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

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

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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 pianificatore del movimento per robot con zampe dotate di pinze in microgravità che modella le traiettorie delle zampe in oscillazione e muove il corpo per assorbire la quantità di moto dell'oscillazione, riducendo le reazioni che staccano le pinze.

Perché è importante

I robot con zampe e piedi prensili sono proposti per asteroidi e stazioni spaziali, dove il salto non è controllato e il volo basato su propellente è limitato. RAMP offre un modo, a livello di pianificazione, per ridurre le forze di trazione sulle pinze senza bisogno di stime dell'attrito, e il suo fattore di distribuzione regolabile offre un'alternativa a bassa reazione al controllo senza reazione che può evitare configurazioni singolari.

Problema

In microgravità le uniche forze che possono staccare dalla superficie le pinze di un robot con zampe provengono dal suo stesso movimento, quindi la camminata dinamica rischia il distacco e la perdita del robot. La camminata quasi statica evita il problema ma è troppo lenta per i limiti di tempo della missione, il controllo cedevole basato sull'attrito richiede dati di attrito non disponibili prima di una missione, e il controllo senza reazione è stato dimostrato solo per un singolo contatto e può portare il robot in pose singolari.

Soluzione proposta

RAMP combina una traiettoria di oscillazione a bassa reazione, un percorso di oscillazione di Bézier di 7° ordine i cui coefficienti sono ottimizzati per minimizzare la variazione massima della quantità di moto raggiungendo l'altezza del passo, con una distribuzione della quantità di moto dell'oscillazione all'intero corpo. Quest'ultima calcola una velocità della base che annulla una frazione α della quantità di moto dell'oscillazione mantenendo a velocità nulla le pinze di appoggio; α = 0,5 dà una distribuzione parziale (RAMP-PMD) e α = 1 una distribuzione completa (RAMP-FMD).

Idee chiave

• In microgravità, le forze che tirano le pinze provengono solo dal movimento del robot stesso, quindi minimizzarne la variazione della quantità di moto riduce direttamente il rischio di distacco.
• Ottimizzare solo la traiettoria di oscillazione riduce le reazioni ma non basta; serve anche distribuire la quantità di moto dell'oscillazione alla base e alle zampe di appoggio.
• Annullare completamente la quantità di moto dell'oscillazione (α = 1) può spingere un robot a bassa inerzia in una singolarità, quindi il fattore di distribuzione va regolato in base a inerzia, velocità e manipolabilità del robot.
• La traiettoria di oscillazione a bassa reazione riduce le reazioni in parte avvicinando l'arto in oscillazione al corpo, il che ne abbassa l'inerzia.

Risultati principali

• Simulazione di un robot quadrupede simile a Hubrobo su una superficie rugosa di asteroide (10⁻⁶ G, forza di tenuta delle pinze di 0,9 N): il piano di riferimento si è staccato e il robot è volato via dopo pochi passi.
• Nella stessa simulazione, RAMP-PMD (α = 0,5) è avanzato di 40 cm senza superare il limite di forza delle pinze, mentre RAMP-FMD (α = 1) ha spostato troppo la base ed è finito in una configurazione singolare.
• Su un robot a due bracci a galleggiamento ad aria con un arto fissato a una piastra, RAMP-FMD ha ridotto la forza e il momento massimi di reazione con il suolo al 40 % del riferimento (una diminuzione fino al 60 %).
• La forza e il momento medi sono scesi tra il 60 % e il 25 % della media di riferimento a seconda del fattore di distribuzione (una diminuzione fino al 75 %).
• L'assetto del corpo è cambiato di 11° con la distribuzione parziale della quantità di moto e di 21° con quella completa nella prova a galleggiamento ad aria, senza problemi di singolarità su quel robot a inerzia maggiore.

Limiti

• Il fattore di distribuzione deve essere regolato per ciascun robot per evitare di distribuire più quantità di moto di quanta il robot possa assorbire; la distribuzione completa ha causato una singolarità in simulazione.
• La prova fisica è planare e copre un solo passo, perché il robot a galleggiamento ad aria non può camminare in modo continuo; un arto è imbullonato a una piastra, quindi il distacco effettivo non è testato su hardware.
• I risultati di camminata del quadrupede provengono solo dalla simulazione, con un modello di contatto puntuale cedevole con rigidezza e smorzamento della superficie ipotizzati.
• Le traiettorie e la cinematica inversa per l'esperimento sono state calcolate offline.

Impatto sul settore

Finalista dell'ICRA 2023 Outstanding Locomotion Paper award, con 7 citazioni. Con l'articolo non sono rilasciati codice, dati o progetti hardware.

Abstract

La mobilità robotica in microgravità è necessaria per ampliare l'utilizzo e l'esplorazione umana dello spazio. I robot bioispirati a più zampe sono una possibile soluzione per una locomozione sicura e precisa. Tuttavia, un movimento dinamico di un robot in microgravità può portare a guasti dovuti al distacco delle pinze causato da reazioni eccessive del movimento. Proponiamo una nuova pianificazione del movimento consapevole delle reazioni (Reaction-Aware Motion Planning, RAMP) per migliorare la sicurezza della locomozione in microgravità, riducendo il rischio di perdere il contatto con la superficie del terreno grazie alla riduzione della variazione della quantità di moto del robot. RAMP minimizza la quantità di moto dell'oscillazione con una traiettoria di oscillazione a bassa reazione (Low-Reaction Swing Trajectory, LRST) distribuendo al tempo stesso questa quantità di moto all'intero corpo, garantendo velocità nulla per le pinze di appoggio e minimizzando le reazioni del movimento. Verifichiamo l'approccio proposto con simulazioni dinamiche che indicano la capacità di RAMP di generare un movimento sicuro senza distacco delle pinze di appoggio, con il robot che raggiunge la posizione specificata. Convalidiamo inoltre RAMP in esperimenti con un sistema a galleggiamento ad aria, dimostrando una riduzione significativa delle forze di reazione e una migliore mobilità in microgravità.

Link

• 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