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

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

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• 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 planificateur de mouvement pour robots à pattes préhensiles en microgravité, qui façonne les trajectoires des pattes en balancement et déplace le corps pour absorber la quantité de mouvement du balancement, réduisant les réactions qui décrochent les pinces.

Pourquoi c'est important

Les robots à pattes munis de pieds préhensiles sont proposés pour les astéroïdes et les stations spatiales, où le saut n'est pas contrôlé et le vol par propulseurs est limité. RAMP offre, au niveau de la planification, un moyen de réduire les forces de traction sur les pinces sans nécessiter d'estimation du frottement, et son facteur de distribution réglable constitue une alternative à faible réaction à la commande sans réaction, capable d'éviter les configurations singulières.

Problème

En microgravité, les seules forces capables d'arracher les pinces d'un robot à pattes de la surface proviennent de son propre mouvement, si bien que la marche dynamique risque le décrochage et la perte du robot. La marche quasi statique évite cela mais est trop lente au regard des contraintes de temps d'une mission, la commande compliante fondée sur le frottement nécessite des données de frottement indisponibles avant une mission, et la commande sans réaction n'a été montrée que pour un seul contact et peut entraîner le robot dans des poses singulières.

Solution proposée

RAMP combine une Low-Reaction Swing Trajectory, un chemin de balancement de Bézier d'ordre 7 dont les coefficients sont optimisés pour minimiser le pic de variation de quantité de mouvement tout en atteignant la hauteur de pas, avec une Whole-Body Swing Momentum Distribution. Cette dernière calcule une vitesse de base qui annule une fraction α de la quantité de mouvement du balancement tout en maintenant les pinces d'appui à vitesse nulle ; α = 0,5 donne une distribution partielle (RAMP-PMD) et α = 1 une distribution complète (RAMP-FMD).

Idées clés

• En microgravité, les forces de traction sur les pinces ne proviennent que du propre mouvement du robot, donc minimiser sa variation de quantité de mouvement réduit directement le risque de décrochage.
• Optimiser seulement la trajectoire de balancement réduit les réactions mais ne suffit pas ; il faut aussi distribuer la quantité de mouvement du balancement à la base et aux pattes d'appui.
• Annuler entièrement la quantité de mouvement du balancement (α = 1) peut pousser un robot de faible inertie dans une singularité, si bien que le facteur de distribution doit être réglé selon l'inertie, la vitesse et la manipulabilité du robot.
• La trajectoire de balancement à faible réaction réduit les réactions en partie en rapprochant la patte en balancement du corps, ce qui diminue son inertie.

Principaux résultats

• Simulation d'un robot quadrupède de type Hubrobo sur une surface d'astéroïde accidentée (10⁻⁶ G, force de maintien des pinces de 0,9 N) : le plan de référence a décroché et le robot s'est éloigné en flottant après quelques pas.
• Dans la même simulation, RAMP-PMD (α = 0,5) a avancé de 40 cm sans dépasser la limite de force des pinces, tandis que RAMP-FMD (α = 1) a trop déplacé la base et est tombé dans une configuration singulière.
• Sur un robot à deux bras flottant sur coussin d'air, avec un membre fixé à une plaque, RAMP-FMD a réduit la force et le moment de réaction au sol maximaux à 40 % de la référence (une diminution allant jusqu'à 60 %).
• La force et le moment moyens sont tombés entre 60 % et 25 % de la moyenne de référence selon le facteur de distribution (une diminution allant jusqu'à 75 %).
• L'attitude du corps a varié de 11° avec la distribution partielle et de 21° avec la distribution complète de la quantité de mouvement lors du test sur coussin d'air, sans problème de singularité sur ce robot de plus forte inertie.

Limites

• Le facteur de distribution doit être réglé pour chaque robot afin d'éviter de distribuer plus de quantité de mouvement que le robot ne peut en absorber ; la distribution complète a provoqué une singularité en simulation.
• Le test physique est plan et ne porte que sur un seul pas, car le robot sur coussin d'air ne peut pas marcher en continu ; un membre est boulonné à une plaque, si bien que le décrochage réel n'est pas testé sur le matériel.
• Les résultats de marche du quadrupède proviennent uniquement de la simulation, avec un modèle de contact ponctuel compliant à raideur et amortissement de surface supposés.
• Les trajectoires et la cinématique inverse de l'expérience ont été calculées hors ligne.

Impact sur le domaine

Finaliste du prix ICRA 2023 Outstanding Locomotion Paper, avec 7 citations. Aucun code, aucune donnée ni aucune conception matérielle n'est publié avec l'article.

Résumé

La mobilité robotique en microgravité est nécessaire pour étendre l'utilisation et l'exploration humaines de l'espace. Les robots à plusieurs pattes bio-inspirés sont une solution possible pour une locomotion sûre et précise. Cependant, un mouvement dynamique d'un robot en microgravité peut entraîner des défaillances dues au décrochage des pinces, provoqué par des réactions de mouvement excessives. Nous proposons une nouvelle approche, Reaction-Aware Motion Planning (RAMP), pour améliorer la sécurité de la locomotion en microgravité, en diminuant le risque de perdre le contact avec la surface du terrain par la réduction de la variation de quantité de mouvement du robot. RAMP minimise la quantité de mouvement de balancement avec une Low-Reaction Swing Trajectory (LRST) tout en distribuant cette quantité de mouvement à l'ensemble du corps, ce qui garantit une vitesse nulle pour les pinces d'appui et minimise les réactions de mouvement. Nous vérifions l'approche proposée par des simulations dynamiques qui montrent la capacité de RAMP à générer un mouvement sûr sans décrochage des pinces d'appui, le robot atteignant ainsi l'emplacement spécifié. Nous validons en outre RAMP par des expériences avec un système à flottaison sur coussin d'air, qui démontrent une réduction significative des forces de réaction et une meilleure mobilité en microgravité.

Liens

• 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