다중 모드 이동을 위한 자기 발을 갖춘 소프트 클라이밍 로봇

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8377(2023) 이 기사 인용

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인공 구조물을 검사하는 데 사용할 수 있는 검사 로봇은 산업 응용 분야에서 상당한 잠재력을 가지고 있지만 기존 소프트 로봇은 장애물이 많은 복잡한 금속 구조물을 탐색하는 데 적합하지 않습니다. 본 논문에서는 로봇이 자기 접착력을 제어할 수 있는 발을 사용하는 조건에 적합한 소프트 클라이밍 로봇을 제안합니다. 부드러운 팽창식 액추에이터를 사용하여 이러한 접착력과 신체 변형을 제어합니다. 제안된 로봇은 구부리고 늘릴 수 있는 로봇 몸체, 금속 표면에 자기적으로 부착하고 분리할 수 있는 로봇 발, 그리고 로봇에 추가적인 유연성을 제공하기 위해 각 발을 몸체에 연결하는 회전 관절로 구성됩니다. 이는 신체 변형을 위한 신축형 소프트 액추에이터와 로봇 발을 위한 수축성 선형 액추에이터를 결합하며, 로봇은 다양한 시나리오를 극복할 수 있는 신체의 복잡한 변형을 생성할 수 있습니다. 제안된 로봇의 성능은 금속 표면에서 크롤링, 오르기, 표면 간 전환의 세 가지 시나리오를 구현하여 검증되었습니다. 로봇은 거의 상호 교환적으로 기어 다니거나 올라갈 수 있으며 수평 표면에서 위쪽 또는 아래쪽 수직 표면으로 전환할 수 있습니다.

철구조물은 토목시설부터 갠트리크레인, 컨테이너, 교량, 철도차량, 대형 건설기계 등 특수장비 및 차량에 이르기까지 다양한 산업분야에 활용됩니다. 이러한 구조물에 대한 안전 점검 및 유지 관리 작업은 현재 전적으로 인력에 의존하고 있지만 이러한 구조물은 종종 매우 크고 서로 결합된 버팀대 또는 패널의 복잡한 조립으로 구성됩니다. 이러한 특성으로 인해 이러한 구조를 검사하는 데 시간이 많이 걸리고 지루하며 반복적인 동작이나 넘어짐으로 인해 작업자가 부상을 입을 수 있습니다. 이러한 이유로 이러한 유형의 구조물을 위해 다양한 유형의 검사 로봇이 개발되었습니다1,2.

다양한 부착 방법을 사용하여 다양한 표면에 부착할 수 있는 다양한 유형의 강성 로봇이 개발되었습니다. 4족 벽 등반 로봇의 벽 등반 방법은 자석, 후크, 도마뱀에서 영감을 받은 구조 및 습식 접착 패드를 사용하여 개발되었습니다3,4,5,6,7. 벽에 부착할 수 있는 4륜 로봇에 대한 접근 방식은 전기 덕트 팬을 사용하거나 바퀴가 로봇을 움직이는 동안 자석을 사용하여 개발되었습니다8,9. 지상에서 벽으로 이동하고 장애물을 극복하는 등의 고급 동작을 수행할 수 있는 자석이나 흡입 패드와 같은 다양한 접착 메커니즘을 가진 트랙을 사용하는 크롤링 로봇이 사용되었습니다. 유사한 메커니즘을 가진 생체 모방 자벌레 유사 로봇은 장애물을 극복할 수 있는 놀라운 능력을 가지고 있는 것으로 나타났습니다13,14. 온보드 감지 시스템과 배터리를 갖춘 로봇은 교량15,16의 피로와 균열을 분석하는 기능을 시연했습니다. 그러나 모터와 견고한 메커니즘을 사용하는 이러한 로봇은 부피가 크고 유연성이 부족하여 간격이 크고 장애물이 거의 없는 규칙적이고 연속적인 표면과 같은 매우 개방된 환경에서 작동하는 데 제한됩니다.

소프트 로봇은 구성되는 부드러운 소재로 인해 본질적으로 규정을 준수하며, 이러한 규정 준수를 통해 환경에 고도로 적응할 수 있습니다. 크롤링 운동을 위해 마찰을 활용하는 벌레 및 자벌레 생체 모방 로봇이 개발되었습니다. 그러나 이들은 벽을 오를 수 있는 것으로 나타나지 않았습니다. 파지력을 생성하기 위해 파이프의 외부 부분을 감싸는 발을 사용하고23,24,25,26 파이프와의 마찰을 생성하기 위해 발을 확장하여 파이프 내부를 통해 파이프 등반을 위해 수정할 수 있습니다. 29. 도마뱀붙이와 벌레에서 영감을 받은 보행을 사용하는 생체 모방 로봇의 발은 흡입 컵으로 교체되어 접착력을 높이고 벽과 같은 수직 표면을 오를 수 있습니다. 세그먼트화 및 전방향 벤딩 바디를 사용하면 지면과 벽 사이의 전환이 가능해졌지만 지면에서 아래쪽 직각으로 벽으로 전환하는 경우에는 입증되지 않았습니다. 접착을 위해 흡입 컵을 사용할 때 발생할 수 있는 한 가지 문제는 평평하고 질감이 없는 표면에서만 작동하므로 실제 시나리오에서의 적용이 심각하게 제한된다는 것입니다. 정전기 접착 크롤링 로봇은 대안으로 개발되었지만 작동을 위해서는 산업 환경에서 안전하지 않을 수 있는 고전압이 필요합니다.