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

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

Licencias

• Acceso abierto
• Artículo: CC BY 4.0

Todo lo que sigue se basa en el artículo completo bajo su licencia CC BY 4.0; su figura se muestra con crédito a los autores.

En resumen

Un pequeño robot de estilo RHex combina un caparazón redondeado, alas y una cola activa para pasar pilares, resaltes, huecos y varillas que imitan hierba, y para enderezarse solo, usando estrategias aprendidas de las cucarachas.

Por qué importa

La búsqueda y rescate entre escombros, el seguimiento del suelo forestal y la exploración planetaria necesitan robots que se abran paso a través de los obstáculos en lugar de rodearlos. El artículo muestra que varias estrategias de forma del cuerpo y de apéndices pueden integrarse en un solo robot pequeño y probarse con cada tipo de obstáculo.

Problema

Los robots navegan bien evitando obstáculos, pero tienen dificultades en terrenos 3-D llenos de grandes obstáculos, con los que deben interactuar físicamente. Trabajos anteriores del mismo laboratorio encontraron estrategias separadas para pilares, resaltes, huecos, varillas flexibles y autoenderezamiento, pero ningún robot las combinaba.

Solución propuesta

Omni-Roach es un robot de clase RHex de seis patas con patas flexibles, un caparazón redondeado que se desvía pasivamente al chocar con los pilares y rueda hacia los huecos, un caparazón superior que se abre en dos alas para enderezarse y una cola con cabeceo y guiñada que se usa para levantar la parte delantera del cuerpo y golpear el suelo. Se construyeron dos prototipos: la v1 (1,8 kg, patas en forma de C) y una v2 más pequeña (0,75 kg, patas en forma de S, motores más rápidos, cola relativamente más larga).

Ideas clave

• El cuerpo redondeado desvió al robot más allá de los pilares el 100 % de las veces sin detección ni control activo
• Sin la cola, ninguna de las dos versiones podía levantar la parte delantera lo suficiente para subir un resalte, y la v1 se quedaba atascada levantándose contra las varillas
• En las pruebas con varillas, una cola apuntando hacia abajo y oscilando en guiñada hizo rodar el cuerpo hacia el hueco y rompió el contacto por fricción y por encaje, y fue el único modo que las atravesó en los cuatro ángulos de aproximación
• Una cola estática hacia abajo atravesó las varillas solo con ángulos de aproximación de 15° a 45°, lo que sugiere que una de las funciones de la oscilación de la cola es ajustar el ángulo de aproximación
• Las mejoras de la v2 se atribuyen a patas relativamente más largas (del 14 % al 25 % de la longitud del cuerpo), una cola relativamente más larga (del 54 % al 73 %) y unas 4× la frecuencia de zancada, mientras que la relación entre la fuerza de las patas y el peso del cuerpo solo bajó de 1,6 a 1,4

Resultados principales

• La v2 subió un resalte de 2,5× la altura de la cadera con un 80 % de éxito, frente a 1,5× la altura de la cadera para la v1
• La v2 cruzó un hueco del 75 % de la longitud del cuerpo (15 cm) con la cola en reposo, frente al 48 % (17 cm) para la v1; el movimiento de la cola no mejoró el cruce de huecos en ninguna de las dos versiones
• La v2 atravesó varillas con un hueco del 65 % de la anchura del cuerpo (12 cm, unos 50° de alabeo del cuerpo), frente al 91 % (21 cm, unos 24° de alabeo) para la v1
• Autoenderezamiento en 4,0 s con un 100 % de éxito para la v2, y un 90 % de éxito en menos de 4 s para la v1, sobre suelo plano
• La separación entre pilares se da como 1,1× la anchura del cuerpo en el resumen y como 1,08× la anchura del cuerpo en la sección final (cuatro pilares separados 20 cm, anchura de la v2 18,5 cm)
• En 160 ensayos con varillas (10 por modo de cola y ángulo de aproximación), oscilar en guiñada la cola orientada hacia abajo redujo el tiempo medio de paso un 30 % frente a la cola estática hacia abajo a 15°, 30° y 45°

Limitaciones

• El robot se controla manualmente entre modos locomotores; los autores señalan la visión y la detección de fuerzas de contacto para transiciones autónomas como trabajo futuro
• Los motores de las patas y de la cola son demasiado lentos para cruzar huecos de forma dinámica, por lo que la cola no ayuda a cruzarlos
• El caparazón redondeado que ayuda con los pilares y las varillas desvía al robot de los resaltes; los autores proponen un caparazón que cambie de forma
• Todas las pruebas se hicieron en bancos de ensayo de laboratorio sencillos (pilares y resaltes de aluminio, varillas de acrílico sobre muelles de torsión, tablero perforado con papel de lija), y el autoenderezamiento solo se probó sobre suelo plano

Impacto en el campo

Finalista del premio ICRA 2022 Outstanding Locomotion Paper, con 20 citas. El artículo no indica la publicación de código ni de archivos de diseño; lo acompaña un vídeo complementario.

Resumen

Los robots destacan evitando obstáculos, pero aún tienen dificultades para atravesar terrenos 3-D complejos con grandes obstáculos amontonados. En cambio, insectos como las cucarachas destacan haciéndolo. Investigaciones recientes de nuestro laboratorio esclarecieron cómo surgen las transiciones locomotoras de la interacción entre locomoción y entorno para diversos retos locomotores abstraídos de terrenos 3-D complejos, y qué estrategias superan estos retos. Aquí nos basamos en estos conocimientos fundamentales para desarrollar un robot con patas inspirado en las cucarachas, Omni-Roach, que integra estas estrategias para una locomoción multifuncional. El robot se basa en el diseño de clase RHex con seis patas flexibles y presenta un cuerpo de forma redondeada con dos alas que pueden abrirse y una cola activa con grados de libertad de cabeceo y guiñada. A lo largo de dos iteraciones de desarrollo y pruebas, nuestro robot fue capaz de superar todos los retos locomotores con alto rendimiento y alta tasa de éxito. Atravesó pilares rígidos amontonados separados solo 1,1× la anchura del cuerpo del robot, un resalte de 2,5× la altura de la cadera, un hueco de 0,75× la longitud del cuerpo y varillas flexibles densamente amontonadas separadas solo un 65 % de la anchura de su cuerpo, y se enderezó solo en 4 segundos. Experimentos sistemáticos sobre el uso de la cola y el ángulo de aproximación para atravesar varillas revelaron que una cola activa apuntando hacia abajo y golpeando el suelo ayuda a hacer rodar el cuerpo hacia el hueco y a romper el contacto por fricción y por encaje para atravesarlas.

Enlaces

• arXiv 2112.10614: https://arxiv.org/abs/2112.10614
• DOI 10.1109/ICRA46639.2022.9811372: https://doi.org/10.1109/ICRA46639.2022.9811372
• PDF: https://arxiv.org/pdf/2112.10614v1