RAMP: Reaction-Aware Motion Planning of Multi-Legged Robots for Locomotion in Microgravity
著者: Warley F. R. Ribeiro, Kentaro Uno, Masazumi Imai, Koki Murase, Kazuya Yoshida · ICRA 2023
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
微小重力下でグリッパーを持つ脚型ロボットのためのモーションプランナー。遊脚の軌道を形づくり、胴体を動かして遊脚の運動量を吸収することで、グリッパーを離脱させる反力を低減する。
重要な理由
把持用の足を持つ脚型ロボットは、跳躍が制御できず推進剤による飛行も限られる小惑星や宇宙ステーション向けに提案されている。RAMP は摩擦の推定を必要とせずにグリッパーの引っ張り力を下げる計画レベルの方法を与え、調整可能な分配係数は、特異姿勢を避けられる無反動制御の低反力な代替手段となる。
課題
微小重力下で脚型ロボットのグリッパーを表面から引き剥がしうる力は、ロボット自身の運動から生じるものだけであり、動的な歩行には離脱とロボット喪失のリスクがある。準静的歩行はこれを避けられるがミッションの時間制限には遅すぎ、摩擦に基づくコンプライアンス制御にはミッション前には得られない摩擦データが必要であり、無反動制御は単一接触でしか示されておらず、ロボットを特異姿勢に追い込むことがある。
提案手法
RAMP は Low-Reaction Swing Trajectory と Whole-Body Swing Momentum Distribution を組み合わせる。前者は 7 次の Bézier による遊脚経路で、ステップ高さに到達しつつ運動量変化のピークを最小化するよう係数を最適化する。後者は、支持グリッパーを速度ゼロに保ちながら遊脚の運動量の割合 α を打ち消すベース速度を計算する。α = 0.5 は部分的な分配（RAMP-PMD）、α = 1 は完全な分配（RAMP-FMD）となる。
主な知見
- 微小重力下では、グリッパーを引っ張る力はロボット自身の運動からしか生じないため、その運動量変化を最小化することが離脱リスクを直接下げる。
- 遊脚の軌道だけを最適化すると反力は減るが十分ではなく、遊脚の運動量をベースと支持脚にも分配する必要がある。
- 遊脚の運動量を完全に打ち消す（α = 1）と、慣性の小さいロボットは特異点に陥る可能性があるため、分配係数はロボットの慣性、速度、可操作度に合わせて調整しなければならない。
- 低反力の遊脚軌道は、振り出す肢を胴体に近づけて慣性を下げることによっても反力を減らしている。
主な結果
- 起伏のある小惑星表面での Hubrobo 型四足ロボットのシミュレーション（10⁻⁶ G、グリッパー保持力 0.9 N）：ベースラインの計画では離脱が起き、ロボットは数歩で漂い去った。
- 同じシミュレーションで、RAMP-PMD（α = 0.5）はグリッパーの力の上限を超えずに 40 cm 前進したが、RAMP-FMD（α = 1）はベースを動かしすぎて特異姿勢に陥った。
- 1 本の肢をプレートに固定した双腕の空気浮上ロボットで、RAMP-FMD は最大の地面反力とモーメントをベースラインの 40% に低減した（最大 60% の減少）。
- 平均の力とモーメントは、分配係数に応じてベースライン平均の 60% から 25% の間に下がった（最大 75% の減少）。
- 空気浮上試験での胴体の姿勢変化は、部分的な運動量分配で 11°、完全な分配で 21° であり、慣性の大きいこのロボットでは特異点の問題は生じなかった。
制限事項
- ロボットが吸収できる以上の運動量を分配しないよう、分配係数はロボットごとに調整する必要がある。シミュレーションでは完全な分配が特異点を引き起こした。
- 空気浮上ロボットは連続して歩けないため、物理試験は平面内で 1 歩のみを対象としている。1 本の肢はプレートにボルトで固定されているため、実際の離脱はハードウェアで試験されていない。
- 四足歩行の結果はシミュレーションのみによるもので、表面の剛性と減衰を仮定したコンプライアントな点接触モデルを用いている。
- 実験用の軌道と逆運動学はオフラインで計算された。
分野への影響
ICRA 2023 Outstanding Locomotion Paper 賞のファイナリストで、被引用数は 7。論文とともに公開されたコード、データ、ハードウェア設計はない。
概要
微小重力下でのロボットの移動能力は、人類による宇宙空間の利用と探査を拡大するために必要である。生物に着想を得た多脚ロボットは、安全かつ精密なロコモーションのための有力な解決策の一つである。しかし、微小重力下でのロボットの動的な動きは、過大な運動反力によるグリッパーの離脱を招き、失敗につながりうる。我々は、ロボットの運動量変化を減らすことで地表面との接触を失うリスクを低減し、微小重力下でのロコモーションの安全性を高める、新しい Reaction-Aware Motion Planning（RAMP）を提案する。RAMP は Low-Reaction Swing Trajectory（LRST）によって遊脚の運動量を最小化しつつ、この運動量を全身に分配し、支持グリッパーの速度をゼロに保ち、運動反力を最小化する。動力学シミュレーションによって提案手法を検証し、RAMP が支持グリッパーを離脱させることなく安全な動作を生成でき、ロボットが指定位置に到達できることを示す。さらに空気浮上システムを用いた実験で RAMP を検証し、反力の大幅な低減と微小重力下での移動能力の向上を実証する。
リンク
- 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