Mechanically-Inflatable Bio-Inspired Locomotion for Robotic Pipeline Inspection
作者: Mostafa A. Atalla, Fabian Trauzettel, Sebastiaan P. van Gelder, Paul Breedveld, Michaël Wiertlewski, Aimée Sakes
分类: cs.RO
发布日期: 2023-11-01 (更新: 2024-03-12)
备注: Accepted paper for RoboSoft 2024
💡 一句话要点
提出机械充气生物启发式机器人以解决管道检测问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 管道检测 软体机器人 机械充气 生物启发 灵活运动 负载能力 自动化技术
📋 核心要点
- 现有管道检测方法在灵活性和适应性方面存在不足，难以应对不同尺寸和形状的管道。
- 本研究提出了一种受寄生蜂卵刺启发的机器人，采用机械充气技术实现灵活运动，适应多种管道环境。
- 实验结果表明，机器人在不同测试条件下的平均运动效率达到70%，并具备13N的载重能力，显示出良好的性能。
📝 摘要（中文）
管道是流体运输的重要组成部分，但其检查任务尤其在小型灵活的生物系统中仍然具有挑战性。本研究探索了一种受寄生蜂卵刺启发的创新机器人，能够在管道中导航和检查。该机器人采用机械充气技术，具备灵活的运动系统，能够适应不同的管道尺寸和形状。实验结果显示，机器人在不同直径比下的平均运动效率达到70%，并且具有显著的载重能力，能够承载约5.8公斤的有效载荷。这一新型软体机器人系统在管道检查和导航方面展现出良好的适应性，具有广泛的应用前景。
🔬 方法详解
问题定义：本论文旨在解决管道检测中机器人灵活性不足的问题，现有方法难以适应不同管道的尺寸和形状，限制了其应用范围。
核心思路：论文提出了一种新型机器人，灵感来源于寄生蜂的卵刺，采用机械充气技术实现灵活的运动方式，以适应多样化的管道环境。
技术框架：该机器人主要由机械充气系统和灵活运动系统组成，机械充气系统负责调整机器人的体积以适应管道，而灵活运动系统则通过往复运动实现推进。
关键创新：最重要的技术创新在于机械充气运动系统的设计，使机器人能够在不同直径比的管道中有效移动，显著提高了运动效率和载重能力。
关键设计：机器人采用了三滑块组的往复运动机制，能够在不同管道条件下实现高效的推进，且在实验中表现出良好的负载能力和适应性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果显示，机器人在不同直径比（0.7-1.5）下的平均运动效率达到70%，并且在负载能力方面表现出13N的持久力，能够有效承载约5.8公斤的负载。这些结果表明该机器人在管道检测中的实际应用潜力。
🎯 应用场景
该研究的机器人系统具有广泛的应用潜力，特别是在需要在狭窄管道中进行检查和导航的场景中，如石油、天然气管道的维护，以及生物系统的监测。未来，该技术可能会推动管道检测领域的自动化和智能化进程。
📄 摘要（原文）
Pipelines, vital for fluid transport, pose an important yet challenging inspection task, particularly in small, flexible biological systems, that robots have yet to master. In this study, we explored the development of an innovative robot inspired by the ovipositor of parasitic wasps to navigate and inspect pipelines. The robot features a flexible locomotion system that adapts to different tube sizes and shapes through a mechanical inflation technique. The flexible locomotion system employs a reciprocating motion, in which groups of three sliders extend and retract in a cyclic fashion. In a proof-of-principle experiment, the robot locomotion efficiency demonstrated positive linear correlation (r=0.6434) with the diameter ratio (ratio of robot diameter to tube diameter). The robot showcased a remarkable ability to traverse tubes of different sizes, shapes and payloads with an average of (70%) locomotion efficiency across all testing conditions, at varying diameter ratios (0.7-1.5). Furthermore, the mechanical inflation mechanism displayed substantial load-carrying capacity, producing considerable holding force of (13 N), equivalent to carrying a payload of approximately (5.8 Kg) inclusive the robot weight. This novel soft robotic system shows promise for inspection and navigation within tubular confined spaces, particularly in scenarios requiring adaptability to different tube shapes, sizes, and load-carrying capacities. This novel design serves as a foundation for a new class of pipeline inspection robots that exhibit versatility across various pipeline environments, potentially including biological systems.