Robô de escalada suave com pés magnéticos para locomoção multimodal

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8377 (2023) Citar este artigo

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Os robôs de inspeção que podem ser usados ​​para inspecionar estruturas feitas pelo homem têm um potencial significativo para aplicações industriais, mas os robôs macios existentes não são adequados para a exploração de estruturas metálicas complexas com muitos obstáculos. Este artigo propõe um robô de escalada suave adequado para tais condições, pois o robô usa pés com uma adesão magnética controlável. Ele usa atuadores infláveis ​​macios para controlar essa adesão, bem como a deformação do corpo. O robô proposto consiste em um corpo de robô que pode dobrar e alongar, pés de robô que podem aderir e se desprender magneticamente de superfícies metálicas e juntas rotacionais conectando cada pé ao corpo para dar flexibilidade adicional ao robô. Ele combina atuadores flexíveis extensionais para a deformação do corpo e atuadores lineares contráteis para os pés do robô, e o robô pode produzir deformações complexas do corpo que permitem superar uma variedade de cenários. As capacidades do robô proposto foram verificadas através da implementação de três cenários em superfícies metálicas: rastejar, escalar e fazer a transição entre superfícies. Os robôs podem rastejar ou escalar de forma quase intercambiável, podem fazer a transição de e para superfícies horizontais para superfícies verticais ascendentes ou descendentes.

As estruturas de aço são usadas em vários campos industriais, desde instalações de engenharia civil até equipamentos e veículos especializados, como guindastes de pórtico, contêineres, pontes, veículos ferroviários e grandes máquinas de construção. Atualmente, as verificações de segurança e os trabalhos de manutenção nessas estruturas dependem inteiramente da mão de obra, mas essas estruturas geralmente são muito grandes e compostas por um conjunto complexo de escoras ou painéis unidos. Essas características tornam a inspeção dessas estruturas demorada, tediosa e podem causar lesões ao trabalhador por meio de movimentos repetidos ou quedas. Por esses motivos, vários tipos de robôs de inspeção têm sido desenvolvidos para esses tipos de estruturas1,2.

Foram desenvolvidos diversos tipos de robôs rígidos que podem aderir a diversas superfícies usando diferentes métodos de fixação. Métodos de escalada de paredes para robôs de escalada de quatro patas foram desenvolvidos por meio do uso de ímãs, ganchos, estruturas inspiradas em lagartixas e almofadas de adesão úmidas3,4,5,6,7. Abordagens para robôs de quatro rodas capazes de aderir às paredes têm sido desenvolvidas usando ventiladores de dutos elétricos ou usando ímãs enquanto as rodas movem o robô8,9. Robôs rastejantes que utilizam pistas com diferentes mecanismos de adesão têm sido utilizados como imãs ou ventosas capazes de realizar movimentos avançados como deslocar-se do solo para a parede e superar obstáculos10,11,12. Robôs biomiméticos semelhantes a lagartas com mecanismos semelhantes demonstraram ter uma capacidade notável de superar obstáculos13,14. Robôs com sistemas de detecção a bordo e baterias demonstraram sua capacidade de analisar fadiga e rachaduras em pontes15,16. No entanto, esses robôs que utilizam motores e mecanismos rígidos são volumosos e pouco flexíveis, limitando-se a operar em ambientes muito abertos, como superfícies regulares e contínuas com grandes vãos e poucos obstáculos.

Os robôs macios são inerentemente compatíveis devido aos materiais macios dos quais são compostos, e essa conformidade permite que eles sejam altamente adaptáveis ​​ao seu ambiente17,18. Robôs biomiméticos vermes e lagartas que utilizam fricção para locomoção rastejante foram desenvolvidos19,20,21,22. Mas estes não se mostraram capazes de escalar paredes. Eles podem ser modificados para escalar tubos usando pés que envolvem a seção externa do tubo para produzir uma força de preensão23,24,25,26 e através do interior dos tubos expandindo seus pés para criar fricção com o tubo27,28, 29. Os pés de robôs biomiméticos que usam marchas inspiradas em lagartixas e minhocas podem ser substituídos por ventosas para aumentar a adesão e permitir a escalada de superfícies verticais como paredes30,31,32. O uso de corpos de flexão segmentados e omnidirecionais permitiu a transição entre o solo e a parede33,34, mas isso não foi demonstrado para a transição para paredes em um ângulo reto descendente do solo. Um possível problema com o uso de ventosas para adesão é que elas funcionam apenas em superfícies planas e não texturizadas, o que limita severamente sua aplicação em cenários reais. Os robôs rastejantes adesivos eletrostáticos foram desenvolvidos como uma alternativa35,36,37, mas requerem altas tensões para operação que podem não ser seguras em ambiente industrial.