机器人爬墙进行监视、检查、维护工作

一个名叫 ROCR（“摇杆”）的小机器人挥舞着两个爪子、一个电机和一条像大钟摆一样摆动的尾巴，在 15 秒多一点的时间内爬上了铺有地毯的 8 英尺高的墙壁——这是第一个设计用于高效攀爬的机器人并像人类攀岩者或在树上摇摆的猿猴一样移动。

“虽然这个机器人最终可以用于检查、维护和监视，但短期最大的潜力可能是作为教学工具或非常酷的玩具，”机器人开发者、犹他大学机械工程助理教授威廉普罗万彻说。

他对 ROCR 摆动式攀爬机器人开发的研究将于本月由 Transactions 在线发表

Provancher 和他的同事们写道，大多数攀爬机器人“用于维护或检查在 en建筑物的外部、桥梁或水坝、储罐、核设施或建筑物内的侦察等环境。”

但直到现在，大多数攀爬机器人的设计都没有考虑到效率，只是考虑了更多基本目标：不从他们正在攀爬的墙上掉下来。

“虽然之前的攀爬机器人专注于速度、附着在墙上以及决定如何移动和向哪里移动等问题，但 ROCR 是第一个专注于高效攀爬，”Provancher 说。

之前的一款攀爬机器人的上升速度是 ROCR 的四倍，ROCR 可以以每秒 6.2 英寸的速度攀爬，但 ROCR 在攀爬测试中实现了 20% 的效率， “鉴于汽车发动机的效率约为 25%，这相对令人印象深刻，”Provancher 说。

机器人的效率被定义为爬坡过程中完成的功与爬坡过程中消耗的电能之比。机器人，他说。

Provancher 的开发者独立机器人的私奔、测试和研究由犹他大学机械工程博士生 Mark Fehlberg 和前犹他州硕士学位学生 Samuel Jensen-Segal 共同撰写，现在在新罕布什尔州担任工程师公司。

美国国家科学基金会和犹他大学资助了这项研究。

ROCR 是一个挥之不去的摇摆人
其他研究人员研究了攀爬机器人粘在墙壁上的各种方式，包括干粘合剂、微刺、所谓的“dactyl”刺或大爪，如 ROCR、吸盘、磁铁，甚至干

现在已经尝试并证明了机器人可以攀爬各种墙面的各种方法，“如果你想要一个具有多功能性和使命感的机器人- 生活，效率上升到需要重点关注的事情的首位，”Provancher 说。

尽管如此，在攀爬机器人普遍使用之前，“还有很多工作要做”，他说补充。

以前的一些攀爬机器人很大，有两到八条腿。相比之下，ROCR 小而轻：宽仅 12.2 英寸，上下长 18 英寸，重量仅 1.2 磅。

驱动机器人尾部的电机和弯曲的大梁状稳定杆连接到机器人的上半身。当机器人爬升时，上半身还有两个小的、钢制的、钩状的爪子，可以沉入铺有地毯的墙壁。在没有稳定器的情况下，ROCR的爪子在爬升和下降时往往会远离墙壁。

电机驱动尾部顶部的齿轮，使尾部来回摆动，从而向上推动机器人。电池位于尾部的末端，提供向上摆动机器人所需的质量。

“ROCR 交替地用一只手一次抓住墙壁并摆动它的尾巴，造成一个中心重力转移，抬起它的另一只手，然后抓住攀爬表面，“研究说。 “双手交换抓握任务，ROCR 向相反方向摆动尾巴。”

ROCR 是独立和自主的，带有微型计算机、传感器和电力电子设备来执行所需的尾部运动以使其爬升.

Provancher 说，为了实现效率，ROCR 模仿动物和机器。

“它通过模仿自然和人造高效系统的设计来追求效率这一目标， “ 他说。 “它模仿长臂猿在树林间摆动和大钟的摆锤，两者都非常高效。”

研究称：“ROCR 的核心创新——它的节能攀爬策略和简单的机械设计——源于观察人类攀爬者的质量转移和动物的手臂 [摆动] 运动。”

模拟和测试攀爬机器人
在测试机器人本身之前，Provancher 和同事使用计算机软件模拟 ROCR 的攀爬，利用这种模拟来评估最有效的攀爬策略并微调机器人的物理特征。

然后他们进行了实验，改变机器人尾巴摆动的速度和幅度，以确定如何让机器人最有效地爬上一块 8 英尺高的胶合板，上面覆盖着短毛地毯。

当机器人在接近共振（接近机器人的固有频率）时运行速度最快、效率最高，类似于大钟的钟摆以其固有频率摆动的方式。它的尾巴摆动得更慢，但爬升的速度和效率都没有那么快或有效。

研究人员发现，当尾巴来回摆动 120 度（或 60 度到直线向下的每一侧），当尾巴每秒来回摆动 1.125 次，爪子间距 4.9 英寸时。

当尾巴每秒摆动两次时，它太快了，ROCR 从墙上跳下来，被安全绳夹住，因此没有损坏。

Provancher 说这项研究是第一个为攀爬机器人的效率设定一个基准，以供未来模型进行比较。他说，未来的工作将包括改进机器人的设计，集成更复杂的机制来抓取各种墙壁，如砖和砂岩，并研究更复杂的机器人控制方式——所有这些都旨在提高效率。

“更高的攀爬效率将延长独立自主机器人的电池寿命，并扩大机器人可以执行的任务种类，”他说。

犹他大学机械工程师 William Provancher 及其同事开发的 ROCR 摆动攀爬机器人可以使用两个钩状爪子、一个电机和一条像大钟摆一样摆动的尾巴，高效地攀爬地毯。它仅重 1.2 磅，宽 12.2 英寸，长 18 英寸，具有用于监视、检查、维护、教学工程甚至玩具的潜在用途。