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粘脚的机器人可以爬上下和四处走动

喷气发动机可以拥有多达25,000个零件,定期维护是一项繁琐的工作,每个发动机可能需要一个多月。许多部件位于发动机内部深处,如果不拆开机器就无法检查,增加了维护的时间和成本。这个问题不仅限于喷气发动机; 许多复杂,昂贵的机器,如建筑设备,发电机和科学仪器,需要大量的时间和金钱投入进行检查和维护。

哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员创造了一种微型机器人,其电粘附脚垫,折纸踝关节和特殊设计的步行步态使其能够在垂直方向上攀爬和倒置的导电表面,如商用喷气发动机的内壁。这项工作在Science Robotics上报道。

“现在,这些机器人可以在三个方向上进行探索,而不是仅仅在平面上来回移动,这是一个全新的世界,他们可以随意移动并参与其中,”第一作者SébastiendeRivaz说道,他是前研究员现在在Apple工作的Wyss Institute和SEAS。“有朝一日,他们可以对大型机器难以触及的区域进行无创检查,从而节省公司的时间和金钱,使这些机器更安全。”

这款名为HAMR-E(Harvard Ambulatory Micro-Robot with Electroadhesion)的新型机器人是为了应对罗尔斯·罗伊斯向哈佛微机器人实验室发出的挑战而开发的,该机器人询问是否有可能设计和建造一支军队。微型机器人能够爬上人类工作人员无法进入的喷气发动机部件内部。现有的攀爬机器人可以处理垂直表面,但在尝试颠倒时会遇到问题,因为它们需要大量的粘合力来防止它们掉落。

该团队以其现有的微型机器人HAMR为基础的HAMR-E,其四条腿使其能够在平坦的表面上行走并在水中游泳。虽然HAMR-E的基本设计类似于HAMR,但科学家们必须解决一系列挑战,以使HAMR-E成功地粘附并穿过它在喷气发动机中遇到的垂直,倒置和弯曲表面。

首先,他们需要创建粘性脚垫,即使在颠倒时也能保持机器人附着在表面上,但也需要松开以允许机器人通过抬起和放置脚来“行走”。焊盘由聚酰亚胺绝缘的铜电极组成,其能够在焊盘和下面的导电表面之间产生静电力。通过打开和关闭电场可以很容易地释放和重新接合脚垫,该电场以类似于移动机器人腿所需的电压操作,因此需要非常小的额外功率。电粘附脚垫可产生5.56克的剪切力和6.20克的法向力 - 足以使1.48克机器人不会滑落或从其攀爬表面掉落。除了提供高粘合力,

科学家们还为HAMR-E创造了新的踝关节,它可以三维旋转,以补偿腿部行走时的旋转,使其能够保持其在攀爬表面上的方向。关节由分层玻璃纤维和聚酰亚胺制成,并折叠成折纸状结构,允许所有腿的脚踝自由旋转,并在HAMR-E爬升时被动地与地形对齐。

最后,研究人员为HAMR-E创建了一种特殊的行走模式,因为它需要有三个脚垫始终接触垂直或倒置的表面,以防止它掉落或滑落。一只脚从表面释放,向前摆动,并重新连接,而其余三只脚保持与表面连接。同时,脚从抬起的脚对角地施加少量扭矩,以防止机器人在腿部摆动阶段期间远离攀爬表面移动。对其他三个腿重复该过程以产生完整的步行周期,并且与每只脚上的电场切换模式同步。

当在垂直和倒置表面上测试HAMR-E时,它能够连续实现超过一百个步骤而不会分离。它的行走速度与倒置表面上的其他小型攀爬机器人相当,并且比垂直表面上的其他攀爬机器人略慢,但是比水平表面上的其他机器人快得多,使其成为探索具有各种表面的环境的良好候选者。太空中的不同安排。它还能够在水平表面上进行180度转弯。

HAMR-E还成功地围绕喷气发动机的弯曲倒置部分进行操纵,同时保持连接,其被动踝关节和粘性脚垫能够通过增加电粘附电压来适应发动机表面的粗糙和不平坦特征。

该团队正在继续改进HAMR-E,并计划将传感器整合到腿部,以检测和补偿分离的脚垫,这有助于防止它从垂直或倒置的表面脱落。HAMR-E的有效载荷能力也大于其自身重量,开启了携带电源和其他电子设备和传感器以检查各种环境的可能性。该团队还在探索在非导电表面上使用HAMR-E的选项。

“HAMR-E的这次迭代是第一个也是最有说服力的一步,表明这种方法可以用于厘米级攀爬机器人,并且这种机器人将来可以用来探索任何类型的基础设施,包括建筑物,管道相应的作者罗伯特伍德博士说,他是Wyss研究所的创始核心教员,也是SEAS的查尔斯河工程和应用科学教授,他说,引擎,发电机等等。

“虽然学术科学家非常擅长提出在实验室探索的基本问题,但有时需要与了解真实问题的工业科学家合作开发可以转化为有用产品的创新技术。我们很高兴能帮助催化这些在Wyss研究所的合作,以及看到突破性的进展,“Wyss创始总监Donald Ingber,医学博士,博士,同时也是哈佛医学院血管生物学的Judah Folkman教授和血管生物学波士顿儿童医院项目,SEAS生物工程教授。

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