Le robot grimpe aux murs pour les tâches de surveillance, d'inspection et de maintenance

Armé de deux griffes, d'un moteur et d'une queue qui oscille comme le pendule d'une horloge grand-père, un petit robot nommé ROCR (« rocker ») gravit un mur tapissé de 8 pieds en un peu plus de 15 secondes - le premier robot de ce type conçu pour grimper efficacement et se déplacer comme des grimpeurs humains ou des singes se balançant dans les arbres.

« Bien que ce robot puisse éventuellement être utilisé pour l'inspection, la maintenance et la surveillance, le plus grand potentiel à court terme est probablement comme outil d'enseignement ou comme outil jouet vraiment cool », déclare le développeur de robots William Provancher, professeur adjoint de génie mécanique à l'Université de l'Utah.

Son étude sur le développement du robot d'escalade oscillant ROCR devrait être publiée en ligne ce mois-ci par Transactions on Mechatronics, un journal de l'Institute of Electrical and Electronics Engineers et de l'American Society of Mechanical Engineers.

Provancher et ses collègues ont écrit que la plupart des robots d'escalade "sont destinés à la maintenance ou à l'inspection en environnements tels que les extérieurs de bâtiments, de ponts ou de barrages, de réservoirs de stockage, d'installations nucléaires ou de reconnaissance à l'intérieur des bâtiments. »

Mais jusqu'à présent, la plupart des robots objectif de base :ne pas tomber du mur sur lequel ils grimpent.

« Alors que les robots d'escalade précédents se sont concentrés sur des problèmes tels que la vitesse, l'adhérence au mur et la décision de comment et où se déplacer, le ROCR est le premier pour se concentrer sur l'escalade efficace », explique Provancher.

Un précédent robot d'escalade a grimpé environ quatre fois plus vite que ROCR, qui peut grimper à 6,2 pouces par seconde, mais ROCR a atteint une efficacité de 20 pour cent dans les tests d'escalade, « ce qui est relativement impressionnant étant donné que le moteur d'une voiture est efficace à environ 25 % », explique Provancher.

L'efficacité du robot est définie comme le rapport entre le travail effectué dans l'acte de monter et l'énergie électrique consommée par le robot, dit-il.

Le développeur de Provancher Le développement, les tests et l'étude du robot autonome ont été co-écrits par Mark Fehlberg, un étudiant au doctorat en génie mécanique de l'Université de l'Utah, et Samuel Jensen-Segal, un ancien étudiant à la maîtrise de l'Utah qui travaille maintenant comme ingénieur pour un New Hampshire entreprise.

La National Science Foundation et l'Université de l'Utah ont financé la recherche.

ROCR est un échangiste qui se fraie un chemin vers le sommet
D'autres chercheurs ont étudié diverses manières pour les robots d'escalade de coller aux murs, y compris les adhésifs secs, les microépines, les épines dites « dactyles » ou les grosses griffes comme les ROCR, les ventouses, les aimants et même un mélange de adhésif et griffes pour imiter les geckos qui grimpent aux murs.

Maintenant que diverses méthodes ont été testées et éprouvées pour que les robots grimpent sur une variété de surfaces murales, « si vous voulez avoir un robot polyvalent et doté d'une mission -la vie, l'efficacité arrive en tête de liste des choses sur lesquelles se concentrer », dit Provancher.

Néanmoins, « il y a encore beaucoup de travail à faire » avant que les robots d'escalade ne soient d'usage courant, il ajoute.

Certains robots d'escalade précédents étaient de grande taille, avec deux à huit pattes. ROCR, en revanche, est petit et léger :seulement 12,2 pouces de large, 18 pouces de long de haut en bas et pesant seulement 1,2 livre.

Le moteur qui entraîne la queue du robot et une poutre incurvée en forme de poutre barre stabilisatrice attachée au haut du corps du robot. Le haut du corps a également deux petites griffes en acier en forme de crochet pour s'enfoncer dans un mur recouvert de moquette pendant que le robot grimpe. Sans le stabilisateur, les griffes du ROCR avaient tendance à s'éloigner du mur lorsqu'il montait et tombait.

Le moteur entraîne un engrenage au sommet de la queue, faisant osciller la queue d'avant en arrière, ce qui propulse le robot vers le haut. Une batterie se trouve au bout de la queue et fournit la masse nécessaire pour faire pivoter le robot vers le haut.

« ROCR saisit alternativement le mur d'une main à la fois et fait pivoter sa queue, provoquant un centre du déplacement de la gravité qui lève sa main libre, qui saisit ensuite la surface d'escalade », indique l'étude. « Les mains échangent leurs tâches de préhension et le ROCR fait pivoter sa queue dans la direction opposée. »

Le ROCR est autonome et autonome, avec un micro-ordinateur, des capteurs et une électronique de puissance pour exécuter les mouvements de queue souhaités pour le faire grimper .

Provancher dit que pour atteindre l'efficacité, le ROCR imite les animaux et les machines.

« Il poursuit cet objectif d'efficacité avec une conception qui imite les systèmes efficaces à la fois naturels et artificiels, " il dit. "Il imite un gibbon se balançant à travers les arbres et le pendule d'une horloge grand-père, qui sont tous deux extrêmement efficaces."

L'étude dit :conception mécanique - résultent de l'observation du déplacement de masse chez les grimpeurs humains et du mouvement brachiatif [de balancement] chez les animaux. »

Simulation et test d'un robot escalade
Avant de tester le robot lui-même, Provancher et ses collègues ont utilisé un logiciel informatique pour simuler l'escalade du ROCR, en utilisant une telle simulation pour évaluer les stratégies d'escalade les plus efficaces et affiner les caractéristiques physiques du robot.

Ensuite, ils ont mené des expériences, en faisant varier la vitesse et la distance de rotation de la queue du robot, pour déterminer comment faire grimper le robot le plus efficacement possible sur un morceau de contreplaqué de 8 pieds de haut recouvert d'un tapis à poils courts.

Le robot fonctionnait le plus rapidement et le plus efficacement lorsqu'il fonctionnait près de la résonance - près de la fréquence naturelle du robot - de la même manière que le pendule d'une horloge grand-père oscille à sa fréquence naturelle. Avec sa queue oscillant plus lentement, il grimpait mais pas aussi rapidement ou efficacement.

Les chercheurs ont découvert qu'il atteignait la plus grande efficacité - 20 % - lorsque la queue oscillait d'avant en arrière à 120 degrés (ou 60 degrés à chaque côté vers le bas), lorsque la queue se balançait d'avant en arrière 1,125 fois par seconde et lorsque les griffes étaient espacées de 4,9 pouces.

Lorsque la queue a basculé deux fois par seconde, c'était trop rapide et le ROCR a sauté du mur et a été attrapé par un cordon de sécurité afin qu'il ne soit pas endommagé.

Provancher dit que l'étude est la première pour établir une référence pour l'efficacité des robots d'escalade contre laquelle les futurs modèles peuvent être comparés. Il dit que les travaux futurs incluront l'amélioration de la conception du robot, l'intégration de mécanismes plus complexes pour s'agripper aux murs de différentes sortes, tels que la brique et le grès, et l'étude de moyens plus complexes de contrôler le robot, le tout visant à améliorer l'efficacité.

« Des efficacités d'escalade plus élevées prolongeront la durée de vie de la batterie d'un robot autonome et étendront la variété de tâches que le robot peut effectuer », dit-il.

William Provancher, Université de l'Utah.

Le robot d'escalade oscillant ROCR développé par l'ingénieur en mécanique de l'Université de l'Utah William Provancher et ses collègues peuvent escalader efficacement les murs recouverts de moquette à l'aide de deux griffes en forme de crochet, d'un moteur et d'une queue qui oscille comme le pendule d'une horloge grand-père. Ne pesant que 1,2 livre et mesurant 12,2 pouces de large sur 18 pouces de long, il a des utilisations potentielles pour la surveillance, l'inspection, la maintenance, l'enseignement de l'ingénierie et même comme jouet.