文 | BFT机器人
卡内基梅隆大学（CMU）的机器人研究所正致力于研发一款前沿技术机器人，这款机器人具有绘制和修复天然气管道的双重功能。该创新项目由CMU计算机科学领域的知名教授Howie Choset领导，并携手其团队倾力打造。
这款模块化设计的机器人能够在天然气管道内部自如爬行，不仅能够精确绘制出管道内部的三维地图，还能够敏锐地检测出破旧或存在泄漏风险的管段。更令人瞩目的是，它能够沿着管道内壁涂覆一层特殊的树脂涂层，从而有效地修复破损部分，恢复管道的完整性和安全性。
据美国能源部统计，庞大的地下管道网络负责将天然气输送到全国7,500万户家庭和500多万商业客户。这一任务由120万英里的配送干线和900,000英里的服务管线共同承担。然而，这些管道不仅造价高昂，而且维护起来异常困难。*部分管道因尺寸狭小，人类难以进入进行维修；而有些则因年久失修，甚至从未进行过专业的地图绘制。*若不加以重视，这些管道将面临日益严重的腐蚀问题，从而给公共安全带来巨大隐患。
PART 1
在逼仄的空间中工作，挑战重重
Choset教授在卡内基梅隆大学机器人研究所的团队，过去一直在蛇形机器人领域深耕细作，这也是他们引起美国能源部关注的原因。能源部通过高级研究计划局-能源及其避免密集更换计划的管道快速封装项目，赞助了他们的研究工作。
"我们之所以受到关注，是因为在蛇形机器人领域的研究成果，"Choset解释道，"但鉴于管道环境的特殊性，我们决定打造一款专为管道设计的机器人。"与传统的蛇形机器人不同，Choset和他的团队选择创造了一款爬行机器人。
这款CMU团队的机器人设计独特，搭载在一对2英寸的轮子上，模块顶部还配备了第三个轮子。之所以采用三个轮子设计，是因为机器人需要携带沉重的树脂修复材料和供电电池，因此需要足够的牵引力来拖动高达60磅的有效载荷。
令人印象深刻的是，这款机器人能够在短短八小时内 检查大约9英里 的管道，并在相同的时间内修复约1.8英里 的管道。为了克服狭小空间带来的挑战，CMU团队无法依赖传统的激光雷达和雷达传感器。因此他们研发了一种专为狭窄空间工作而设计的高分辨率光学传感器。Choset透露，他们正在为这些创新传感器申请专利。
"在狭窄的空间里，传统传感器的物理工作原理并不适用，但我们成功创造出了在狭小空间内也能高效工作的激光雷达和视觉系统。"据Choset所述，这款传感器的精度远超预期，团队的测试结果令人振奋。"我们的目标不仅仅是创建管道的几何图，而是创建一个详尽的管道地图，上面标记着管道的形状、连接方式和迷宫般的布局，"Choset说，"我们还将管道内部的纹理映射到这些地图上，为未来的修复工作提供全面的信息支持。"
这一创新性的技术不仅展示了CMU团队在机器人领域的卓越能力，也为天然气管道的维护和管理带来了革命性的变革。
PART 2
机器人如何修复管道
尽管地图绘制无疑是这些爬行机器人功能的核心部分，但它仅仅是冰山一角。CMU团队还为机器人装备了一个配备旋转喷嘴的先进模块。这一创新设计使得树脂能够以前所未有的方式被精确应用------它以连续的珠子形式被喷涂，随着机器人在管道内的移动，这些珠子沿着管壁呈螺旋状上升，犹如一幅细致入微的画卷在管壁上徐徐展开。
"我们与伊利诺伊大学的合作伙伴共同研发了一种独特的树脂型粘液或凡士林类物质，"Choset介绍道，"这种物质允许机器人轻松携带并部署到管道中复杂的区域，一旦粘液被涂抹并随后硬化，你就相当于在原有的管道内部安装了一根全新的管子。"
然而，尽管团队在这一领域取得了显著的成功，但项目的维修方面却因美国能源部的不再赞助而陷入困境。据Choset所述，美国能源部项目管理层的变化使得整个项目的未来充满了不确定性，尽管这对他来说仍然是一项至关重要的工作。与此同时，该团队也在积极收集数据，计划用于构建机器学习算法，以期实现损失的自动化评估。
PART 3
CMU系统的关键：模块化
卡内基梅隆大学团队在设计爬行机器人时，将模块化理念置于核心地位，这一策略使得传动系统、车轮、中心封装、树脂以及动力源等关键组件在必要时都能进行更换或升级。
"模块化设计的魅力在于，它让我们能够灵活构建定制化的解决方案，"Choset教授解释道，"换句话说，完美的机器人或许并不存在，但我们可以通过不断尝试和优化这些组件的排列组合，来逐步逼近理想的机器人形态。"他进一步补充道："模块化的另一个显著优势在于，它能显著加快研发速度。与其从零开始构建全新系统，不如开发一系列可复用的模块，通过不同的组合来满足不同场景的需求。"
Choset对机器人技术充满热情，他特别喜欢机器人在密闭空间中的应用，无论是在搜索和救援任务中，还是在医学检查和核设施维护中，以及现在的管道修复工作。他认为，机器人展现出了巨大的潜力和价值。对于能够在这个狭小的空间里进行精确操纵、感知和预测，Choset认为这始终是一个极富挑战性和吸引力的问题。
展望未来，CMU团队计划继续拓展其机器人产品线。Choset教授透露，他计划在今年晚些时候将这一先进技术推向市场，并以"JP Robotics"的品牌进行推广。
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