A compact multi-legged mobile robot with leg-mounted adhesion mechanisms for climbing walls in narrow spaces

مع تقدم المدن في العمر، تبدأ المباني والجسور التي تمسك بكيانها في إظهار علامات التقادم. وفي اليابان، يرتفع متوسط عمر هذه البنية التحتية بسرعة، مما يخلق حاجة ملحة لعمليات الفحص والإصلاح المنتظمة. ومع ذلك، فإن إرسال عمال بشريين لفحص الجدران العالية، أو الأنفاق الضيقة، أو المساحات الضيقة حول الآلات الثقيلة يعد أمراً خطيراً وصعباً بشكل متزاي مع انكماش القوى العاملة. ولحل هذه المشكلة، يتجه المهندسون إلى الروبوتات. وبينما تتدحرج بعض الروبوتات على عجلات أو تطير مثل الطائرات المسيرة، فإن هذه الأساليب تواجه صعوبة في التعامل مع الأسطح الوعرة وغير المستوية أو في الزوايا الضيقة حيث تعيق العوائق مسارها. ويكمن الحل الأكثر قدرة على التكيف في تصميم آلات ماشية يمكنها التشبث بالأسطح العمودية، لكن بناء روبوت يمكنه تسلق جدار دون السقوط يتطلب توازناً دقيقاً بين الحركة والتماسك. ولا يكمكن التحدي في مجرد الالتصاق بالجدار، بل في التحرك عبره دون سحب الأجزاء اللاصقة، مما قد يؤدي إلى تمزيقها أو تركها خلفه.

لقد طور باحثون في معهد موروران للتكنولوجيا روبوتاً مدمجاً بأربعة أرجل صُمم خصيصاً للتعامل مع مهام الفحص الصعبة هذه. يجمع نهجهم بين آلية المشي وقبضة تعتمد على الشفط تعمل على مواد مختلفة عديدة، من المعدن الأملس إلى الخرسانة الخشنة. وخلافاً لتصاميم الأرجل الستة السابقة التي كانت ضخمة ومحدودة في كيفية حركتها، يستخدم هذا الروبوت الجديد إطاراً أبسط بأربعة أرجل حيث يحتوي كل رجل على أربعة مفاصل متحركة. وتسمح هذه المرونة الإضافية للروبوت بتأرجح أرجله بحرية، ووضع أقدامه في مواضع جديدة دون الحاجة إلى سحب أكواب الشفط الخاصة به عبر السطح. وقد ركز الفريق بشكل كبير على "أقدام" الروبوت، واختبروا أشكالاً ومواد متنوعة للعثور على النوع الذي يمكنه تحمل أكبر وزن. واكتشفوا أن وسادة دائرية مسطحة مصنوعة من مطاط اليوريثان، بقطر ثلاثين ملم، وفرت أقوى قبضة وأكثرها موثوقية. ومن خلال قياس قوة الشفط هذه بدقة، ضمنوا قدرة الروبوت على التشبث بإحكام حتى أثناء الحركة.

وللتأكد من قدرة الروبوت على التسلق فعلياً، قام الفريق ببناء نموذج أولي واختبار قدرته على الحركة على كل من الأرضيات المسطحة والجدران العمودية. وبرمجوا الآلة لاستخدام نمط مشي قطري: حيث يلتصق رجلان بالجدار لتثبيت الجسم، بينما يتأرجح الرجلان الآخران للأمام أو للخلف لإيجاد مقابض جديدة. سمحت هذه الطريقة للروبوت بنقل وزنه والتقدم للأمام دون فقدان توازنه. وكان جزء حاسم من التصميم هو ضمان بقاء وسادة الشفط عند طرف كل رجل مسطحة تماماً مقابل الجدار، حتى أثناء تحرك الرجل عبر زوايا معقدة. وباستخدام وحدة رجل واحدة، تحقق الباحثون من أن الروابط الميكانيكية يمكنها إبقاء الوسادة موازية للسطح أثناء هذه الحركات، وهو أمر ضروري للحفاظ على ختم قوي. وأكدت الاختبارات أن الروبوت يمكنه التحرك للأمام والخلف على الجدار، وتبديل قبضته وتأرجح أرجله بإيقاع منسق.

كما نظرت الدراسة إلى التصاميم القديمة لفهم سبب إخفاقها. فقد اعتمدت الروبوتات السابقة ذات الأرجل الستة على أكواب شفط سلبية لا تضغط بقوة كافية ضد الجدار، مما أدى إلى ضعف القبضة وعدم استقرار الحركة. كما كانت تلك النماذج القديمة مقيدة بحركات تأرجح بسيطة جعلت من الصعب التنقل في البيئات المعقدة. ويتغلب التصميم الجديد ذو الأربعة أرجل على هذه المشكلات باستخدام مضخة تفريغ نشطة لخلق قوة شفط قوية ومتسقة ومن خلال منح كل رجل حرية أكبر في الحركة. وبينما أجريت الاختبارات الأولية على ألواح أكريليك ملساء، يقر الباحثون بأن الجدران في العالم الحقيقي، والتي غالباً ما تكون مصنوعة من الخرسانة الخشنة، تمثل تحدياً مختلفاً. وهم يخططون لاختبار الروبوت على الأسطح الخرسانية تالياً لمعرفة مدى صمود الشفط أمام النتوءات وعدم الانتظام الموجود في البنية التحتية الفعلية. وفي الوقت الحالي، تظهر النتائج أن الروبوت المدمج ذو الأربعة أرجل مع وسادات شفط مختارة بعناية يعد وسيلة قابلة للتطبيق لفحص الأماكن التي يصعب الوصول إليها، مما يوفر بديلاً أكثر أماناً وقدرة على التكيف للعمال البشريين.