マルチモーダル移動のための磁気足を備えたソフトクライミングロボット

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8377 (2023) この記事を引用

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人工構造物の検査に使用できる検査ロボットは産業用途に大きな可能性を秘めていますが、既存のソフトロボットは障害物が多い複雑な金属構造物の探査にはあまり適していません。本稿では、このような状況に適したソフトクライミングロボットを提案する。ロボットは、制御可能な磁性付着力を備えた足を使用する。ソフトインフレータブルアクチュエーターを使用して、この接着と本体の変形を制御します。提案されたロボットは、曲げたり伸ばしたりできるロボット本体、金属表面に磁力で吸着および取り外しできるロボットの足、およびロボットにさらなる柔軟性を与えるために各足を本体に接続する回転ジョイントで構成されます。体の変形のための伸長ソフトアクチュエータとロボットの足のための収縮リニアアクチュエータを組み合わせており、ロボットはさまざまなシナリオを克服できるように体の複雑な変形を生成できます。提案されたロボットの機能は、金属表面上で、這う、よじ登る、表面間の移動という 3 つのシナリオを実行することによって検証されました。ロボットは、ほぼ同じように這ったり登ったりすることができ、水平面との間で上向きまたは下向きの垂直面に移動することもできました。

鋼構造物は、土木設備からガントリークレーン、コンテナ、橋梁、鉄道車両、大型建設機械などの専用設備・車両に至るまで、さまざまな産業分野で使用されています。これらの構造物の安全チェックとメンテナンス作業は現在完全に人手に頼っていますが、これらの構造物は多くの場合非常に大きく、支柱やパネルを結合した複雑なアセンブリで構成されています。これらの特性により、これらの構造物の検査は時間がかかり、退屈なものとなり、作業者が繰り返し動作したり転倒したりして怪我をする可能性があります。このような理由から、これらのタイプの構造物用にさまざまなタイプの検査ロボットが開発されています1,2。

さまざまな取り付け方法を使用してさまざまな表面に接着できる、さまざまなタイプの剛体ロボットが開発されています。四足壁登りロボットの壁登り方法は、磁石、フック、ヤモリにヒントを得た構造、湿式粘着パッドを使用して開発されてきました3、4、5、6、7。壁に貼り付けることができる四輪ロボットのアプローチは、車輪でロボットを移動させながら電動ダクトファンまたは磁石を使用して開発されています8,9。地面から壁への移動や障害物を乗り越えるなどの高度な動作を実行できる、磁石や吸着パッドなど、さまざまな吸着機構を備えたトラックを使用した這いロボットが使用されています10、11、12。同様のメカニズムを備えた生体模倣シャクトリムシのようなロボットは、障害物を克服する優れた能力を持っていることが示されています 13,14。オンボードセンシングシステムとバッテリーを備えたロボットは、橋の疲労と亀裂を分析する能力を実証しています15、16。しかし、モーターや剛体機構を利用したこれらのロボットは大型で柔軟性に欠けるため、隙間が広く障害物の少ない規則的で連続した表面など、非常にオープンな環境での動作に限定されます。

ソフトロボットは、その素材が柔らかい素材であるため本質的に順応性があり、この順応性により、環境への適応性が高くなります 17,18。摩擦を利用して匍匐運動を行うミミズおよびシャクトリムシの生体模倣ロボットが開発されている19、20、21、22。しかし、これらが壁を登ることができるかどうかは証明されていません。パイプクライミング用に、足をパイプの外側部分に巻き付けてグリップ力を生み出したり 23,24,25,26 したり、足を拡張してパイプとの摩擦を生み出したりしてパイプの内側を通るように改造することができます 27,28。 29. ヤモリやミミズにヒントを得た歩行を使用する生体模倣ロボットの足は、吸着力を高めるために吸盤に置き換えることができ、壁などの垂直面を登ることができます30、31、32。セグメント化された全方向曲げボディの使用により、地面と壁の間の移行が可能になりました 33,34 が、地面から直角下向きの壁への移行については実証されていません。接着に吸盤を使用する場合の潜在的な問題の 1 つは、吸盤が平らで凹凸のない表面でのみ機能するため、実際のシナリオでの用途が大幅に制限されることです。静電粘着式クローリングロボットが代替品として開発されています 35,36,37 が、これらの動作には高電圧が必要であり、産業環境では安全ではない可能性があります。

本稿では、磁気粘着を利用し、足の磁気粘着を制御し、胴体を変形させるソフトインフレータブルアクチュエータを利用したクライミングロボットを提案する。これにより、ロボットは磁性面上で簡単に動作したり、垂直面間を移動したりすることができます。ロボット本体は、直線、水平、垂直に変形できる変形可能なシザー機構で構成されており、初期ジグザグ構成の伸長ソフトアクチュエータを使用して、ロボット本体の変形を駆動する伸長力を生成します。また、ロボットの可動範囲を拡大するために、本体の両端に回転ジョイントが付いています。ロボットの設計と組み立てが示され、その後、ロボットの個々の要素の性能が評価されます。最後に、ロボットの這ったり、登ったり、垂直面の間を移動したりする能力を実証します。

この研究では、磁気足を備えた這うソフトロボットが提案されており、ソフトインフレータブルアクチュエータを使用して本体を変形し、ロボットの足の磁気付着を制御します（図1a）。このロボットは、屈曲ロボット本体、磁気脚、および各足を本体に接続する回転ジョイントで構成されており、表面間を移動する際の本体の動きにさらなる柔軟性を与えます。体は双方向に曲げたり、縮んだり、伸ばしたりすることができ、這ったり回転したりする動作を担当します。回転ジョイントは、特に地面と壁の間などの表面間を移行するために使用されます。この這うロボットの特徴は、柔らかい膨張可能なアクチュエータを使用して磁気表面に磁気的に取り付けたり取り外したりできることです。

(a) 2 つの足、2 つの回転ジョイント、およびロボット本体からなるロボットの設計、(b) 磁性足の組み立て、(c) 回転ジョイントの組み立て、および (d) ロボット本体の組み立て。

各ロボットの足は、同じ平面にある 2 つの表面で構成されており、1 つは固定され、もう 1 つはリビングヒンジによって中心を中心に変形できます (図 1b)。磁石は変形可能な表面に配置されており、両方の表面が同じ平面に沿っている場合に接着が発生します。磁石を含む表面が回転すると、磁石が地面から外れ、足の粘着力が失われます。剛性の支持構造は足を回転ジョイントに接続するために使用され、パウチモーターは磁石を地面から切り離すために使用されます38,39。これらのパウチモーターは、熱可塑性ポリウレタン (TPU) で覆われたナイロンテクニカルテキスタイルで作られており、インパルスシーラーを使用してシールされています。各足の折りたたみ面の左右にネオジム磁石が3個ずつ、1足あたり合計6個取り付けられています。磁石は 5000 ガウスの磁力を持つ永久磁石であり、さまざまな方向の磁性表面へのロボットの付着を維持するのに十分です。

足を体に接続する回転ジョイントは、垂直方向に回転できる剛性の回転軸を備えた単一自由度 (DOF) ジョイントで構成されます (図 1c)。このジョイントの作動は、ジョイントと本体の間に設置された伸長ソフトアクチュエータの加圧によって実現されます。本体はジョイントと同じ方向に曲げることができますが、回転ジョイントがロボットの両端の定義された軸の周りに変形を生成するのに対し、本体は滑らかでかなり制限された曲げ変形を生成します。この動作は、垂直面間を移動するときにロボットの足の接着を維持しながら接着点を探すロボットの端の機能を実現するために必要です。

ロボット本体は、シザー機構の収縮と伸張を生成するために使用される伸長ソフトアクチュエーターを備えた柔軟なシザー機構で構成されています（図1d）。ハサミ機構は一般に、単一の軸に沿った剛性の線形変形を生成するために使用されますが、ロボットで使用されるハサミ機構は 3D プリントされた TPU パーツで作られており、その柔軟性により機構は水平方向と垂直方向の両方に横方向に曲げることができます。拡張ソフトアクチュエータは機構の 4 つの側面のそれぞれに配置されており、ロボットの上部と下部のアクチュエータがロボットを反対方向に曲げ、ロボットの側面にあるアクチュエータがロボットを反対方向に曲げます。加圧アクチュエーター。本体の伸張は上部と下部のアクチュエーターの同時作動によって引き起こされ、本体の収縮は側面のアクチュエーターの同時作動によって引き起こされます。

前述したように、シザー機構と回転ジョイントの変形は、ジグザグ状の柔軟な構造の両側に配置された 2 本の膨張可能なチューブで構成される伸長ソフトアクチュエータによって実現されます。膨張可能なチューブはポーチモーターと同じ素材で作られ、ジグザグ形状の柔軟な構造はシザー機構と同じTPU素材で作られています。膨張可能なチューブは、ジグザグ形状の柔軟な構造の形状に従って最初は曲げられ、アクチュエータの両端間に大きな力を生成する加圧時に真っ直ぐな位置に膨張します。チューブが収縮すると、柔軟な構造がチューブを元の位置に押し戻します。

アクチュエータの空気圧制御は、リアルタイムコントローラ (CompactRIO、NI)、それぞれ 8 つの空気圧チャネルを備えた 2 つの電空レギュレータ (ITV2030、SMC)、および空気圧を供給する外部の空気圧ポンプを使用して実行されます (図 1e)。 16 チャネルのうち 10 チャネルはロボットの制御に使用され、そのうち 2 チャネルは前足と後足に使用され、4 チャネルは前足と後足の上部と下部の伸張アクチュエータに使用され、2 チャネルは本体の上部と下部の伸張アクチュエータに使用されます。本体の左右の伸長アクチュエーター用に 2 つ。

シャクトリムシロボットの典型的なアンカーベースの移動を実現するには、磁性足を接触面に取り付けたり取り外したりするプロセスが必要です。足は、各足に配置された永久磁石を使用して強磁性表面に付着し、ポーチモーターを使用して、磁石を含む表面を接触表面から引き離します。膨張すると、パウチモーターは横方向に拡張し、その長さに沿って収縮し、磁石を含む底面の自由端を回転させる力を生成します (図 2a)。強磁性表面から離れると、磁石は弱い磁力しか発生しません。パウチモーターが減圧されると、磁石によって生成される力により、磁石を含む底面が強磁性表面に向かって曲がりを外します。

(a) 付着力試験における脚部の変形、(b) さまざまな磁性面角度における脚部の付着力試験の結果。

物理的な角度リミッターを使用して磁気表面の角度を変化させ、パウチモーターを作動させることによって、さまざまな角度でのロボットの足の粘着力を測定しました。次に、100 N フォースゲージ (M5-20、MARK-10) を備えた直線引張試験機 (ESM-750、MARK-10) を使用し、線速 40 mm//h でフットアセンブリを磁性面から引き抜きます。分。磁性面の角度が 0°の場合、足を取り外すには 36 N の力が必要です (図 2b)。磁性面の角度を少しでも変えると付着力が大幅に減少し、5°の角度では5.42 N、20°の角度では1.76 Nに減少します。この力は、足を非水平面上に維持するのに十分ですが、もう一方の足は固定位置に留まりながら、足を表面に沿って滑らせることができます。

ロボット本体の変形は、伸長ソフトアクチュエータの膨張によって発生します。これらのソフトアクチュエータは、チューブを加圧すると展開するジグザグ形の変形可能な構造の両側に配置された 2 つの膨張可能なチューブで構成されています (図 3a)。これらのアクチュエータの 3 つの寸法がロボットで使用されており、さまざまな寸法と使用される場所が表 1 に示されています。さまざまなアクチュエータの平衡状態からの伸長変形は、ペイロードを使用せずにマーカーを使用してテストされ、変位が記録されています。モーショントラッキングデバイス (Optitrack、V120:Trio)。すべての寸法は、20 kPa の圧力でも大きな変形を示し、その後圧力が 120 kPa に増加するとわずかに増加しました (図 3b)。チューブは同時に真っ直ぐになり、アクチュエータの軸に沿った長さが増加し、構造の丸みによりチューブの長さに沿って収縮します。したがって、構造の丸みがより顕著であるため、幅の広いチューブはその長さに沿って収縮するため、幅の広いチューブを備えたアクチュエータは、より細いチューブを備えたアクチュエータよりも伸びが小さくなることが見られました。また、幅 20 mm のアクチュエータと比較して、幅 15 mm のアクチュエータは、特に低圧力で大幅に大きな誤差範囲を示します。これは、圧力により拡張に抵抗する骨格が変形し始め、横方向の変形が生じ、その結果、変形の初期部分で大きな変動が生じる可能性があるためです。各アクチュエータ寸法の力対変位挙動は、それぞれの平衡点から測定され（図3c）、アクチュエータは動作全体を通じて比較的安定した力を生成しました。幅の広いアクチュエータは、同じアクチュエータ長さでもより高いピーク力を生成できますが、長いアクチュエータは、チューブが横方向に変形しやすいため、短いアクチュエータよりわずかに小さな力を生成します。

(a) 伸長ソフトアクチュエータの変位、(b) さまざまなアクチュエータ寸法での伸長変形と圧力、(c) 120 kPa の圧力でのさまざまなアクチュエータ寸法での力と変形。

柔軟なシザー機構と伸張型ソフトアクチュエーターの組み合わせにより、ロボットの変形が可能になります。体を交互に伸縮させることで、水平方向または垂直方向への前這い運動を行います。胴体の伸長は、上下の伸長ソフトアクチュエータを同時に加圧して側面のアクチュエータを減圧し、胴体を伸長させ、胴体の収縮は、上下のアクチュエータを減圧した状態で側面のアクチュエータを加圧することで実現されます。

体の横方向の曲げは、ロボットが曲がる側のアクチュエータに圧力を加えることで実現されます。水平位置で、アクチュエータ内の圧力のさまざまな値に対してロボットの両端の間の角度が測定されました (図 4a)。ロボットの本体がその変位に応じて増加する抵抗を提供するため、圧力の増加に応じて角度が比較的直線的に変化することがわかります（図4b、c）。体の垂直方向の曲げは、ロボットが曲げられる方向の反対側のアクチュエーターに圧力を加えることで実現されます (図 4d)。まず、底部のアクチュエータを膨張させることにより、ロボットを水平位置から上に曲げるようにしました（図4e）。この場合、ロボットの自由端を持ち上げるには十分な圧力が必要であり、120 kPa の圧力で自由端は 78°の角度に達します。かがむことは重力のみを使用して行うことができますが、上部のアクチュエーターを使用して丸みを帯びた形状を生成することができ、平行な表面間を移動するときにコーナーを通過するのに役立ちます。下に曲げたときに到達する最大角度は、120 kPaの圧力で102°です（図4f）。ほとんどの結果で角度変形誤差が見られますが、これはおそらく本体内の摩擦、アクチュエータ自体の非線形性、およびロボット本体の変形可能なシザー機構の一般的な非線形性によって引き起こされます。前回の実験の角度値は、体と足のマーカーを使用して測定され、モーショントラッキングデバイス (Optitrack、V120:Trio) を使用して角度を抽出するための三角関数を使用しました。

(a) 水平面に置いたときのロボットの横方向の可動範囲。 (b) 左に曲げる場合と (c) 右に曲げる場合のロボット本体の曲げ角度と圧力。 (d) 垂直面内のロボットの動作範囲、(e) 上方に曲げるときの曲げ角度と、(f) 下方に曲げるときの圧力。

胴体と足を接続する回転ジョイントは、ロボットの両端に集中的な変形を引き起こす可能性があります (図 5a)。このジョイントには、ジョイントの上部と下部に配置された上部および下部の伸長アクチュエータが含まれています。ジョイントを上方に回転するには、下部アクチュエータを加圧する必要があり、アクチュエータが加圧されていないとき、ジョイントは最初は水平から負の角度にあります。関節の角度は、以前と同様にマーカーと動作追跡デバイスを使用して測定されました。下部アクチュエータを加圧すると、120 kPa の圧力でジョイントが最大上向き角度 38° に達します (図 5b)。この場合、ジョイントに使用されるアクチュエータの非線形性により、60 ～ 80 kPa で特に大きな誤差範囲が生じます。この最大角度は、ジョイント設計の機械的制限によるものです。下向きの回転には上部アクチュエータを加圧する必要があり、この方向のジョイントは 120 kPa の圧力で -55°の角度に達する可能性があります (図 5c)。この可動範囲は、ロボットがさまざまな障害物を克服するのに十分です。

(a) 回転ジョイントの変形、(b) 上向き回転時の回転角度と圧力、(c) 下向き回転時の圧力。

提案されたロボットは、水平に這ったり、垂直に登ったり、水平面から上向きまたは下向きの垂直面に移行したりすることができます。このロボットは、2 つのアンカーを使用した這い移動モードを使用し、片方の足を磁気的に固定することで、体を任意の方向に変形させることができます。自重で変形しにくいほど本体が硬いので、平地を這っても壁を這っても同じ動きになります。したがって、水平または垂直に這うことは、後ろ足を固定し、体を拡張し、前足を固定し、体を収縮し、このプロセスを繰り返すことによって行われます（図6a）。

(a) 這いまたはよじ登る移動のステップ、(b) 水平面から上向きの垂直面への移行のステップ、および (c) 水平面から下向きの垂直面への移行のステップ。

水平面と上向きの垂直面の間を移動するには、ロボットが体を縮めた状態で表面間の移行端の近くを這い、後ろ足を固定し、回転ジョイントと柔軟なシザー機構の変形を組み合わせて体を伸ばし、体を移動させます。前足を第 2 の表面に対して垂直にすると、両足を第 2 の表面に固定できるようになるまでに、追加の伸縮サイクルが必要になる場合があります (図 6b)。ロボットの歩幅が体の長さよりも小さく、ロボットの全長を第 2 の表面に到達させるには 1 サイクルでは十分ではないため、追加の収縮と伸張のサイクルが必要になる場合があります。水平面と下向きの垂直面の間の移動には、上向きの面のプロセスと非常によく似たプロセスが含まれます (図 6c)。後ろ足を固定し、体を伸ばし、前足を固定し、体を収縮させるサイクルを使用して、両足が垂直面に移行できるまで各サイクルで足を前に動かします（補足ビデオ 1）。

まず、提案したロボットの這い移動能力を、上部と下部の伸長アクチュエータを同時に加圧することによって体の伸長が実現される平らな面でテストしました（図7a）。このシナリオでは、足の取り外しに使用されるパウチモーターには 20 kPa の圧力が使用され、本体の収縮および膨張機構に使用される伸長ソフトアクチュエーターには 120 kPa の圧力が使用されました。ロボットの歩幅は 8.14 cm で、これは 1 歩あたりの体長の 27.1% に相当し、ロボットの平均速度は 5.31 mm/s でした (図 7b)。より低い圧力を使用してロボットの正確な変位を生成することでロボットの歩幅を調整することが可能であり、アクチュエータに出入りするより高い流量を使用してロボットの速度をさらに高めることができます。

(a) 圧力パターンと (b) 匍匐運動中の動き。 (c) 圧力パターンと (d) 登山移動中の動き。

昇降移動シナリオは、ロボットの長さに沿って重力が作用する垂直軸に実装されました。水平這いのシナリオと同様の圧力が使用されましたが、ロボット本体の上部アクチュエーターが最初に伸びて表面との接触を維持するように、本体の伸長の作動のタイミングが変更されました（図7c）。 1 歩当たりの平均変位は約 8.08 cm (図 7d) で、これは水平這い移動の場合よりわずかに小さいです。これは、ロボットの伸長に反して作用する重力によるものです。這う移動と登る移動の両方が湿った状態でもテストされました (補足ビデオ 2)。

ロボットは、以前に詳細に説明したプロセスを使用して、水平面から垂直面に垂直な角度で移行できます (図 8a)。ロボットの端を曲げるために後足と前足の近くの回転ジョイントで 80 kPa の圧力が使用され、ロボット本体を上向きに弧を描くようにロボット本体の底部にあるアクチュエーターで 120 kPa の圧力が使用されます。 kPaはロボット本体の伸縮に使用されます。なお、胴体の伸長にはロボット本体底部のアクチュエータのみを使用し、収縮時にはロボット本体側のアクチュエータを加圧しながら収縮させる。最初のステップでは、ロボット本体の後足が固定され、前足が表面から持ち上げられます。両足を垂直の壁に乗せるには、合計 6 サイクルが必要でした。逆遷移は、合計 4 サイクルを使用して逆の一連のステップに従うことによって実行されます (図 8b)。

(a) 地面から上向きの垂直壁への移行、および (b) その逆の移行のデモンストレーション。

ロボットは垂直面からその上にある水平板まで移動できます (図 9a)。まず、前足を外して体を伸ばし、前足の関節を曲げて前を付けることで、体の前部を垂直面上に移動させます。その後、後ろ足を外す、体を縮める、後ろ足を付ける、前足を外す、体を伸ばすという手順を、後ろ足がエッジに近づくまで繰り返します。この段階で、次の収縮ステップを使用して後ろ足を水平面に移動し、移行を完了できます。移行中、ロボット本体の上部アクチュエータはロボット本体の伸長に使用され、表面の角の力にもかかわらず足を地面に取り付けた状態を維持します。前回のテストと同様の圧力を使用しました。 2 つの表面間を移行するには、合計 9 サイクルが必要でした。逆遷移は、合計 11 サイクルを使用して逆の一連のステップに従うことによって実行されます (図 9b)。

(a) ロボット上の垂直壁から水平面への移行、および (b) 逆移行のデモンストレーション。

この論文は、磁気接着を利用し、足の磁気接着を制御し、胴体を変形させるためにソフトインフレータブルアクチュエータを利用するクライミングロボットを提案した。これにより、ロボットは金属表面間でマルチモーダルな表面遷移を生成できるようになります。提案ロボットは、パウチモータを用いて足部の粘着力を調整することで足部の着脱を行うことができ、ロボット本体は水平方向、垂直方向に曲げたり、伸縮したりすることができる。追加のジョイントが足と胴体の間に配置されており、ロボットが表面間をより簡単に移動できるようになります。

提案されたロボットの機能は、這う、よじ登る、表面間の移動という 3 つのシナリオのデモンストレーションを通じて検証されました。ロボットは横這いの場合とほぼ同じ歩幅で登ることができた。ロボットは、表面間を移動するために収縮と伸長のサイクルを複数回繰り返す必要がありました。この移行の最も簡単な部分は、水平面から上向きの垂直面への移行であり、これには 6 サイクルが必要でした。水平面から下向きの垂直面への移行には、合計 11 サイクルが最も多くかかりました。表面間の移行をより迅速に行うには、より大きな歩幅を持つロボット本体が必要になります。

提案されたロボットは、金属表面上でのみ機能することを目的としています。これは、ロボットが表面状態の影響をあまり受けず、適切な種類の表面に遭遇した場合に強力な粘着力を発揮できることを意味します。将来の作業は、ロボット本体内でより低い圧力を使用するためのより大きなストロークを備えたより大きな直径のアクチュエータの統合と、拘束されていないアプリケーションのための空気圧システムの統合に焦点を当てます。

現在の研究中に生成されたデータセット、および/または現在の研究中に分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、韓国政府（情報通信技術・未来創造科学省）から資金提供された韓国国立研究財団（NRF）助成金（番号2020R1A4A1018227および番号2021R1A2C4001792）によって支援されました。

成均館大学機械工学部、水原、16419、韓国

パク・ギジュン & ウーゴ・ロドリゲ

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GP がすべての実験を実施し、すべての図を準備し、GP と HR が原稿を書いてレビューし、GP と HR がオリジナルの研究アイデアを思いつき、HR が研究を監督し、研究資金を獲得しました。

ウーゴ・ロドリゲ氏への手紙。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

補足ビデオ1.

補足ビデオ2.

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転載と許可

Park, G.、Rodrigue, H. マルチモーダル移動用の磁気足を備えたソフトクライミングロボット。 Sci Rep 13、8377 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35667-7

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受信日: 2022 年 8 月 18 日

受理日: 2023 年 5 月 18 日

公開日: 2023 年 5 月 24 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35667-7

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