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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“机器鼠”出动:微型机器人在地下空间“大展拳脚”

2022-04-25

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城市之上是人类的钢筋之所,所有设施空间,都为两足的人类设计。

  

  但城市之下,又是另一片不一样的世界。燃气、水电、热力、通信等管道网络交互系统星罗棋布,织出了城市的动力脉络,这里是另一类物种的驰骋所——四足爬行动物,蟑螂、老鼠们在这里如履平地。

  

  正如在地面的各种行动有时候需要四足机器人一样,地下的活动则依赖小型四足机器人完成。在极端情况下——燃气爆炸、通信中断,以人力对狭小空间开展探测极为困难,在自然灾害来袭时,更是危机重重。

  

  蛇和蟑螂外形的机器人早已出现,但老鼠也非常善于挤过狭窄的开口和穿越不平坦的地形。

  

  那么,有没有可能用“机器鼠”协助人类进行地下空间的探索呢?

  

  在4 月 7 日发表在IEEE Transactions on Robotics上的一项研究中,北京理工大学的团队“灵微智探”就发布了一款名叫SQuRo的智能类鼠机器人。研究展示了SQuRo以前所未有的敏捷性行走、钻洞和爬过物体的能力。更重要的是,SQuRo 可以从跌倒中重新恢复站立。

  

  研究团队的指导老师,也是北理工教授石青解释说:“尽管腿式机器人在现实世界的应用中非常有前景,但它们在狭窄空间内操作仍然具有挑战性。” “大型四足机器人无法进入狭窄空间,而微型四足机器人可以进入狭窄空间,但由于承载重物的能力有限,因此难以执行任务。”

  

  这也是为什么这个团队没有设计一个大型的四足机器人或微型机器人,而是决定创造SQuRo,灵感正是来自一种非常擅长挤过狭窄空间的动物——老鼠。

  

  基于老鼠X光片还原脊柱灵活度,首个完成立、走、转、爬、复起的小型四足机器人

  

  虽然名字的发音类似英文的松鼠,但是据了解,SQuRo基于某种老鼠rattus norvegicus的身体大小和形态打造,机器人的四条腿各有两个自由度,腰部有两个,头部有两个。这种设置复制了实际老鼠的长而灵活的脊柱,并使机器人能迅速弯曲身体并转身。

  

  SQuRo机器人的最小转弯半径只有0.48个身体长度,这比其他小型四足机器人还要小得多。SQuRo比同类型机器人更“苗条”、也更轻。

  

  研发团队首先使用真实大鼠的X射线来更好地了解动物的解剖结构,尤其是其关节。然后,他们设计了 SQuRO,使其具有与这类啮齿动物相似的结构、运动模式和自由度 (DOF)。这包括肢体、腰部和头部的两个自由度;该设置允许机器人复制真实大鼠灵活的脊柱运动。

  

  SQuRo 通过一系列实验进行了测试,研究团队发布的视频中,机器鼠首先探索了它执行四个关键动作的能力:从蹲下到站立、行走、转身和爬行。转弯结果尤其令人印象深刻,SQuRo 证明它可以在不到自身身长一半的非常狭窄的半径上转弯。“值得注意的是,转弯半径比其他机器人小得多,这保证了在狭窄空间内的敏捷运动,”施说。

  

  接下来,研究人员在更具挑战性的场景中测试了 SQuRo。在他们设计的一种情况下,机器鼠必须穿过一条模仿洞穴环境的狭窄、不规则的通道。SQuRo 成功地通过了这条通道。在另一种情况下,SQuRo 成功地在包括高达 20 度的坡度的场地上装载了 200 克的重量(其自身重量的 91%),这也为它未来真正工作时携带相机、传感器等提供了可能。

  

  1.管道检修机器人市场广阔

  

  去年,英国政府与包括谢菲尔德在内的六所大学开展了一项耗资3500万美元的研究,开发“昆虫机器人”,用于修复地下管道网络。

  

  英国政府的目标是开发出一种1厘米大小的机器人,这种机器人将能通过水、天然气和污水管道,进行管道故障检测。

  

  英国谢菲尔德大学机械工程教授KirillHoroshenkov表示,他们的研究不仅是商业性的,同时也是保持安全可靠的水和能源供应的根本。

  

  KirillHoroshenkov和他的团队进一步扩展了团队的研究目标,他表示,“我们的新研究计划将帮助公共事业公司监控隐藏的管道基础设施,并在出现问题时快速有效地解决问题。”这项创新将首次在地下管道中部署具大量有长期自主性的微型机器人,以及其它新兴的管道内传感器、导航和通信解决方案。

  

  2017年12月,智能化管网泄露检测技术公司PureTechnologies被水及污水处理解决方案供应商Xylem以超过5亿美元的金额收购。Xylem通过收购PureTechnologies,将业务扩大到了石油和天然气市场,使用机电一体化数字检测进行管道检修。

  

  Pure近25%的业务在石油和天然气行业。如今,Pure提供了一套用于地面和管道内部相连的检测的产品,以及数据管理软件。除了向能源行业销售机器、传感器和分析设备,该公司还在全球数千条输水管道中成功部署了设备。

  

  今年2月,测试设备供应商Eddyfi收购了半自动爬行系统机器人制造商Inuktun,这是Eddyfi在不到三年的时间里进行的第六次收购。Eddyfi的CEOMartinthriault表示,将Inuktun的机器人与Eddyfi的传感器和仪器相结合,可以实现按客户要求定制解决方案。

  

  虽然目前大多数微型机器人技术都专注于检测,但微型机器人将有很大可能被用于修复管道。

  

  2.定制机器人提高检修效率

  

  哈佛大学教授RobertWood设计了一款可移动的微型机器人,执行搜索和救援任务。劳斯莱斯工程师受到这种微型机器人的启发,去年夏天,他们开发了依靠用于飞机引擎修理的微型机器人。劳斯莱斯公司的JamesKell表示,如果这些检测修理工作由人工来完成,或许需要5个小时,但有了这些微型机器人,它们可能只需要5分钟就能完成整个检测和修理过程。

  

  哈佛大学研发的机器人对于管道系统来说不够微型,在通过喷气发动机时,会产生摩擦,发出嗡嗡声。为解决这一问题,RobertWood与诺丁汉大学建立了制造和在线技术中心,用于设计和建造一系列定制服务,并研发出了能够远程执行喷气发动机检修的定制微型机器人。

  

  该项目的负责人英国诺丁汉大学DragosAxinte表示,他们的研发工作,可以结合远程控制策略,将机器人的响应时间从几天减少到几个小时。他说:“我们的机器人有一天也可以用于石油、天然气和核能等其他行业。”

  

  结语:微型机器人能减少管道事故发生

  

  机器人可以用于不适合人类工作的危险领域,或者用于完成人类无法完成的复杂工作。管道检测机器人能帮助人类完成地下管道的日常检修和维护,不仅解决了人工检测危险太大的问题,还极大的提高了管道维修的工作效率。

  

  微型机器人的研发取得的不仅是商业上的成就,将微型检修机器人用于石油、天然气、核能的管道检修工作中,还能避免由于管道破裂造成的危险事件,同时也是对能源的保护,这也是微型机器人所取得的社会意义上的成就。

  


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  责任编辑:宫在芹
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