業界におけるソフトロボティクス入門

軟質ロボットの分野は、業界ではより適応可能な安全なソリューションを求め、過去10年間に大きな牽引を得ています。金属や硬質プラスチックから構築された伝統的な硬質ロボットとは異なり、軟質ロボットは、生物学的生物の柔軟性と弾性を模倣する、コンプライアンス材料から構築されています。このパラダイムシフトは、特に、精油、不規則、または壊れやすい構造が不可欠である産業検査タスクに関連しています。軟質ロボットは、それらのガスやプロセスを破壊することなく、内部の腐食や汚染、および汚染、および汚染、および汚染の危険性を防止するために、必要な構造を埋め込むことができます。

なぜパイプライン検査のための柔軟なソフトロボット?

産業パイプラインは、多くの場合、長い、曲げられ、破片、腐食、または妨害で満たされています。 伝統的な検査方法は、ホウスコープ、クローラー、および豚(パイプライン検査ゲージ)を含みますが、これらの硬質工具は、スタック、内部ライニングを損傷したり、複雑な幾何学の重要な欠陥を見逃したりすることができます。 ソフトロボットは、一定の人間の介入なしに、不確実な環境をナビゲートする彼らの固有のコンプライアンスと能力のために、説得力のある代替手段を提供します。

高度の操縦性

ソフトロボットは、硬質デバイスを停止するような、逆の曲、Tジャンクション、直径変化を横断することができます。その連続変形性ボディは、それらが、独自の直径と同じくらい小さい径で、パイプを貫通、クロール、またはスリザーすることができます。この機能は、蠕動または過度の運動を作成する分散式メカニズムによって達成されます。

ダメージのリスクを低減

これらのロボットで使用される軟質材料は、パイプ壁に最小圧力を発揮し、繊細なコーティング、ライナー、または古いインフラストラクチャを傷付けたり、破壊する危険性を低下させます。 これは、小さな違反でさえ漏れや汚染につながる可能性がある危険な材料を運ぶパイプラインで特に重要です。

検査を超えて汎用性

視覚検査に加えて、ソフトロボットは、洗浄、シール、または、さらには、スシツのマイナー欠陥を修復するためのツールを装備することができます。 適応性のある体は、超音波トランスデューサ、渦電流センサー、または妥協のない清掃ブラシなどのペイロードを運ぶことができます。

コスト効果

複数のパイプサイズや形状を加工できるソフトロボット設計で、特殊な工具の艦隊の必要性を軽減できます。この適応性は、産業メンテナンス部門の資本支出と在庫コストを削減します。

素材・デザイン原則

あらゆる柔らかいロボットの基礎は材料の構成です。共通の材料はシリコーンのエラストマー(例えば、Ecoflex、ドラゴン スキン)、熱可塑性ポリウレタンおよびハイドロゲルを含んでいます。これらの材料はさまざまな作動方法との伸縮性、破損の抵抗および両立性のために選ばれます。

アクチュエータ

ソフトロボットは、エネルギーを運動に変換する様々なアクチュエータによって駆動されます。最も一般的なタイプは次のとおりです。

  • []空気の作動:[ロボット内の圧縮空気膨張チャンバー、曲げたり、拡張したりします。 この方法は、単純で強力で、適度な圧力でパイプに適しています。 ハーバードとMITの研究グループは、水平方向と垂直パイプをナビゲートできる気性駆動ソフトクローラーを実証しました。
  • [Tendon-Driven Crawlers:[]]ケーブルまたはワイヤは、曲げを作成するためにロボットの体を引っ張ります。 この技術は、精密な制御を提供し、柔軟なバックボーンと組み合わせて頻繁に使用されます。 それは、空気よりも速い応答時間を可能にしますが、より複雑な制御システムを必要とするかもしれません。
  • [形状記憶合金(SMA):[]加熱時ニチノール契約などの合金から作られたワイヤ、運動を発生させる。 SMAは軽量でサイレントで、騒音が懸念されるアプリケーションに適しています。 しかし、彼らは遅い冷却と限られた効率に苦しむ。
  • 誘電性エラストマー: これらのスマート素材は、電気分野の下で変形し、高速応答と高緊張を提供します。 有望な間、彼らは高電圧を必要とし、パイプライン検査ロボットの実験段階にまだあります。

センシングとフィードバック

効果的な検査を行うには、ソフトロボットは、配管の状態とロボット独自の状態にデータを提供するセンサーを運ぶ必要があります。一般的なセンサーの統合には、

  • ミニチュアカメラ:[]] LED照明付き高精細カメラは、亀裂、腐食、および遮断の視覚的詳細をキャプチャします。
  • 超音波トランスデューサー:[ 壁厚さ測定および内部欠陥の検出に使用される。
  • 圧力とフローセンサー:[ ローカル圧力を監視し、漏れや閉塞を特定するフロー。
  • ソフトストレントセンサー:[]] ロボットの体内で、曲面と変形を測定し、閉ループ制御を有効にします。

リアルタイムのデータ伝送には無線通信が求められるが、パイプの厚い金属壁は信号を圧迫することができます。研究者は、この課題を克服するために、ロボットのテザーを通して、音響無線LANやデータリレーを探索しています。

各種産業用途

石油・ガス

上下流の操作では、パイプラインは、原油、天然ガス、および洗練された製品を長距離にわたって輸送します。 腐食、腐食、および疲労の亀裂は、一般的な脅威です。 ソフトロボットは、従来のツールが失敗するライザー、フローライン、および海底パイプラインの複雑なネットワークをナビゲートすることができます。 例えば、 Soft Robotics Inc.プラットフォームは、オフショア環境におけるフレキシブルパイプ検査に適応しました。

化学製造

化学プラントは、さまざまな温度と圧力で積極的な流体を運ぶパイプを使用します。化学的に耐性のあるエラストマーから作られた柔らかいロボットは、検査を実行している間、酸性またはアルカリ環境に耐えることができます。彼らの優しい接触は、揮発性設定の爆発の危険性を低下させ、減少します。

水と排水

市水システムは、しばしば亀裂、根本的な侵入、およびバイオフィルムの蓄積を伴う老化パイプを持っています。 ソフトロボットは、視覚的および音響検査を実行し、漏れを検出し、さらにはローカライズされた塩素処理を届けることができます。 ]のような代理店[]]は、非侵襲的な水インフラ評価のための軟質ロボットの研究に資金を供給しています。

食品・飲料

食品加工パイプラインでは衛生管理が欠かせません。食品グレードのシリコーンから作られたソフトロボットは、簡単に洗浄して衛生化することができます。それらは、ラインを汚染することなく、製品残渣、腐食、または異物検査を行うことができます。いくつかの設計は、統合スプレーノズルを使用して、所定の清掃を実行するために進行しています。

課題と限界

約束にもかかわらず、ソフトロボットは、産業パイプラインの普及を広くする前にいくつかのハードルに直面しています。

強さおよびペイロード容量

重荷重や大電力を発揮するのは、ソフト素材はサポートできません。これにより、搬送できるセンサーや工具のサイズと重量が制限されます。研究者は、柔軟性を犠牲にすることなく、負荷能力を向上するために、組込み補強による複合構造を開発しています。

制御と自律性

ソフト素材の非線形動作は、精密な制御が困難になります。従来の硬質ロボットコントローラーは、正確なキネマティックモデルに依存していますが、ソフトロボットの形状は、圧力、摩擦、パイプジオメトリを含む多くの変数に依存します。機械学習やモデル予測制御などの高度な制御戦略は、ソフトロボティクス用に調整されています。]フロンティアは、ロボティクスとAI]の手順で、これらの課題を深掘り下げます。

耐久性および摩耗

繰り返し変形し、粗いパイプ面と接触すると、疲労やひび割れ、パンクを引き起こす可能性があります。材料科学は、自己治癒エラストマーやタフな複合体などの進歩を促進し、軟ロボットの運用寿命を延ばすことを目標としています。

パワーとアクチュエータ速度

空気系は、コンプレッサーとテザーを制限する範囲を必要としています。電池式のソフトロボットはエネルギー密度によって制限されています。研究者は、パイプライン自体のフローを使用して、高効率ポンプとオンボードの発電を調査しています。

3次元の運行

水平・低角パイプのソフトロボットが大まかに伸びる一方で、垂直上昇は追加のグリップ機構を必要とします。 一部の設計では、粘着パッドや多孔管用の磁気足を使用し、他の人はセグメント間の差異的な摩擦に依存しています。

今後の発展とトレンド

こうした限界に迅速に取り組む研究。未知のパイプネットワークの最適なロコモーション戦略を学ぶ統合人工知能を備えたソフトロボットが期待できます。コンピュータビジョンアルゴリズムは、自動欠陥認識を可能にし、人間が過剰視力の必要性を減らすことができます。

多材料および4Dの印刷

添加剤製造により、グレードの剛性、組込みセンサー、および時間(4D印刷)上の形状を変更するアクティブ材料でロボットの制作が可能です。これにより、特定のパイプラインの幾何学とタスクに合わせてカスタム設計されたロボットが実現します。

ワームロボティクス

複数の小さなソフトロボットは、大規模なネットワーク上で検査タスクを並列で分割することができます。彼らは、生物学的スファームが複雑な環境を探索する方法と同様に、より迅速により多くの地面をカバーするために通信し、調整することができます。 ]の科学ロボティクス]からの研究出版物は、ソフトロボットのスファームのための初期の概念を提示しています。

生体内デザイン

自然は、地球小惑星からインサイドバームクロールとヘビスライザまで、無数のインスピレーションを提供します。これらのロコモーションモードを模倣することで、軟質ロボットは、さまざまな清潔さとオリエンテーションのパイプで堅牢なモビリティを達成することができます。スタンフォードやMITなどの大学で作業を続け、これらのバイオインスパイアされたコントローラーを洗練します。

ハイブリッドリジッドソフトシステム

柔軟性に富んだ要素を組み合わせることで、柔軟性が高まるため、より複雑なアプローチが実現します。このハイブリッドは、ソフトなインターフェースやアクチュエーターにもメリットを発揮しながら、より重いペイロードを運ぶことができます。いくつかの商用検査ロボットが、軟式グリッパーやフレキシブルジョイントを組み込んでいます。

コンテンツ

柔軟なソフトロボットは、複雑な産業パイプラインの点検とメンテナンスのための変革的な技術を表しています。 比類のない適応性、安全性、および費用効果の高いアドレスは、従来のツールの欠点の多くを占めています。 課題は、強度、制御、耐久性に残りますが、材料の急速な進歩、センシング、およびインテリジェンスは、成熟した商用展開に向けたこれらのシステムをプッシュしています。 業界は、資産の完全性を引き続き、ダウンタイムを最小限に抑えるにつれて、ソフトロボットはパイプライン検査ツールキットの標準的な部分になり、より安全な作業と長寿命を確保します。