).

Article Google Scholar

Enjikalayil Abdulkader, R. et al. Sparrow : Un robot grimpant magnétique pour la mesure autonome d'épaisseur dans la maintenance des coques de navires. J. Mar. Sci. Ing. 8, 469 (2020).

Article Google Scholar

Papadimitriou A, Andrikopoulos G, Nikolakopoulos G. Développement et contrôle d'un robot d'escalade différentiel basé sur l'adhérence vortex. 2019 18e Conférence européenne de contrôle (ECC), 2019:1610–1615.

Hu, J. et al. Un robot grimpeur à chenilles magnétique avec une capacité de charge utile élevée sur la surface convexe. Robot. Auton. Syst. https://doi.org/10.1016/j.robot.2021.103907 (2021).

Article Google Scholar

Kermorgant, O. Un robot grimpant magnétique pour effectuer des soudures autonomes dans l'industrie de la construction navale. Robot. Comput.-Intégr. Fab. 53, 178-186 (2018).

Article Google Scholar

Lee, G. et al. MultiTrack : Un robot à chenilles multi-liées avec adhérence par succion pour l'escalade et la transition. Robot. Auton. Syst. 72, 207-216 (2015).

Article Google Scholar

Guan, Y. et al. Un robot escaladeur bipède modulaire avec une grande mobilité et une fonction de manipulation. IEEE/ASME Trans. Mécatron. 18, 1787–1798 (2013).

Article Google Scholar

Khan, MB et al. iCrawl : un robot rampant inspiré de l'inchworm. Accès IEEE 8, 200655–200668 (2020).

Article Google Scholar

Nguyen, ST & La, HM Un robot grimpant pour l'inspection des ponts en acier. J. Intel. Robot. Syst. https://doi.org/10.1007/s10846-020-01266-1 (2021).

Article Google Scholar

Nguyen, ST et al. Un robot grimpant pratique pour l'inspection des ponts en acier. IEEE Int. Conf. Robot. Autom. (ICRA) 2020, 9322–9328 (2020).

Google Scholar

Rodrigue, H. et al. Un aperçu des actionneurs et des robots couplés à un alliage à mémoire de forme. Robot doux. 4, 3–15 (2017).

Article PubMed Google Scholar

Rus, D. & Tolley, MT Conception, fabrication et contrôle de robots mous. Nature 521, 467–475 (2015).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Joey, ZG, Calderón, AA & Pérez-Arancibia, NO Un robot rampant doux inspiré des vers de terre contrôlé par friction. IEEE Int. Conf. Robot. Biomi. (ROBIO) 2017, 834–841 (2017).

Google Scholar

Koh, J.-S. & Cho, K.-J. Robot rampant inspiré d'inchworm en forme d'oméga avec actionneurs à ressort SMA à grand indice et pas (LIP). IEEE/ASME Trans. Mécatron. 18, 419-429 (2013).

Article Google Scholar

Wang, W. et al. Locomotion d'un robot inspiré de l'inchworm en composite souple intelligent (SSC). Bioinspir. Biomi. 9, 046006 (2014).

Article ADS PubMed Google Scholar

Xie, R. et al. PISRob : Un robot souple pneumatique pour se déplacer comme une chenille. IEEE Int. Conf. Robot. Autom. (ICRA) 2018, 3448–3453 (2018).

Google Scholar

Singh G, Patiballa S, Zhang X, et al. Un robot souple grimpeur de tuyaux. Conférence internationale sur la robotique et l'automatisation (ICRA), Montréal, Canada, 2019 : 8450–8456.

Liao, B. et al. Robot grimpant à tige souple inspiré de la locomotion sinueuse du serpent. Rob doux. 7, 500–511 (2020).

Article Google Scholar

Jiang, Y. et al. Robot multimodal grimpeur de tuyaux avec embrayages origami et jambes modulaires souples. Bioinspir. Biomi. 15, 026002 (2020).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Rozen-Levy, S., Messner, W. & Trimmer, BA La conception et le développement de Branch Bot : un robot souple qui rampe sur les branches et s'inspire de la chenille. Int. J. Robot. Rés. 40, 24–36 (2019).

Article Google Scholar

Verma, MS et al. Un robot grimpeur sur tube souple. Robot doux. 5, 133-137 (2018).

Article PubMed Google Scholar

Manfredi, L. et al. Un double ballonnet pneumatique souple (SPID) pour la coloscopie. Sci. Rep. 9, 11109 (2019).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhang, B. et al. Robot souple ressemblant à un ver pour les environnements tubulaires complexes. Robot doux. 6, 399–413 (2019).

Article PubMed Google Scholar

Schiller, L., Seibel, A. & Schlattmann, J. Vers un robot mou grimpant inspiré du gecko. Devant. Neurorobot. 13, 106 (2019).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Tang, Y. et al. Actionneur d'adhérence commutable pour robot souple grimpant amphibie. Robot doux. 5, 592–600 (2018).

Article PubMed Google Scholar

Seibel, A. & Schiller, L. La conception technique systématique aide à créer de nouvelles machines souples. Robot. Biomi. 5, 5 (2018).

Article Google Scholar

Zhang Y, Yang D, Yan P, et al. Robots mous multimodaux inspirés de l'inchworm avec locomotion rampante, grimpante et en transition. Transactions IEEE sur la robotique 2021;1–14.

Huang, W. et al. Robot souple multimodal pour environnements complexes utilisant un actionneur de flexion omnidirectionnel bionique. Accès IEEE 8, 193827–193844 (2020).

Article Google Scholar

Cao, J. et al. Robot souple non attaché capable d'une locomotion stable à l'aide d'actionneurs électrostatiques souples. Mécanique extrême. Lett. 21, 9-16 (2018).

Article Google Scholar

Qin, L. et al. Un robot rampant souple polyvalent avec une locomotion rapide. Robot doux. 6, 455–467 (2019).

Article PubMed Google Scholar

Gu, G. et al. Robots grimpeurs souples. Sci. Robot. 3, eaat2874 (2018).

Article PubMed Google Scholar

Niiyama, R. et al. Moteurs de poche : actionneurs souples imprimables intégrés à la conception informatique. Rob doux. 2, 59–70 (2015).

Article Google Scholar

Lee, H., Oh, N. & Rodrigue, H. Modèles de moteur de poche en expansion pour l'actionnement de flexion douce programmable : Permettre les adaptations du système robotique doux. Robot IEEE. Autom. Mag. 27, 65–74 (2020).

Article Google Scholar

Télécharger les références

Ce travail a été soutenu par la subvention de la National Research Foundation of Korea (NRF) financée par le gouvernement coréen (ministère des Sciences, des TIC et de la planification future) (n° 2020R1A4A1018227 et n° 2021R1A2C4001792).

École de génie mécanique, Université Sungkyunkwan, Suwon, 16419, République de Corée

Parc Gijun et Hugo Rodrigue

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

GP a mené toutes les expériences et préparé tous les chiffres, GP et HR ont écrit et révisé le manuscrit, GP et HR ont proposé l'idée de recherche originale, HR a supervisé la recherche et obtenu un financement pour la recherche.

Correspondance à Hugo Rodrigue.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Vidéo supplémentaire 1.

Vidéo supplémentaire 2.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui permet l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur tout support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Park, G., Rodrigue, H. Robot grimpeur souple à pieds magnétiques pour la locomotion multimodale. Sci Rep 13, 8377 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35667-7

Télécharger la citation

Reçu : 18 août 2022

Accepté : 18 mai 2023

Publié: 24 mai 2023

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

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.