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

Naarmate steden ouder worden, beginnen de gebouwen en bruggen die hen bij elkaar houden hun leeftijd te tonen. In Japan stijgt de gemiddelde leeftijd van deze infrastructuur snel, wat een dringende behoefte creëert aan regelmatige inspecties en reparaties. Toch is het gevaarlijk en steeds moeilijker om menselijke werkers naar hoge muren, smalle tunnels of krappe ruimtes rond zware machines te sturen, zeker nu de beroepsbevolking krimpt. Om dit op te lossen, richten ingenieurs zich op robots. Terwijl sommige robots op wielen rollen of vliegen als drones, hebben deze methoden moeite met ruwe, ongelijkmatige oppervlakken of in nauwe hoeken waar obstakels hun pad blokkeren. Een meer aanpasbare oplossing ligt in het ontwerp van loopmachines die verticale oppervlakken kunnen beklimmen, maar het bouwen van een robot die een muur kan beklimmen zonder te vallen, vereist een delicaat evenwicht tussen beweging en grip. De uitdaging is niet alleen om aan de muur te blijven plakken, maar om eroverheen te bewegen zonder de kleverige onderdelen mee te slepen, wat ze zou afscheuren of achterlaten.

Onderzoekers aan het Muroran Institute of Technology hebben een compacte, vierpotige robot ontwikkeld die specifiek is ontworpen om deze moeilijke inspectietaken aan te pakken. Hun aanpak combineert een loopmechanisme met een zuiggebaseerde grip die werkt op veel verschillende materialen, van glad metaal tot ruw beton. In tegen tegenstelling tot eerdere zespotige ontwerpen die lomp waren en beperkt in hun bewegingsvrijheid, gebruikt deze nieuwe robot een eenvoudiger vierpotig frame waarbij elk been vier bewegende gewrichten heeft. Deze extra flexibiliteit stelt de robot in staat om zijn poten vrij te zwaaien en de voeten in nieuwe posities te plaatsen zonder de zuignappen over het oppervlak te hoeven slepen. Het team heeft zich zwaar gericht op de "voeten" van de robot en heeft verschillende vormen en materialen getest om de te vinden die het meeste gewicht kon dragen. Ze ontdekten dat een platte, cirkelvormige pad gemaakt van urethaanrubber, dertig millimeter in diameter, de sterkste en meest betrouwbare grip bood. Door de kracht van deze zuiging zorgvuldig te meten, zorgden ze ervoor dat de robot stevig vast kon houden, zelfs tijdens het bewegen.

Om er zeker van te zijn dat de robot daadwerkelijk kon klimmen, bouwde het team een prototype en testte het vermogen om zowel op vlakke vloeren als op verticale muren te bewegen. Ze programmeerden de machine om een diagonaal looppatroon te gebruiken: twee poten zouden aan de muur blijven plakken om het lichaam stabiel te houden, terwijl de andere twee naar voren of naar achteren zouden zwaaien om nieuwe steunpunten te vinden. Deze methode stelde de robot in staat om zijn gewicht te verplaatsen en een stap voorwaarts te zetten zonder zijn evenwicht te verliezen. Een cruciaal onderdeel van het ontwerp was ervoor zorgen dat de zuigpad aan de punt van elk been perfect plat tegen de muur bleef, zelfs wanneer het been door complexe hoeken bewoog. Met behulp van een enkele beenunit verifieerden de onderzoekers dat de mechanische verbindingen de pad parallel aan het oppervlak konden houden tijdens deze bewegingen, wat essentieel is voor het behoud van een sterke afsluiting. De tests bevestigden dat de robot voorwaarts en achterwaarts op een muur kon bewegen, waarbij hij zijn grip kon wisselen en zijn poten in een gecoördineerd ritme kon zwaaien.

De studie keek ook terug naar oudere ontwerpen om te begrijpen waarom zij tekortschoten. Eerdere zespotige robots vertrouwden op passieve zuignappen die niet hard genoeg tegen de muur drukten, wat leidde tot een zwakke grip en instabiele beweging. Die oudere modellen waren ook beperkt tot eenvoudige zwaaibewegingen, waardoor het moeilijk was om complexe omgevingen te navigeren. Het nieuwe vierpotige ontwerp overwint deze problemen door een actieve vacuümpomp te gebruiken om een sterke, constante zuigkracht te creëren en door elk been meer bewegingsvrijheid te geven. Hoewel de eerste tests werden uitgevoerd op gladde acrylpanelen, erkennen de onderzoekers dat echte muren, vaak gemaakt van ruw beton, een andere uitdaging vormen. Ze zijn van plan de robot als volgende op betonnen oppervlakken te testen om te zien hoe de zuiging standhoudt tegen de bulten en onregelmatigheden die in de werkelijke infrastructuur worden gevonden. Voor nu laten de resultaten zien dat een compacte, vierpotige robot met zorgvuldig gekozen zuigpads een levensvatbare manier is om moeilijk bereikbare plaatsen te inspecteren, wat een veiliger en aanpasbaarder alternatief biedt voor menselijke werkers.