Omni-Roach: A legged robot capable of traversing multiple types of large obstacles and self-righting

Autoren: Jonathan Mi, Yaqing Wang, Chen Li · ICRA 2022

Lizenzen

Open Access
Paper: CC BY 4.0

Alles Folgende stützt sich auf das vollständige Paper unter seiner Lizenz CC BY 4.0; die Abbildung wird mit Nennung der Autoren gezeigt.

Kurz gesagt

Ein kleiner Roboter im RHex-Stil kombiniert abgerundeten Panzer, Flügel und aktiven Schwanz, um Säulen, Stufen, Lücken und grasartige Stäbe zu überwinden und sich selbst aufzurichten, mit von Kakerlaken übernommenen Strategien.

Warum es wichtig ist

Suche und Rettung in Trümmern, Überwachung des Waldbodens und Planetenerkundung erfordern Roboter, die sich durch Hindernisse hindurchdrängen, statt um sie herumzusteuern. Das Paper zeigt, dass sich mehrere Strategien aus Körperform und Anhängen in einen kleinen Roboter integrieren und an jedem Hindernistyp testen lassen.

Problem

Roboter navigieren gut, indem sie Hindernissen ausweichen, tun sich aber schwer in 3-D-Gelände voller großer Hindernisse, wo sie physisch mit ihnen interagieren müssen. Frühere Arbeiten desselben Labors fanden getrennte Strategien für Säulen, Stufen, Lücken, flexible Stäbe und das Selbstaufrichten, doch kein einzelner Roboter vereinte sie.

Lösungsansatz

Omni-Roach ist ein sechsbeiniger Roboter der RHex-Klasse mit nachgiebigen Beinen, einem abgerundeten Panzer, der passiv von Säulen abgelenkt wird und in Lücken rollt, einem oberen Panzer, der sich zum Selbstaufrichten als zwei Flügel öffnet, und einem Schwanz mit Nick- und Gierfreiheitsgrad, mit dem der Körper hochgenickt und auf den Boden getippt wird. Zwei Prototypen wurden gebaut: v1 (1,8 kg, C-förmige Beine) und ein kleinerer v2 (0,75 kg, S-förmige Beine, schnellere Motoren, relativ längerer Schwanz).

Wichtigste Erkenntnisse

Der abgerundete Körper lenkte den Roboter in 100 % der Fälle ohne Sensorik oder aktive Regelung an Säulen vorbei
Ohne Schwanz konnten beide Versionen nicht weit genug nach oben nicken, um eine Stufe zu erklimmen, und v1 blieb beim Hochnicken an Stäben hängen
Bei Stabtests rollte ein nach unten gerichteter, in Gierrichtung oszillierender Schwanz den Körper in die Lücke und löste reibungsbedingten und verhakenden Kontakt; er war der einzige Modus, der bei allen vier Anlaufwinkeln durchkam
Ein statischer, nach unten gerichteter Schwanz durchquerte Stäbe nur bei Anlaufwinkeln von 15° bis 45°, was nahelegt, dass eine Rolle der Schwanzoszillation darin besteht, den Anlaufwinkel anzupassen
Die Verbesserungen von v2 werden relativ längeren Beinen (14 % auf 25 % der Körperlänge), einem relativ längeren Schwanz (54 % auf 73 %) und etwa 4× so hoher Schrittfrequenz zugeschrieben, wobei das Verhältnis von Beinkraft zu Körpergewicht nur von 1,6 auf 1,4 sank

Hauptergebnisse

v2 erklomm eine Stufe von 2,5× Hüfthöhe mit 80 % Erfolg, gegenüber 1,5× Hüfthöhe bei v1
v2 überquerte mit dem Schwanz in Ausgangsstellung eine Lücke von 75 % der Körperlänge (15 cm), gegenüber 48 % (17 cm) bei v1; die Schwanzbewegung verbesserte das Überqueren von Lücken bei keiner der Versionen
v2 durchquerte Stäbe mit einer Lücke von 65 % der Körperbreite (12 cm, etwa 50° Körperrollwinkel), gegenüber 91 % (21 cm, etwa 24° Rollwinkel) bei v1
Selbstaufrichten auf ebenem Boden in 4,0 s mit 100 % Erfolg bei v2 und mit 90 % Erfolg innerhalb von 4 s bei v1
Der Säulenabstand wird in der Zusammenfassung mit 1,1× Körperbreite und im Schlussabschnitt mit 1,08× Körperbreite angegeben (vier Säulen im Abstand von 20 cm, Breite von v2 18,5 cm)
Über mehr als 160 Stabdurchläufe (10 pro Schwanzmodus und Anlaufwinkel) verkürzte das Oszillieren des nach unten gerichteten Schwanzes in Gierrichtung die mittlere Durchquerungszeit bei 15°, 30° und 45° um 30 % gegenüber dem statischen, nach unten gerichteten Schwanz

Einschränkungen

Der Roboter wird zwischen den Fortbewegungsmodi manuell gesteuert; die Autoren nennen Bildverarbeitung und Kontaktkraftsensorik für autonome Übergänge als künftige Arbeit
Bein- und Schwanzmotoren sind zu langsam für ein dynamisches Überqueren von Lücken, daher hilft der Schwanz nicht beim Überqueren von Lücken
Der abgerundete Panzer, der bei Säulen und Stäben hilft, lenkt den Roboter von Stufen ab; die Autoren schlagen einen formveränderlichen Panzer vor
Alle Tests fanden auf einfachen Laborversuchsständen statt (Säulen und Stufen aus Aluminium, Acrylstäbe auf Torsionsfedern, Lochplatte mit Schleifpapier), und das Selbstaufrichten wurde nur auf ebenem Boden getestet

Wirkung auf das Fachgebiet

Finalist für den ICRA 2022 Outstanding Locomotion Paper award, mit 20 Zitierungen. Das Paper gibt keine Veröffentlichung von Code oder Konstruktionsdateien an; ein ergänzendes Video liegt bei.

Zusammenfassung

Roboter sind hervorragend darin, Hindernissen auszuweichen, tun sich aber noch schwer damit, komplexes 3-D-Gelände mit dicht stehenden großen Hindernissen zu durchqueren. Insekten wie Kakerlaken hingegen können das hervorragend. Jüngste Forschung in unserem Labor hat aufgeklärt, wie Übergänge der Fortbewegung aus der Interaktion zwischen Fortbewegung und Umgebung für vielfältige, aus komplexem 3-D-Gelände abstrahierte Fortbewegungsherausforderungen entstehen und welche Strategien diese Herausforderungen überwinden. Hier bauen wir auf diesen grundlegenden Erkenntnissen auf, um einen von Kakerlaken inspirierten Laufroboter, Omni-Roach, zu entwickeln, der diese Strategien für multifunktionale Fortbewegung integriert. Der Roboter basiert auf dem RHex-Design mit sechs nachgiebigen Beinen und besitzt eine abgerundete Körperform mit zwei Flügeln, die sich öffnen lassen, sowie einen aktiven Schwanz mit Freiheitsgraden in Nick- und Gierrichtung. In zwei Entwicklungs- und Testiterationen konnte unser Roboter alle Fortbewegungsherausforderungen mit hoher Leistung und Erfolgsquote bewältigen. Er durchquerte dicht stehende starre Säulen mit nur 1,1× Roboterkörperbreite Abstand, eine Stufe von 2,5× Hüfthöhe, eine Lücke von 0,75× Körperlänge, dicht stehende flexible Stäbe mit nur 65 % seiner Körperbreite Abstand und richtete sich innerhalb von 4 Sekunden selbst auf. Systematische Experimente zum Schwanzeinsatz und zum Anlaufwinkel beim Durchqueren der Stäbe zeigten, dass ein nach unten gerichteter aktiver Schwanz, der gegen den Boden tippt, hilft, den Körper in die Lücke zu rollen und reibungsbedingten und verhakenden Kontakt zu lösen, um hindurchzukommen.

Open Source Robotics