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

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

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Articolo: CC BY 4.0

Tutto ciò che segue si basa sull'articolo completo secondo la sua licenza CC BY 4.0; la figura è riportata citando gli autori.

In breve

Un piccolo robot in stile RHex combina guscio arrotondato, ali e coda attiva per superare pilastri, gradini, varchi e aste simili a erba e per raddrizzarsi da solo, usando strategie apprese dagli scarafaggi.

Perché è importante

La ricerca e soccorso tra le macerie, il monitoraggio del sottobosco e l'esplorazione planetaria richiedono robot che si facciano strada attraverso gli ostacoli invece di aggirarli. L'articolo mostra che diverse strategie di forma del corpo e di appendici possono essere integrate in un unico robot piccolo e testate su ogni tipo di ostacolo.

Problema

I robot navigano bene evitando gli ostacoli ma faticano in terreni 3-D ingombri di grandi ostacoli, con cui devono interagire fisicamente. Lavori precedenti dello stesso laboratorio avevano trovato strategie separate per pilastri, gradini, varchi, aste flessibili e auto-raddrizzamento, ma nessun robot le combinava.

Soluzione proposta

Omni-Roach è un robot di classe RHex a sei zampe con zampe cedevoli, un guscio arrotondato che devia passivamente sui pilastri e rolla nei varchi, un guscio superiore che si apre in due ali per l'auto-raddrizzamento e una coda con beccheggio e imbardata usata per sollevare la parte anteriore del corpo e per battere sul suolo. Sono stati costruiti due prototipi: la v1 (1,8 kg, zampe a forma di C) e una v2 più piccola (0,75 kg, zampe a forma di S, motori più veloci, coda relativamente più lunga).

Idee chiave

Il corpo arrotondato ha deviato il robot oltre i pilastri nel 100 % dei casi senza alcun rilevamento né controllo attivo
Senza la coda, nessuna delle due versioni riusciva a sollevare abbastanza la parte anteriore per salire su un gradino, e la v1 restava bloccata sollevandosi contro le aste
Nei test con le aste, una coda rivolta verso il basso e oscillante in imbardata ha fatto rollare il corpo nel varco e ha rotto il contatto di attrito e di incastro, ed è stata l'unica modalità ad attraversare a tutti e quattro gli angoli di avvicinamento
Una coda statica rivolta verso il basso ha attraversato le aste solo con angoli di avvicinamento da 15° a 45°, il che suggerisce che uno dei ruoli dell'oscillazione della coda sia regolare l'angolo di avvicinamento
I miglioramenti della v2 sono attribuiti a zampe relativamente più lunghe (dal 14 % al 25 % della lunghezza del corpo), a una coda relativamente più lunga (dal 54 % al 73 %) e a una frequenza del passo circa 4× maggiore, mentre il rapporto tra forza delle zampe e peso del corpo è sceso solo da 1,6 a 1,4

Risultati principali

La v2 ha superato un gradino di 2,5× l'altezza dell'anca con l'80 % di successo, contro 1,5× l'altezza dell'anca per la v1
La v2 ha attraversato un varco del 75 % della lunghezza del corpo (15 cm) con la coda a riposo, contro il 48 % (17 cm) per la v1; il movimento della coda non ha migliorato l'attraversamento dei varchi per nessuna delle due versioni
La v2 ha attraversato aste con un varco del 65 % della larghezza del corpo (12 cm, circa 50° di rollio del corpo), contro il 91 % (21 cm, circa 24° di rollio) per la v1
Auto-raddrizzamento in 4,0 s con il 100 % di successo per la v2, e il 90 % di successo entro 4 s per la v1, su terreno piano
La distanza tra i pilastri è indicata come 1,1× la larghezza del corpo nell'abstract e come 1,08× la larghezza del corpo nella sezione conclusiva (quattro pilastri distanti 20 cm, larghezza della v2 18,5 cm)
Su 160 prove con le aste (10 per modalità della coda e angolo di avvicinamento), far oscillare in imbardata la coda rivolta verso il basso ha ridotto del 30 % il tempo medio di attraversamento rispetto alla coda statica rivolta verso il basso a 15°, 30° e 45°

Limiti

Il passaggio tra le modalità locomotorie è controllato manualmente; gli autori indicano la visione e il rilevamento delle forze di contatto per transizioni autonome come lavoro futuro
I motori delle zampe e della coda sono troppo lenti per un attraversamento dinamico dei varchi, quindi la coda non aiuta ad attraversarli
Il guscio arrotondato che aiuta con pilastri e aste devia il robot lontano dai gradini; gli autori propongono un guscio capace di cambiare forma
Tutti i test sono stati svolti su semplici banchi di prova di laboratorio (pilastri e gradini in alluminio, aste in acrilico su molle di torsione, pannello forato con carta vetrata), e l'auto-raddrizzamento è stato testato solo su terreno piano

Impatto sul settore

Finalista del premio ICRA 2022 Outstanding Locomotion Paper, con 20 citazioni. L'articolo non dichiara un rilascio di codice o di file di progetto; è accompagnato da un video supplementare.

Abstract

I robot eccellono nell'evitare gli ostacoli ma faticano ancora ad attraversare terreni 3-D complessi con grandi ostacoli ammassati. Al contrario, insetti come gli scarafaggi eccellono in questo. Ricerche recenti nel nostro laboratorio hanno chiarito come le transizioni locomotorie emergano dall'interazione tra locomozione e ambiente per diverse sfide locomotorie astratte da terreni 3-D complessi, e quali strategie superino queste sfide. Qui ci basiamo su queste conoscenze fondamentali per sviluppare un robot con zampe ispirato agli scarafaggi, Omni-Roach, che integra queste strategie per una locomozione multifunzionale. Il robot si basa sul progetto di classe RHex con sei zampe cedevoli e presenta un corpo di forma arrotondata con due ali che possono aprirsi e una coda attiva con gradi di libertà di beccheggio e imbardata. Attraverso due iterazioni di sviluppo e test, il nostro robot è stato in grado di superare tutte le sfide locomotorie con prestazioni e tasso di successo elevati. Ha attraversato pilastri rigidi ammassati distanti solo 1,1× la larghezza del corpo del robot, un gradino di 2,5× l'altezza dell'anca, un varco di 0,75× la lunghezza del corpo, aste flessibili fittamente ammassate distanti solo il 65 % della larghezza del suo corpo, e si è raddrizzato da solo entro 4 secondi. Esperimenti sistematici sull'uso della coda e sull'angolo di avvicinamento per l'attraversamento delle aste hanno rivelato che una coda attiva rivolta verso il basso che batte sul suolo aiuta a far rollare il corpo nel varco e a rompere il contatto di attrito e di incastro per attraversare.

Link

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