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

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

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 planificador de movimiento para robots con patas y pinzas en microgravedad que da forma a las trayectorias de las patas en balanceo y mueve el cuerpo para absorber la cantidad de movimiento del balanceo, reduciendo las reacciones que desprenden las pinzas.

Por qué importa

Se proponen robots con patas y pies prensiles para asteroides y estaciones espaciales, donde el salto no está controlado y el vuelo basado en propelente es limitado. RAMP ofrece una forma, a nivel de planificación, de reducir las fuerzas de tracción sobre las pinzas sin necesidad de estimar la fricción, y su factor de distribución ajustable ofrece una alternativa de baja reacción al control sin reacción que puede evitar configuraciones singulares.

Problema

En microgravedad, las únicas fuerzas que pueden despegar las pinzas de un robot con patas de la superficie proceden de su propio movimiento, por lo que la marcha dinámica conlleva riesgo de desprendimiento y de pérdida del robot. La marcha cuasiestática lo evita, pero es demasiado lenta para los límites de tiempo de la misión; el control compliante basado en la fricción necesita datos de fricción que no están disponibles antes de una misión, y el control sin reacción solo se demostró para un único contacto y puede llevar al robot a poses singulares.

Solución propuesta

RAMP combina una trayectoria de balanceo de baja reacción, una trayectoria de balanceo de Bézier de 7.º orden cuyos coeficientes se optimizan para minimizar el cambio máximo de cantidad de movimiento mientras se alcanza la altura del paso, con una distribución de la cantidad de movimiento del balanceo a todo el cuerpo. Esta última calcula una velocidad de la base que cancela una fracción α de la cantidad de movimiento del balanceo mientras mantiene las pinzas de apoyo a velocidad nula; α = 0,5 da una distribución parcial (RAMP-PMD) y α = 1 una distribución completa (RAMP-FMD).

Ideas clave

• En microgravedad, las fuerzas que tiran de las pinzas proceden únicamente del propio movimiento del robot, por lo que minimizar su cambio de cantidad de movimiento reduce directamente el riesgo de desprendimiento.
• Optimizar solo la trayectoria de balanceo reduce las reacciones, pero no basta; también hace falta distribuir la cantidad de movimiento del balanceo a la base y a las patas de apoyo.
• Cancelar por completo la cantidad de movimiento del balanceo (α = 1) puede llevar a un robot de baja inercia a una singularidad, por lo que el factor de distribución debe ajustarse a la inercia, la velocidad y la manipulabilidad del robot.
• La trayectoria de balanceo de baja reacción reduce las reacciones en parte acercando la extremidad en balanceo al cuerpo, lo que disminuye su inercia.

Resultados principales

• Simulación de un robot cuadrúpedo similar a Hubrobo sobre una superficie rugosa de asteroide (10⁻⁶ G, fuerza de sujeción de las pinzas de 0,9 N): el plan de referencia se desprendió y el robot salió flotando tras unos pocos pasos.
• En la misma simulación, RAMP-PMD (α = 0,5) avanzó 40 cm sin superar el límite de fuerza de las pinzas, mientras que RAMP-FMD (α = 1) desplazó demasiado la base y cayó en una configuración singular.
• En un robot de doble brazo con flotación por aire y una extremidad fijada a una placa, RAMP-FMD redujo la fuerza y el momento máximos de reacción con el suelo al 40 % de la referencia (una disminución de hasta el 60 %).
• La fuerza y el momento medios bajaron a entre el 60 % y el 25 % de la media de referencia según el factor de distribución (una disminución de hasta el 75 %).
• La actitud del cuerpo cambió 11° con la distribución parcial de la cantidad de movimiento y 21° con la completa en la prueba de flotación por aire, sin problemas de singularidad en ese robot de mayor inercia.

Limitaciones

• El factor de distribución debe ajustarse para cada robot a fin de no distribuir más cantidad de movimiento de la que el robot puede absorber; la distribución completa provocó una singularidad en la simulación.
• La prueba física es plana y abarca un solo paso, porque el robot de flotación por aire no puede caminar de forma continua; una extremidad está atornillada a una placa, por lo que el desprendimiento real no se prueba en hardware.
• Los resultados de marcha del cuadrúpedo proceden solo de la simulación, con un modelo de contacto puntual compliante con rigidez y amortiguamiento de la superficie supuestos.
• Las trayectorias y la cinemática inversa del experimento se calcularon fuera de línea.

Impacto en el campo

Finalista del premio ICRA 2023 Outstanding Locomotion Paper, con 7 citas. No se publican código, datos ni diseños de hardware con el artículo.

Resumen

La movilidad robótica en microgravedad es necesaria para ampliar el uso y la exploración humana del espacio exterior. Los robots multípedos bioinspirados son una posible solución para una locomoción segura y precisa. Sin embargo, un movimiento dinámico de un robot en microgravedad puede provocar fallos por el desprendimiento de las pinzas causado por reacciones excesivas del movimiento. Proponemos una novedosa planificación de movimiento consciente de las reacciones (Reaction-Aware Motion Planning, RAMP) para mejorar la seguridad de la locomoción en microgravedad, que disminuye el riesgo de perder el contacto con la superficie del terreno reduciendo el cambio de cantidad de movimiento del robot. RAMP minimiza la cantidad de movimiento de balanceo con una trayectoria de balanceo de baja reacción (Low-Reaction Swing Trajectory, LRST) a la vez que distribuye esta cantidad de movimiento a todo el cuerpo, garantizando velocidad nula para las pinzas de apoyo y minimizando las reacciones del movimiento. Verificamos el enfoque propuesto con simulaciones dinámicas que indican la capacidad de RAMP para generar un movimiento seguro sin desprendimiento de las pinzas de apoyo, de modo que el robot alcanza la ubicación especificada. Además, validamos RAMP en experimentos con un sistema de flotación por aire, que demuestran una reducción significativa de las fuerzas de reacción y una mejor movilidad en microgravedad.

Enlaces

• arXiv 2301.07996: https://arxiv.org/abs/2301.07996
• DOI 10.1109/ICRA48891.2023.10161185: https://doi.org/10.1109/ICRA48891.2023.10161185
• PDF: https://arxiv.org/pdf/2301.07996v1