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

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

Licences

• Accès libre
• Article: CC BY 4.0

Tout ce qui suit s'appuie sur l'article complet sous sa licence CC BY 4.0 ; sa figure est montrée en citant les auteurs.

En bref

Un petit robot de type RHex combine une carapace arrondie, des ailes et une queue active pour franchir piliers, marches, fossés et tiges semblables à de l'herbe et pour se redresser seul, à l'aide de stratégies tirées des cafards.

Pourquoi c'est important

La recherche et le sauvetage dans les décombres, la surveillance du sol forestier et l'exploration planétaire exigent des robots qui se frayent un passage à travers les obstacles plutôt que de les contourner. L'article montre que plusieurs stratégies de forme du corps et d'appendices peuvent être intégrées dans un seul petit robot et testées sur chaque type d'obstacle.

Problème

Les robots naviguent bien en évitant les obstacles mais peinent dans des terrains 3-D encombrés de grands obstacles, où ils doivent interagir physiquement avec eux. Des travaux antérieurs du même laboratoire avaient trouvé des stratégies distinctes pour les piliers, les marches, les fossés, les tiges flexibles et le redressement, mais aucun robot ne les combinait.

Solution proposée

Omni-Roach est un robot à six pattes de la classe RHex, avec des pattes compliantes, une carapace arrondie qui dévie passivement sur les piliers et roule dans les interstices, une carapace supérieure qui s'ouvre en deux ailes pour le redressement, et une queue en tangage et en lacet utilisée pour cabrer le corps et taper le sol. Deux prototypes ont été construits : la v1 (1,8 kg, pattes en C) et une v2 plus petite (0,75 kg, pattes en S, moteurs plus rapides, queue relativement plus longue).

Idées clés

• Le corps arrondi a dévié le robot au-delà des piliers dans 100 % des cas, sans aucune perception ni commande active
• Sans la queue, aucune des deux versions ne pouvait se cabrer assez pour gravir une marche, et la v1 restait bloquée cabrée contre les tiges
• Dans les essais sur tiges, une queue pointée vers le bas et oscillant en lacet a fait rouler le corps dans l'interstice et rompu les contacts de frottement et d'emboîtement, et c'était le seul mode qui passait aux quatre angles d'approche
• Une queue statique pointée vers le bas n'a traversé les tiges qu'à des angles d'approche de 15° à 45°, ce qui suggère qu'un rôle de l'oscillation de la queue est d'ajuster l'angle d'approche
• Les gains de la v2 sont attribués à des pattes relativement plus longues (de 14 % à 25 % de la longueur du corps), à une queue relativement plus longue (de 54 % à 73 %) et à une fréquence de foulée environ 4× plus élevée, le rapport entre la force des pattes et le poids du corps ne baissant que de 1,6 à 1,4

Principaux résultats

• La v2 a gravi une marche de 2,5× la hauteur de hanche avec 80 % de réussite, contre 1,5× la hauteur de hanche pour la v1
• La v2 a franchi un fossé de 75 % de la longueur du corps (15 cm) avec la queue en position de repos, contre 48 % (17 cm) pour la v1 ; le mouvement de la queue n'a amélioré le franchissement des fossés pour aucune des versions
• La v2 a traversé des tiges espacées de 65 % de la largeur du corps (12 cm, roulis du corps d'environ 50°), contre 91 % (21 cm, roulis d'environ 24°) pour la v1
• Redressement sur sol plat en 4,0 s avec 100 % de réussite pour la v2, et avec 90 % de réussite en moins de 4 s pour la v1
• L'espacement des piliers est donné comme 1,1× la largeur du corps dans le résumé et comme 1,08× la largeur du corps dans la section finale (quatre piliers espacés de 20 cm, largeur de la v2 18,5 cm)
• Sur plus de 160 essais sur tiges (10 par mode de queue et par angle d'approche), faire osciller en lacet la queue pointée vers le bas a réduit le temps moyen de traversée de 30 % par rapport à la queue statique pointée vers le bas à 15°, 30° et 45°

Limites

• Le robot est commandé manuellement entre les modes locomoteurs ; les auteurs citent la vision et la mesure des forces de contact pour des transitions autonomes comme travail futur
• Les moteurs des pattes et de la queue sont trop lents pour un franchissement dynamique des fossés, de sorte que la queue n'aide pas à franchir les fossés
• La carapace arrondie qui aide face aux piliers et aux tiges fait dévier le robot des marches ; les auteurs proposent une carapace à forme variable
• Tous les essais ont eu lieu sur de simples bancs d'essai de laboratoire (piliers et marches en aluminium, tiges en acrylique sur ressorts de torsion, panneau perforé avec du papier de verre), et le redressement n'a été testé que sur sol plat

Impact sur le domaine

Finaliste du ICRA 2022 Outstanding Locomotion Paper award, avec 20 citations. L'article ne mentionne pas de publication du code ou des fichiers de conception ; une vidéo supplémentaire l'accompagne.

Résumé

Les robots excellent à éviter les obstacles mais peinent encore à traverser des terrains 3-D complexes encombrés de grands obstacles. À l'inverse, les insectes comme les cafards y excellent. Des recherches récentes de notre laboratoire ont élucidé comment les transitions locomotrices émergent de l'interaction entre la locomotion et l'environnement pour divers défis locomoteurs abstraits de terrains 3-D complexes, et quelles stratégies permettent de surmonter ces défis. Ici, nous nous appuyons sur ces connaissances fondamentales pour développer un robot à pattes inspiré du cafard, Omni-Roach, qui intègre ces stratégies pour une locomotion multifonctionnelle. Le robot repose sur la conception de la classe RHex avec six pattes compliantes, et présente une forme de corps arrondie avec deux ailes qui peuvent s'ouvrir, ainsi qu'une queue active dotée de degrés de liberté en tangage et en lacet. Au fil de deux itérations de développement et d'essais, notre robot a pu surmonter tous les défis locomoteurs avec de hautes performances et un taux de réussite élevé. Il a traversé des piliers rigides encombrés espacés d'à peine 1,1× la largeur du corps du robot, une marche de 2,5× la hauteur de hanche, un fossé de 0,75× la longueur du corps, des tiges flexibles densément encombrées espacées d'à peine 65 % de la largeur de son corps, et s'est redressé seul en moins de 4 secondes. Des expériences systématiques sur l'utilisation de la queue et l'angle d'approche pour la traversée des tiges ont révélé qu'une queue active pointée vers le bas et tapant contre le sol aide à faire rouler le corps dans l'interstice et à rompre les contacts de frottement et d'emboîtement pour passer.

Liens

• 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