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

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

ライセンス

オープンアクセス
論文: CC BY 4.0

以下の内容はすべて、論文のライセンス（CC BY 4.0）に従い論文全文に基づいています。図は著者のクレジットを付けて掲載しています。

要約

小型の RHex 型ロボット 1 台が、丸みを帯びた殻、翅、能動的な尾を組み合わせ、ゴキブリから学んだ戦略を用いて柱、段差、溝、草のような梁を通り抜け、自己復帰する。

重要な理由

瓦礫の中での捜索救助、林床のモニタリング、惑星探査には、障害物を避けて進むのではなく押し分けて進むロボットが必要である。論文は、複数の胴体形状と付属肢の戦略を 1 台の小型ロボットに統合し、障害物の種類ごとに試験できることを示している。

課題

ロボットは障害物を避けることでうまく移動できるが、大きな障害物が散在し、それらと物理的に相互作用しなければならない 3-D 地形では苦労する。同じ研究室の以前の研究は、柱、段差、溝、柔軟な梁、自己復帰のそれぞれに対する戦略を見いだしたが、それらを組み合わせた単一のロボットはなかった。

提案手法

Omni-Roach は、しなやかな脚を持つ六足の RHex クラスのロボットで、柱から受動的にそれて隙間へ転がり込む丸みを帯びた殻、自己復帰のために 2 枚の翅として開く上部の殻、そして胴体を持ち上げたり地面を叩いたりするのに使うピッチとヨーを持つ尾を備える。2 台の試作機が製作された。v1（1.8 kg、C 字形の脚）と、より小型の v2（0.75 kg、S 字形の脚、より速いモーター、相対的に長い尾）である。

主な知見

丸みを帯びた胴体は、センシングや能動制御なしで、100% の確率でロボットを柱の脇へそらして通過させた
尾がない場合、どちらの版も段差を登れるほど胴体前部を上げられず、v1 は梁に向かって前部を上げたまま動けなくなった
梁の試験では、下向きにしてヨー方向に振動させた尾が胴体を隙間へ転がり込ませ、摩擦による接触やかみ合った接触を断ち切った。これは 4 つの進入角すべてで踏破できた唯一のモードだった
静止した下向きの尾は 15° から 45° の進入角でしか梁を踏破できず、尾の振動の役割の 1 つが進入角の調整であることを示唆している
v2 の向上は、相対的に長い脚（胴体長の 14% から 25%）、相対的に長い尾（54% から 73%）、約 4× の歩行周波数によるものとされ、体重に対する脚力の比は 1.6 から 1.4 に下がっただけである

主な結果

v2 は腰の高さの 2.5× の段差を 80% の成功率で登った。v1 は腰の高さの 1.5× だった
尾をホーム位置にした状態で、v2 は胴体長の 75%（15 cm）の溝を越えた。v1 は 48%（17 cm）だった。尾の動きはどちらの版でも溝の通過を改善しなかった
v2 は胴体幅の 65%（12 cm、胴体のロール約 50°）の隙間を持つ梁を踏破した。v1 は 91%（21 cm、ロール約 24°）だった
平地での自己復帰は、v2 が 4.0 s で成功率 100%、v1 が 4 s 以内で成功率 90% だった
柱の間隔は、要旨では胴体幅の 1.1×、結びの節では胴体幅の 1.08×（4 本の柱の間隔 20 cm、v2 の幅 18.5 cm）とされている
160 回の梁試験（尾のモードと進入角の組み合わせごとに 10 回）で、15°、30°、45° において、下向きの尾をヨー方向に振動させると、静止した下向きの尾と比べて平均踏破時間が 30% 短縮された

制限事項

移動モード間の切り替えは手動で制御されている。著者らは、自律的な遷移のための視覚と接触力のセンシングを今後の課題としている
脚と尾のモーターは動的な溝の踏破には遅すぎるため、尾は溝の通過に役立たない
柱や梁で役立つ丸みを帯びた殻は、ロボットを段差からそらしてしまう。著者らは形状を変えられる殻を提案している
すべての試験は単純な実験用テストベッド（アルミニウム製の柱と段差、ねじりばねに取り付けたアクリル製の梁、紙やすりを貼った有孔ボード）で行われ、自己復帰は平地でのみ試験された

分野への影響

ICRA 2022 優秀ロコモーション論文賞のファイナリストで、被引用数は 20 である。論文はコードや設計ファイルの公開について述べていない。補足動画が付属している。

概要

ロボットは障害物の回避には優れているが、大きな障害物が散在する複雑な 3-D 地形の踏破にはいまだ苦労している。対照的に、ゴキブリのような昆虫はそれを得意とする。我々の研究室の最近の研究は、複雑な 3-D 地形から抽象化した多様な移動（ロコモーション）課題について、移動様式の遷移が移動体と環境の相互作用からどのように生じるか、そしてどのような戦略がこれらの課題を克服するかを明らかにした。ここでは、これらの基礎的な知見をもとに、多機能な移動のためにこれらの戦略を統合した、ゴキブリに着想を得た脚ロボット Omni-Roach を開発する。このロボットは 6 本のしなやかな脚を持つ RHex クラスの設計に基づき、丸みを帯びた胴体形状、開くことのできる 2 枚の翅、ピッチとヨーの自由度を持つ能動的な尾を備える。2 回の開発・試験の反復を経て、ロボットはすべての移動課題を高い性能と成功率で克服できるようになった。ロボットの胴体幅のわずか 1.1× の間隔で並ぶ乱雑な剛体の柱、腰の高さの 2.5× の段差、胴体長の 0.75× の溝、胴体幅のわずか 65% の間隔で密集した柔軟な梁を踏破し、4 秒以内に自己復帰した。尾の使い方と梁踏破の進入角に関する系統的な実験により、下向きにして地面を叩く能動的な尾が、胴体を隙間へ転がり込ませ、摩擦による接触やかみ合った接触を断ち切って踏破するのに役立つことが明らかになった。

リンク

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