RAMP: Reaction-Aware Motion Planning of Multi-Legged Robots for Locomotion in Microgravity

Autoren: Warley F. R. Ribeiro, Kentaro Uno, Masazumi Imai, Koki Murase, Kazuya Yoshida · ICRA 2023

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 Bewegungsplaner für greifende Laufroboter in Mikrogravitation, der die Trajektorien der Schwungbeine formt und den Körper bewegt, um den Schwungimpuls aufzunehmen, und so Reaktionen verringert, die Greifer lösen.

Warum es wichtig ist

Laufroboter mit greifenden Füßen werden für Asteroiden und Raumstationen vorgeschlagen, wo Hüpfen unkontrolliert ist und treibstoffbasierter Flug begrenzt ist. RAMP bietet auf Planungsebene eine Möglichkeit, die Zugkräfte an den Greifern zu senken, ohne Reibungsschätzungen zu benötigen, und sein einstellbarer Verteilungsfaktor bietet eine reaktionsarme Alternative zur reaktionslosen Regelung, die singuläre Konfigurationen vermeiden kann.

Problem

In Mikrogravitation stammen die einzigen Kräfte, die die Greifer eines Laufroboters von der Oberfläche lösen können, aus seiner eigenen Bewegung, daher riskiert dynamisches Gehen ein Ablösen und den Verlust des Roboters. Quasistatisches Gehen vermeidet dies, ist aber für die Zeitvorgaben einer Mission zu langsam, reibungsbasierte nachgiebige Regelung benötigt Reibungsdaten, die vor einer Mission nicht verfügbar sind, und reaktionslose Regelung wurde nur für einen einzigen Kontakt gezeigt und kann den Roboter in singuläre Posen treiben.

Lösungsansatz

RAMP kombiniert eine Low-Reaction Swing Trajectory, einen Bézier-Schwungpfad 7. Ordnung, dessen Koeffizienten so optimiert werden, dass die maximale Impulsänderung minimiert und die Schritthöhe erreicht wird, mit einer Whole-Body Swing Momentum Distribution. Letztere berechnet eine Basisgeschwindigkeit, die einen Anteil α des Schwungimpulses aufhebt, während die stützenden Greifer auf Geschwindigkeit null gehalten werden; α = 0,5 ergibt eine teilweise Verteilung (RAMP-PMD) und α = 1 eine vollständige Verteilung (RAMP-FMD).

Wichtigste Erkenntnisse

In Mikrogravitation entstehen Zugkräfte an den Greifern nur durch die eigene Bewegung des Roboters, daher verringert die Minimierung seiner Impulsänderung direkt das Ablöserisiko.
Nur die Schwungtrajektorie zu optimieren, verringert Reaktionen, reicht aber nicht aus; zusätzlich muss der Schwungimpuls auf die Basis und die Stützbeine verteilt werden.
Den Schwungimpuls vollständig aufzuheben (α = 1), kann einen Roboter mit geringer Trägheit in eine Singularität treiben, daher muss der Verteilungsfaktor auf Trägheit, Geschwindigkeit und Manipulierbarkeit des Roboters abgestimmt werden.
Die reaktionsarme Schwungtrajektorie verringert Reaktionen teilweise dadurch, dass sie das schwingende Bein näher an den Körper bringt und so dessen Trägheit senkt.

Hauptergebnisse

Simulation eines Hubrobo-ähnlichen vierbeinigen Roboters auf einer rauen Asteroidenoberfläche (10⁻⁶ G, 0,9 N Haltekraft der Greifer): Der Baseline-Plan löste sich, und der Roboter trieb nach wenigen Schritten davon.
In derselben Simulation bewegte sich RAMP-PMD (α = 0,5) 40 cm vorwärts, ohne die Kraftgrenze der Greifer zu überschreiten, während RAMP-FMD (α = 1) die Basis zu weit bewegte und in eine singuläre Konfiguration geriet.
Auf einem zweiarmigen Luftkissen-Schweberoboter, bei dem eine Extremität an einer Platte befestigt war, verringerte RAMP-FMD die maximale Bodenreaktionskraft und das maximale Moment auf 40 % der Baseline (eine Abnahme um bis zu 60 %).
Mittlere Kraft und mittleres Moment sanken je nach Verteilungsfaktor auf zwischen 60 % und 25 % des Baseline-Mittelwerts (eine Abnahme um bis zu 75 %).
Die Körperlage änderte sich im Schwebetest um 11° bei teilweiser und um 21° bei vollständiger Impulsverteilung, ohne Singularitätsprobleme bei diesem Roboter mit höherer Trägheit.

Einschränkungen

Der Verteilungsfaktor muss für jeden Roboter abgestimmt werden, damit nicht mehr Impuls verteilt wird, als der Roboter aufnehmen kann; vollständige Verteilung verursachte in der Simulation eine Singularität.
Der physische Test ist planar und umfasst einen einzigen Schritt, weil der Luftkissen-Schweberoboter nicht kontinuierlich gehen kann; eine Extremität ist an eine Platte geschraubt, sodass ein tatsächliches Ablösen auf der Hardware nicht getestet wird.
Die Ergebnisse zum vierbeinigen Gehen stammen nur aus der Simulation, mit einem nachgiebigen Punktkontaktmodell mit angenommener Oberflächensteifigkeit und -dämpfung.
Trajektorien und inverse Kinematik für das Experiment wurden offline berechnet.

Wirkung auf das Fachgebiet

Finalist für den ICRA 2023 Outstanding Locomotion Paper Award, mit 7 Zitierungen. Mit dem Paper werden weder Code noch Daten oder Hardware-Entwürfe veröffentlicht.

Zusammenfassung

Robotische Mobilität in Mikrogravitation ist notwendig, um die menschliche Nutzung und Erkundung des Weltraums auszuweiten. Bioinspirierte mehrbeinige Roboter sind eine mögliche Lösung für eine sichere und präzise Fortbewegung. Eine dynamische Bewegung eines Roboters in Mikrogravitation kann jedoch zu Ausfällen führen, weil sich Greifer aufgrund übermäßiger Bewegungsreaktionen lösen. Wir schlagen ein neuartiges Reaction-Aware Motion Planning (RAMP) vor, um die Sicherheit der Fortbewegung in Mikrogravitation zu verbessern, indem es das Risiko, den Kontakt zur Geländeoberfläche zu verlieren, durch Verringerung der Impulsänderung des Roboters senkt. RAMP minimiert den Schwungimpuls mit einer Low-Reaction Swing Trajectory (LRST) und verteilt diesen Impuls zugleich auf den ganzen Körper, wodurch eine Geschwindigkeit von null für die stützenden Greifer sichergestellt und Bewegungsreaktionen minimiert werden. Wir verifizieren den vorgeschlagenen Ansatz mit dynamischen Simulationen, die zeigen, dass RAMP eine sichere Bewegung ohne Ablösen der stützenden Greifer erzeugen kann, sodass der Roboter seinen vorgegebenen Ort erreicht. Darüber hinaus validieren wir RAMP in Experimenten mit einem Luftkissen-Schwebesystem und zeigen eine deutliche Verringerung der Reaktionskräfte und eine verbesserte Mobilität in Mikrogravitation.

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